CN110445442A - 一种三相级联型三电平逆变器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相级联型三电平逆变器控制方法，包括如下步骤，S1：根据三相调制波与空间矢量的对应关系，将一个基波周期分为12个扇区，然后在每个扇区中，根据三相调制波的瞬时值，求出每相的作用矢量及其对应的作用时间；S2：改变三相输出电压中某相电压矢量的作用顺序，从而减小共模电压幅值，使其在±E/3之间变化，同时使线电压得到适当优化；S3：0状态通过二极管续流，降低开关管损耗，采样每相电感电流，在正半周期时，第二开关管和第三开关管一直关断，第一开关管和第四开关管正常工作；在负半周期时，第一开关管和第四开关管一直关断，第二开关管和第三开关管正常工作。

Description

一种三相级联型三电平逆变器控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术领域，具体为一种三相级联型三电平逆变器控制方法。
背景技术
在电机驱动系统中，较大的共模电压，通过定子和转子间的电容耦合产生较大的电机轴承电流或对地电流，导致电机因轴承电流过大而损坏或对邻近电气设备构成电磁干扰，因此逆变器产生的共模电压对电机存在很大威胁，抑制共模电压问题成为多电平电机驱动系统中的关键问题之一，同时在多电平逆变技术应用中，改善电压波形质量，降低谐波含量也具有重要的研究意义。
目前国内外研究人员针对共模电压抑制问题，主要从拓扑结构和调制方法进行研究。从拓扑结构角度，主要分为直流侧解耦拓扑和交流侧解耦拓扑，根据拓扑结构特点，实现共模电压恒定，但是线电压谐波含量较高。从调制策略角度，主要是利用中矢量和零矢量，使共模电压恒定在直流母线的二分之一处，此方法虽然可以使共模电压恒为0，但是牺牲了线电压波形质量，使其谐波含量较高。因此，亟需一种既能降低共模电压幅值，又能优化线电压的调制方法。
中国专利申请号为201510675309.5，名称为：三相中点钳位三电平逆变器一维调制共模电流抑制技术，该申请案提出一种一维调制共模电流抑制技术，在不增加硬件的条件下，利用中矢量和零矢量，通过合理安排矢量作用顺序，使共模电压恒等于直流母线电压的二分之一，从而有效抑制非隔离光伏并网发电系统中的共模电流，但是该方案使输出线电压谐波含量较大。中国电机工程学报文章《多电平SPWM变频器中共模电压抑制技术的研究》将三相正弦调制波中的两相分别与三角载波进行比较，得出两个PWM中间信号，让其作差可以得出逆变器的一相相电压波形，由相电压波形就可以确定控制信号，其它两相原理相同，此方法简单，可以使共模电压恒为0，但是其线电压谐波含量也较大，线电压谐波优化亟待解决。因此，能够减小共模电压幅值，同时又能够优化线电压的方法较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三相级联型三电平逆变器控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三相级联型三电平逆变器控制方法，包括如下步骤，S1：根据三相调制波与空间矢量的对应关系，将一个基波周期分为12个扇区，然后在每个扇区中，根据三相调制波的瞬时值，求出每相的作用矢量及其对应的作用时间，其中Ux_ref为第x相输出参考电压，x＝A，B，C；ax为标幺化输出参考电压；axi为标幺化输出参考电压的整数部分；floor为向下取整函数；Vx1、Vx2为相邻电压矢量；tx1、tx2为相应电压矢量的作用时间；
S2：改变三相输出电压中某相电压矢量的作用顺序，从而减小共模电压幅值，使其在±E/3之间变化，同时使线电压得到适当优化；
S3：0状态通过二极管续流，降低开关管损耗，采样每相电感电流，在正半周期时，第二开关管和第三开关管一直关断，第一开关管和第四开关管正常工作；在负半周期时，第一开关管和第四开关管一直关断，第二开关管和第三开关管正常工作。
优选的，对于三相级联型三电平逆变器的每相桥臂，定义其输出电压为UxN，则UxN有三种状态值：E，桥臂输出x端连接直流母线正端，桥臂输出N端连接直流母线负端；0，桥臂输出x端和N端均连接直流母线正端或者均连接直流母线负端；-E，桥臂输出x端连接直流母线负端，桥臂输出N端连接直流母线正端，其中E为每相直流母线电，定义共模电压为UCM，其表达式为UCM＝(UA+UB+UC)/3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用一维空间矢量调制技术来减小共模电压幅值，并且适当优化线电压，此方法不需增加逆变器系统的硬件即可实现，降低了系统成本；同时本发明仅通过改变驱动，就能降低系统开关管的损耗，提高了开关管使用寿命，增强了系统可靠性；且本发明控制方法原理简单，便于实现及应用。
附图说明
图1为本发明三相级联型三电平逆变器系统原理图；
图2为本发明一维空间矢量调制技术扇区划分图；
图3为传统一维空间矢量调制技术原理图；
图4为传统方法下，每个扇区中各相在开关尺度下输出电压状态；
图5为本发明方法下，每个扇区中各相在开关尺度下输出电压状态；
图6为传统调制方法共模电压仿真波形；
图7为本发明方法下的共模电压仿真波形；
图8为本发明方法下的线电压仿真波形；
图9为本发明开关管减小损耗前A相四个开关管驱动波形；
图10为本发明开关管减小损耗后A相四个开关管驱动波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种三相级联型三电平逆变器控制方法，包括如下步骤，S1：根据三相调制波与空间矢量的对应关系，将一个基波周期分为12个扇区，然后在每个扇区中，根据三相调制波的瞬时值，求出每相的作用矢量及其对应的作用时间，其中Ux_ref为第x相输出参考电压，x＝A，B，C；ax为标幺化输出参考电压；axi为标幺化输出参考电压的整数部分；floor为向下取整函数；Vx1、Vx2为相邻电压矢量；tx1、tx2为相应电压矢量的作用时间；
S2：改变三相输出电压中某相电压矢量的作用顺序，从而减小共模电压幅值，使其在±E/3之间变化，同时使线电压得到适当优化；
S3：0状态通过二极管续流，降低开关管损耗，采样每相电感电流，在正半周期时，第二开关管和第三开关管一直关断，第一开关管和第四开关管正常工作；在负半周期时，第一开关管和第四开关管一直关断，第二开关管和第三开关管正常工作。
进一步的，对于三相级联型三电平逆变器的每相桥臂，定义其输出电压为UxN，则UxN有三种状态值：E，桥臂输出x端连接直流母线正端，桥臂输出N端连接直流母线负端；0，桥臂输出x端和N端均连接直流母线正端或者均连接直流母线负端；-E，桥臂输出x端连接直流母线负端，桥臂输出N端连接直流母线正端，其中E为每相直流母线电，定义共模电压为UCM，其表达式为UCM＝(UA+UB+UC)/3。
工作原理：图1所示是基于三相级联型三电平逆变器的电机驱动系统，每个H桥组成逆变器的一相，每相输出电压UxN均存在三个状态，当Sx1、Sx4导通，Sx2、Sx3关断时，输出电压为E；当Sx1、Sx3导通，Sx2、Sx4关断或者当Sx2、Sx4导通，Sx1、Sx3关断时，输出电压为0；当Sx1、Sx4关断，Sx2、Sx3导通时，输出电压为-E，其中x＝A，B，C。
图2中，把三相调制波划分成12个扇区，每个扇区的范围为30°，划分依据是每相正常工作时的两个电压矢量可以灵活调换顺序。
图3中，根据图2中三相调制波在时域的瞬时值确定每相工作的两个电压矢量及其相应的作用时间，其中，电压矢量Vx1与作用时间tx1相对应，电压矢量Vx2与作用时间tx2相对应。
图4中可以看到传统一维空间矢量调制方法下，12个扇区各相在开关尺度下的输出电压状态图，均以每个扇区中点处为例。同时，可以看到每个扇区中各相在一个开关周期下，电压矢量工作顺序均为第一个电压矢量Vx1到第二个电压矢量Vx2，以第1扇区为例，在一个开关周期中，共模电压在E/3、0、-E/3和-2E/3之间变化。
图5为本发明方法下，每个扇区中各相在开关尺度下输出电压状态，与图4相比，从第1扇区到第12扇区，电压矢量作用顺序进行调换的分别为B相、B相、A相、A相、C相、C相、B相、B相、A相、A相、C相和C相。以第1扇区为例，电压矢量作用顺序调换后，在一个开关周期中，共模电压在0、E/3、0和-E/3之间变化，与图4相比，共模电压幅值明显减小，在±E/3之间变化。
图6为本发明共模电压仿真波形，可以看到，共模电压幅值在±2E/3、±E/3和0之间变化。
图7为本发明共模电压仿真波形，可以看到，共模电压幅值在±E/3和0之间变化，与传统方法相比，有效降低了共模电压幅值。
图8为本发明方法下的线电压仿真波形，可以看到，与使共模电压幅值为0的调制方法相比，线电压波形质量较好。
图9为开关管减小损耗前A相四个开关管驱动波形，可以看到，在输出电流正半周期，第三开关管在高频开通和关断；在输出电流的负半周期，第一开关管在高频开通和关断，因此，系统开关损耗很大。
图10为开关管减小损耗后A相四个开关管驱动波形，可以看到，采用降低开关管损耗的一维空间矢量调制方法后，在输出电流正半周期，第三开关管一直关断；在输出电流负半周期，第一开关管一直关断，因此，系统开关损耗降低。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种三相级联型三电平逆变器控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：根据三相调制波与空间矢量的对应关系，将一个基波周期分为12个扇区，然后在每个扇区中，根据三相调制波的瞬时值，求出每相的作用矢量及其对应的作用时间，其中Ux_ref为第x相输出参考电压，x＝A，B，C；ax为标幺化输出参考电压；axi为标幺化输出参考电压的整数部分；floor为向下取整函数；Vx1、Vx2为相邻电压矢量；tx1、tx2为相应电压矢量的作用时间；
S2：改变三相输出电压中某相电压矢量的作用顺序，从而减小共模电压幅值，使其在±E/3之间变化，同时使线电压得到适当优化；
S3：0状态通过二极管续流，降低开关管损耗，采样每相电感电流，在正半周期时，第二开关管和第三开关管一直关断，第一开关管和第四开关管正常工作；在负半周期时，第一开关管和第四开关管一直关断，第二开关管和第三开关管正常工作。
2.根据权利要求1所述的一种三相级联型三电平逆变器控制方法，其特征在于：对于三相级联型三电平逆变器的每相桥臂，定义其输出电压为UxN，则UxN有三种状态值：E，桥臂输出x端连接直流母线正端，桥臂输出N端连接直流母线负端；0，桥臂输出x端和N端均连接直流母线正端或者均连接直流母线负端；-E，桥臂输出x端连接直流母线负端，桥臂输出N端连接直流母线正端，其中E为每相直流母线电，定义共模电压为UCM，其表达式为UCM＝(UA+UB+UC)/3。
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