CN109905045A

CN109905045A - 一种准四电平变换器拓扑结构及其svpwm算法

Info

Publication number: CN109905045A
Application number: CN201811193948.8A
Authority: CN
Inventors: 邱晓初; 魏姝
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2019-06-18

Abstract

本发明公开了一种准四电平NPC变换器拓扑结构及空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）算法，属于电力电子技术领域。准四电平NPC变换器拓扑结构由直流侧的两个不对称直流电压源（电压比例为2：1）和传统的三相三电平NPC拓扑结构构成，其输出线电压电平数由传统三电平结构的5个电平增加到7个电平，改善了输出电压质量，同时精简了传统四电平NPC拓扑结构，减少开关器件数量及降低开关频率。本发明提出了与该拓扑结构相对应的扇区旋转及八分区SVPWM算法，降低了由于矢量缺失而导致的计算复杂度。

Description

一种准四电平变换器拓扑结构及其SVPWM算法

技术领域

本发明涉及一种准四电平变换器拓扑结构及其空间矢量脉宽调制算法，属于电力电子技术领域。

背景技术

二极管箝位型逆变器结构是最早提出的一种多电平逆变器结构。基本工作原理为：每相桥臂由若干个开关管串联，若干个二极管进行箝位，通过分别控制每个开关管的通断状态，得到所需电平级数，使输出波形更接近正弦波。三电平二极管中点箝位式三桥臂逆变器拓扑结构如图1所示，直流侧电压源为U_dc，分压电容为C1、C2，C1= C2。每相桥臂有两个箝位二极管和四个功率开关管。以A桥臂为例，该桥臂由开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4和箝位二极管D1、D2组成，每相桥臂输出的相电压为0、U_dc/2和U_dc。

多电平逆变器相对于两电平逆变器而言，具有以下优点：输出电压和电流的等级有所提高，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低；各个功率器件的电压应力减少，器件的功率损耗降低；改善了电磁干扰的特性和工作性能，工作效率得到提升。目前，对于多电平逆变器拓扑结构实现更高电平输出的研究主要集中在两个方面：其一是如何在输出电平数相同时尽可能地减少开关器件数量；其二使用相同的开关器件数量的情况下实现更高电平数输出。

空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制技术，在电力电子领域中已被广泛应用。它的核心就是将逆变器的不同开关状态作为基本作用矢量，根据所选取的基本作用矢量及其特定的作用时间来合成参考矢量。相比普通的PWM调制算法，它具有直流端电压利用率高、易于数字化实现、输出波形质量好接近正弦、合理安排空间矢量可以降低开关频率、减小开关损耗等突出的优点。

发明内容

为实现更高输出电平数，提高输出电压波形，同时能够尽可能的减少开关器件数量，精简结构，节约成本，本发明提出了一种准四电平NPC变换器拓扑结构及其SVPWM算法。

本发明的实现过程为：

本发明提出一种准四电平NPC变换器拓扑结构，如图2所示，其包括直流侧两个串联的不对称直流电压源（电压比例为2:1）和传统的三电平NPC拓扑结构的三相桥臂结构。直流侧使用不对称电压源（电压比例为2:1）进行串联，在两个电压源中点处取得箝位电压。由于不对称电压源的接入，虽然相电压仍然保持3电平输出，但是输出线电压电平数可以从传统三电平结构的5个电平增加到7个电平。

如图3-5所示为准四电平NPC变换器拓扑结构的工作原理图。以A桥臂为例，选两个电压源连接点为参考点，具体分析如下：

①当S_a1和S_a2导通，S_a3和S_a4关断时，输出电压为2E；输出高电平（P），如图3所示；

②当S_a2和S_a3导通，S_a1和S_a4关断时，输出电压为0；输出中电平（O），如图4所示；

③当S_a3和S_a4导通，S_a1和S_a2关断时，输出电压为-E；输出低电平（N），如图5所示；

通过对电路开关状态的分析可以知道，NPC变换器拓扑结构的开关器件在任一时刻，每一相桥臂的S_a1与S_a3只有一个导通，另一个关断；同理，S_a2与S_a4具有相同性质。

准四电平结构NPC变换器拓扑结构有9种不同的输出线电压方式，可以实现7种不同的输出线电压电平。如图6-14所示。

为降低开关频率，减小开关损耗，针对本拓扑结构提出一种SVPWM算法的控制策略。具体步骤如下。

步骤一，判断参考电压矢量所在区域，确定合成参考电压矢量所使用的基本空间电压矢量。根据准四电平NPC变换器在不同开关状态下的输出电压，计算各个输出电压所对应的空间矢量，此作出准四电平变换器拓扑结构的基本空间矢量图。对于基本空间矢量形成的正六边形结构，采用常规的60°分区方式，将正六边形划分为6个正三角形区域。由于部分矢量缺失，6个三角形区域所对应的空间矢量分为两种不同的分布类型，其中第一、三、五区域为第一种分布类型，第二、四、六区域为第二种分布类型。为简化计算量，将第三和第五区域通过旋转与第一区域重合；第四和第六区域通过旋转与第二区域重合，以此实现相对对称的分区方式。在大区的分区方式下，为了尽可能的减小开关损耗，提出一种8个小区的小区划分方式。对参考三相相电压U_a、U_b、U_c进行Clarke变换到α、β坐标系，由此判断参考电压矢量所在区域，根据最近三角形(NTV：Nearest Triangle Vectors)法则，确定合成参考电压矢量的3个基本电压矢量。

步骤二，根据伏秒平衡原则计算基本空间电压矢量的作用时间。

步骤三，确定矢量作用顺序。由于部分矢量的缺失，在确定矢量作用顺序时，尽可能的做到每次只有一个桥臂的开关状态进行转换（但无法避免偶尔会出现二个桥臂同时切换的情况），尽可能的实现高电平到中电平或中电平到低电平之间转换，避免出现高电平到低电平的直接切换，以此来降低开关器件的损耗。

步骤四，输出开关状态信号。根据步骤一到步骤三可以得到控制三相桥臂的开关信号及矢量作用的时间，输出控制开关管的PWM信号。

本发明的有益效果。

传统的三电平NPC变换器拓扑结构虽然能够较好的完成直流-交流的变换，但输出波形质量还有待改善，功率器件电压应力较大，开关频率较高，而本发明能够通过相同的桥臂结构来实现更高的电平数输出。使输出波形质量提高，功率器件电压应力减小以及降低开关频率。

传统的四电平NPC变换器拓扑结构虽然能够实现与本发明相同的电平数输出，但是该拓扑结构含有更多的功率开关管和钳位二极管，使得结构复杂，成本上升。本发明能够通过与三电平结构相同的桥臂结构来实现四电平的输出，减少了大量的功率开关管和钳位二极管，精简结构，降低成本。

本发明根据准四电平NPC变换器拓扑结构的特点，提出了适用于准四电平结构的SVPWM控制算法，解决了由于拓扑结构导致的基本矢量缺失，传统的SVPWM算法无法适用的问题。实现了对正弦电压参考值准确的跟踪控制，输出波形质量较好。

附图说明

图1为传统三电平NPC逆变器拓扑结构。

图2为本发明准四电平NPC变换器拓扑结构。

图3为准四电平NPC拓扑结构A相输出相电压2E。

图4为准四电平NPC拓扑结构A相输出相电压0。

图5为准四电平NPC拓扑结构A相输出相电压－E。

图6、图7、图8为准四电平NCP拓扑结构AB相输出线电压U_AB=0。

图9为准四电平NCP拓扑结构AB相输出线电压U_AB=2E。

图10为准四电平NCP拓扑结构AB相输出线电压U_AB=－2E。

图11为准四电平NCP拓扑结构AB相输出线电压U_AB=E。

图12为准四电平NCP拓扑结构AB相输出线电压U_AB=－E。

图13为准四电平NCP拓扑结构AB相输出线电压U_AB=3E。

图14为准四电平NCP拓扑结构AB相输出线电压U_AB=－3E。

图15为准四电平基本空间矢量图。

图16为经过LC滤波后A相输出相电压波形。

图17为未经过LC滤波的AB相输出线电压波形。

图18为经过LC滤波后A相输出相电压波形的傅里叶分析(FFT)结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出一种准四电平NPC逆变器拓扑结构。其包括直流侧两个串联的不对称直流电压源（电压比例为2:1，具体数值不固定）和传统的三电平NPC拓扑结构的三相桥臂结构。直流侧使用不对称电压源进行串联，在两个电压源中点处取得箝位电压。如图2所示。

以A相桥臂为例，其中Sa1~ Sa4为电力电子开关器件，其类型可以为适用于相应功率下的各种开关器件，如IGBT，Mosfet，IGCT等。D1、D2为与桥臂并联的箝位二极管，以获得两个不对称直流电源中点处电位，实现更多的电平数输出。三相桥臂结构相同。

上述准四电平NPC拓扑结构使逆变器输出测两相间线电压可以实现7个电平数输出。与传统的四电平逆变器相比，准四电平结构减少了大量的功率开关管，精简结构，节约成本；与传统的三电平逆变器相比，准四电平结构能够实现更多电平数的输出，从而降低开关频率，减少输出波形的畸变率。

本发明根据上述准四电平NPC拓扑结构的工作原理进行分析，针对SVPWM算法的特点，以及准四电平拓扑结构导致的矢量缺失，使得调制区域不对称，增加算法复杂度的问题，提出一种相对对称区域下八分区式的SVPWM调制策略。在保证准四电平结构的输出波形质量高，谐波少，输出稳定的前提下，降低功率开关管的开关频率，减少其开关损耗。

一种适用于准四电平NPC变换器的SVPWM算法，包括。

（1）区域划分：根据准四电平NPC变换器在不同开关状态下的输出电压，计算各个输出电压所对应的空间矢量，作出准四电平变换器拓扑结构的基本空间矢量图。对于基本空间矢量形成的正六边形结构，采用常规的60°分区方式，将正六边形划分为6个正三角形区域。由于部分矢量缺失，采用第一、三、五区域通过旋转重合；第二、四、六区域通过旋转重合，实现相对对称的分区方式。在大区的分区方式下，为了尽可能的减小开关损耗，提出一种8个小区的小区划分方式。

区域判断：对于参考三相相电压U_a、U_b、U_c进行Clarke变换到αβ坐标系，分别为U_α和U_β。由此判断参考电压矢量所在区域。

第一（三、五）区域的八分区方式：将第一（三、五）区域分为8个小区域。根据点与直线的关系，将参考矢量Vref的终点坐标作为判据坐标点，判断其落入的小区域，由此根据NTV(Nearest Triangle Vectors)法则判断合成参考矢量的三个基本矢量。具体判断关系式如下：

①当时，Vref在小区域1或3或5或7内：

若时，则Vref在小区域1内；

若时，则Vref在小区域3内；

若时，则Vref在小区域7内；

否则，Vref在小区域3内；

②当时，Vref在小区域2或4或6内：

若时，则Vref在小区域2内；

若时，则Vref在小区域4内；

若时，则Vref在小区域8内；

否则，Vref在小区域6内。

第二（四、六）区域的八分区方式：同上述判断原理。可得第二（四、六）区域的具体判断关系式如下：

①当时，Vref在小区域1或3或5或7内：

若时，则Vref在小区域1内；

若时，则Vref在小区域3内；

若时，则Vref在小区域7内；

否则，Vref 在小区域5内；

②当时，Vref在小区域2或4或6内：

若时，则Vref 在小区域2内；

若时，则Vref 在小区域4内；

若时，则Vref 在小区域8内；

否则，Vref 在小区域6内。

（2）时间计算：当合成参考矢量所需的开关矢量确定后，则可以计算各基本矢量作用的时间。根据伏秒平衡原则来计算。由于基本矢量图具有相对对称性，故第一、三、五区域的基本矢量作用时间相同，第二、四、六区域的基本矢量的作用时间相同。

（3）确定矢量作用顺序：由于传统多电平逆变器的基本矢量都有一定的冗余度，即零矢量的冗余度最高，短矢量次之，矢量长度越长冗余度越低，而从准四电平结构的基本矢量图可以看出，除了零矢量外，其他矢量均只有唯一的开关状态与之对应，降低了矢量调制复杂度。由于部分矢量的缺失，在确定矢量作用顺序的过程中，尽可能做到每次动作只改变一个桥臂，且每次开关动作切换的电压在相邻两个电平等级上，以此来降低开关管的损耗。

实施例：采用仿真模型，以验证拓扑结构和控制策略的正确性和有效性。

在Matlab/Simulink软件中搭建一个准四电平NPC变换器拓扑结构的SVPWM算法的仿真模型。其直流输入测为两个不对称直流电压源（电压比例为2：1）串联结构。传统的三电平结构输出线电压波形为5电平，其输出谐波含量较大，而准四电平结构输出线电压波形为7电平，较好的改善了输出电压质量，减少总的谐波含量。

输出A相电压波形如图16所示。

AB相输出线电压波形如图17所示。由图可知，准四电平结构实现了7个电平数的输出线电压，比传统三电平结构的输出波形更加逼近于正弦波，改善了输出波形的质量。输出A相电压的FFT分析如图18所示，结果表明输出波形所含谐波较少，波形质量较好。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并未对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可以做出各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种准四电平NPC变换器拓扑结构，其特征是，包括2个电压成比例的输入直流电源和传统三电平三桥臂NPC拓扑结构两部分；成比例的直流电源的电压比为（2:1）；三电平NPC拓扑结构采用对称的三相桥臂结构，每相桥臂均包括4个电力电子开关器件和2个用于中点箝位的并联二极管，每个开关器件的开关状态均受相应的触发信号控制。

2.如权力要求1所述的一种准四电平NPC变换器拓扑结构，其特征是，所述输入电源为2个不对称的直流电压源，2个不对称直流电压源采用串联方式，电源电压比例为2:1，在2个电压源中点处取出中点箝位电压，即逆变器的第3个电平，所述电源结构与NPC拓扑结构的三相桥臂相并联后，使两相间输出线电压电平数由传统三电平的5个电平数增加至四电平的7个电平数，实现电平数的增加；使所使用的开关器件数量比传统四电平结构每相减少2个，箝位二极管数量每相也减少2个，结构大为精简，大大降低了控制的复杂度及实际实现时的成本。

3.一种适用于如权利1所述准四电平NPC变换器拓扑结构的SVPWM算法，其特征是，对于基本空间矢量形成的正六边形结构，采用常规的60°分区方式，将正六边形划分为6个正三角形区域；相较于传统四电平拓扑结构，由于结构的简化造成部分矢量缺失，故采用第一、三、五区域通过旋转重合及第二、四、六区域通过旋转重合，以实现相对对称的分区方式，为了尽可能的减小开关损耗及开关管的电压应力，提出一种8个小区的小区划分方式。

4.一种针对权力要求1所述的准四电平变换器的空间矢量脉冲宽度调制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、根据准四电平NPC变换器在不同开关状态组合下的输出相电压，计算各个输出相电压所对应的空间矢量，以此作出准四电平变换器拓扑结构的基本空间矢量图；

步骤二、根据绘制的基本空间矢量图对调制区域进行分区，并对参考三相相电压U _a 、U _b 、 U _c进行Clarke变换到U _α 、U _β坐标系，得到给定的参考电压矢量，并判断参考电压矢量所在的大区域及小区间，确定合成参考电压矢量的最近3个基本电压矢量；

步骤三、根据伏秒平衡法则，计算合成参考电压矢量的3个基本电压矢量分别的作用时间；

步骤四、确定矢量状态排序；为了尽可能的减少开关损耗，在基本空间矢量作用的切换过程中，尽量做到以每次切换过程只发生在一个桥臂上面，且每次切换应尽可能少的改变电力电子开关器件的开关状态为主要目的来确定矢量的状态排序；

步骤五、根据矢量的状态，由准四电平变换器拓扑结构的工作原理确定开关器件的状态信号。