CN110504858A - 一种用于逆变器抑制共模电压的svpwm调制算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于逆变器的抑制共模电压的SVPWM调制算法，其包括：步骤1：建立三电平逆变器SVPWM的SIMULINK仿真模型；根据三相输出电压的瞬时值由坐标变换得到参考电压矢量；步骤2：判断参考电压矢量所在位置，从而找出用来合成参考矢量的三个基本矢量；步骤3：根据伏秒平衡计算基本矢量作用时间；步骤4：确定基本矢量的作用顺序。本申请在传统七段式SVPWM调制上进行改进来抑制共模电压，提出一种新的共模电压冲量周期平衡的SVPWM调制方法，在每个开关周期T内，使符号相反的共模电压冲量相平衡，从而实现共模电压的抑制。

Description

一种用于逆变器抑制共模电压的SVPWM调制算法
技术领域
本发明涉及逆变器的SVPWM调制算法，尤其是一种用于三电平逆变器的抑制共模电压的SVPWM调制算法。
背景技术
新型多电平变换器解决了中高压场合功率元器件耐压低的问题，改善了变换器的输出波形，因而在工业与社会生活等领域的各种供电系统中成为首选方案以提供更优质的电能。
其中，SHEPWM(SelectiveHarmonicEliminationPulseWidth Modulation)通过开关时刻的优化选择，在输出电压波形特定位置处设置“缺口”，产生PWM来消除某些选定的低次谐波，具有直流电压利用率高、直流侧滤波器尺寸小等显著的优点，越来越受到人们的青睐。SHEPWM的基本原理是将逆变器输出电压波形展开成傅里叶级数的形式，令低次谐波的傅里叶系数为零，得到一组非线性方程组，通过求解方程组得到一组开关角。在开关角对应的时刻选择开通或关断特定的功率器件，使逆变器输出相应的电平，从而达到消除特定谐波的目的。与其他PWM方法相比，SHEPWM方法具有输出线电压波形质量高、功率器件开关损耗小、直流电压利用率高、直流侧电流纹波小，利于滤波器设计、有效消除低次谐波等优点，在多电平逆变器控制方面受到广泛关注。但是现有的三电平SHEPWM方法中不能有效抑制共模电压，本申请正是针对该问题而提出。
发明内容
在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
根据本申请的一个方面，提供一种用于逆变器的抑制共模电压的SVPWM调制算法，包括：
步骤1：建立三电平逆变器SVPWM的SIMULINK仿真模型；根据三相输出电压的瞬时值由坐标变换得到参考电压矢量；
步骤2：判断参考电压矢量所在位置，从而找出用来合成参考矢量的三个基本矢量；
步骤3：根据伏秒平衡计算基本矢量作用时间；
步骤4：确定基本矢量的作用顺序。
其中，步骤2中，参考电压矢量所在位置的判断包括如下内容：采用划分6个大扇区，每个大扇区划分6个小扇区的划分方式，这样会有36种计算三个基本矢量对应作用时间的公式组，直接计算会比较繁琐。本申请采用另一种时间计算方式，将6个大扇区记为第一大扇区、第二大扇区、第三大扇区、第四大扇区、第五大扇区和第六大扇区，由于基本矢量分布图的对称性，不同大扇区中的小扇区的矢量作用时间之间也具有一定的逻辑关系，因此用第四大扇区中的6个小扇区的时间计算作为基准时间计算单元，当参考矢量位于其他5个大扇区时，将其等效到第四大扇区中的同一相对位置来进行时间计算，在根据不同大扇区中矢量作用次序与基准时间的逻辑关系调整基本矢量与作用时间的对应关系。
步骤3中，根据伏秒平衡原理，一个矢量作用一定的时间等效为若干个矢量作用相同时间之和；将步骤2获得的参考电压矢量分别在不同坐标轴进行投影，然后根据参考电压矢量所在的空间位置，选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量参与合成；根据伏秒平衡原理，参考电压矢量在一个时间内的作用等效为三个空间电压矢量在该时间内作用之和，因此模拟参考电压矢量旋转一周分解为许多空间电压矢量共同作用的结果，划分的越精细，其模拟的效果就越好。
步骤4中，确定基本矢量的作用顺序是将空间电压矢量对应的开关状态以及对每个开关状态的作用时间进行分配，以达到开关动作的最优化。具体的，确定基本矢量的作用顺序包括如下过程：
以短矢量作为一个采样周期中的起始矢量，本申请选用正短矢量作为起始矢量，下表列出了第四大扇区中不同小区域的电压空间矢量作用次序：
第四大扇区的矢量作用次序开关状态表
计算出基本矢量的作用时间后，通过如下过程实现最终的12路PWM输出：计算7段矢量分配中各段的时间；根据区域位置和M值确定矢量的作用次序；将代表基本矢量的三相输出电平组合转换为逆变器各开关管的开关信号；其中，上述过程满足：每个开关周期T内，使符号相反的共模电压冲量相平衡。
在三相并网逆变器中，共模电压为逆变器三相输出电压对地的共有分量。本申请通过在每个开关周期T内，使符号相反的共模电压冲量相平衡，使其实现共模电压的抑制效果。
进一步的，PWM变换器中共模电压的计算公式为：
三电平逆变器各输出状态产生的共模电压如下表所示：
各输出状态产生的共模电压
传统的三电平SVPWM中心对称七段式矢量分配方法，注重的是合成的差模电压，没有考虑对输出的共模电压抑制。本申请是在传统七段式SVPWM调制上进行改进来抑制共模电压，提出一种新的共模电压冲量周期平衡的SVPWM调制方法，目标是在每个开关周期T内，使符号相反的共模电压冲量相平衡，从而实现共模电压的抑制。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1为三电平逆变器开关模型；
图2为三电平逆变器的基本矢量分布图；
图3为大扇区位置判断仿真模型；
图4为小扇区位置判断边界条件；
图5为小扇区位置判断仿真模型；
图6为时间计算仿真模型；
图7为时间分配仿真模型；
图8为七段式时间分配仿真模型；
图9为三电平SVPWM仿真模型；
图10为三相光伏并网逆变器的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
三电平逆变器的SVPWM调制算法主要包括三电平逆变器的基本电压空间矢量的分布、矢量合成原则、作用时间计算、合成参考矢量的基本矢量作用次序与作用时间分配，本申请根据以上研究，建立三电平逆变器SVPWM调制算法的simulink仿真模型，分析逆变器各输出状态组合产生的共模电压以及不同矢量合成方法对共模电压的影响，仿真和实验结果证明本申请提出的共模电压冲量周期平衡的SVPWM算法具有较好的共模电压抑制效果。
参见图1和图2，由三电平逆变器开关模型和三电平电压空间矢量分布图可以看出，同一矢量可以对应不同的开关状态，27组开关状态只对应着19个空间矢量，按照矢量的幅值分类可以将其分为4类，分别是长矢量L1V～L6V、中矢量M1V～M6V、短矢量S1V～S6V和零矢量0V。
三电平SVPWM调制的算法过程如下：
(1)根据三相输出电压的瞬时值由坐标变换得到参考电压矢量；
(2)判断参考电压矢量所在位置，从而找出用来合成参考矢量的三个基本矢量；
(3)根据伏秒平衡计算基本矢量作用时间；
(4)确定基本矢量的作用顺序；
将矢量状态转换为开关状态并按计算出的作用时间输出三电平逆变桥各开关管的PWM驱动信号。
步骤2中，判断参考电压矢量所在位置过程中，大扇区位置判断仿真模型如图3所示，小扇区位置判断边界条件入图4所示，由此判断出参考矢量所在的大扇区和所在小扇区的位置编号。同时求出调制比K作为下一步时间计算模块的输入参数。小扇区位置判断仿真模块如图5所示。
其中，矢量分布图中共有6个大扇区，每个大扇区又分为6个小扇区，这样会有36种计算三个基本矢量对应作用时间的公式组，直接计算会比较繁琐。本申请采用另一种时间计算方式，由于基本矢量分布图的对称性，不同大扇区中的小扇区的矢量作用时间之间也具有一定的逻辑关系，可以用第四大扇区中的6个小扇区的时间计算作为基准时间计算单元，当参考矢量位于其他5个大扇区时，将其等效到第四大扇区中的同一相对位置来进行时间计算，在根据不同大扇区中矢量作用次序与基准时间的逻辑关系调整基本矢量与作用时间的对应关系。仿真模型如图6和图7所示。
步骤3中，空间矢量的作用次序：以短矢量作为一个采样周期中的起始矢量，本申请选用正短矢量作为起始矢量，表1列出了第四大扇区中不同小区域的电压空间矢量作用次序。
表1第四大扇区的矢量作用次序开关状态表
计算出基本矢量的作用时间后，分三步来实现最终的12路PWM输出。
(1)计算7段矢量分配中各段的时间；七段式时间分配仿真模型参见图8所示；
(2)根据区域位置和M值确定矢量的作用次序；
(3)将代表基本矢量的三相输出电平组合转换为逆变器各开关管的开关信号；
三电平逆变器SVPWM的整体仿真模型由直流源，三相三电平逆变桥，阻感负载以及根据上述SVPWM仿真子模块搭建的SVPWM发生模块组成，如图9所示。直流母线电压为600V，负载电阻的阻值为10Ω×3，滤波电感为1mH×3，SVPWM发生模块的参考信号是相电压幅值为311V，频率为50Hz的三相交流信号源，开关频率为10kHz。
在三相并网逆变器中，共模电压为逆变器三相输出电压对地的共有分量。三相光伏并网逆变器的模型，如图10所示。
PWM变换器中共模电压的计算公式为：
这样，三电平逆变器各输出状态产生的共模电压如表2所示。
表2各输出状态产生的共模电压
传统的三电平SVPWM中心对称七段式矢量分配方法，注重的是合成的差模电压，没有考虑对输出的共模电压抑制。
本课题在传统七段式SVPWM调制上进行改进来抑制共模电压，提出一种新的共模电压冲量周期平衡的SVPWM调制方法，目标是在每个开关周期T内，使符号相反的共模电压冲量相平衡。
在三种SVPWM调制方法中，传统七段式SVPWM调制方法的输出电流波形最好，畸变率最低，五段式SVPWM和共模电压冲量周期平衡的SVPWM电流波形质量均有所下降，但后者明显要好于前者。在产生的共模电压方面，传统七段式SVPWM方式输出共模电压的高频分量和低频分量都很高，五段式SVPWM输出的共模电压幅值比传统SVPWM降低了一半，共模电压冲量周期平衡的SVPWM输出的共模电压主要是幅值为Vdc/6的共模电压，只有少量幅值为Vdc/3的共模电压。从FFT分析结果可以看出，五段式SVPWM和共模电压冲量周期平衡的SVPWM均有较好的共模电压抑制效果。
本申请根据三相三电平逆变器的理想开关模型分析了三电平逆变器的电压空间矢量的组成与分布以及对应开关状态组合的冗余，研究了电压空间矢量的合成原则，由于可选择矢量的增多，再加上短矢量有两种开关状态组合，三电平逆变器的电压空间矢量合成方法可由很多选择余地。
本申请首先根据传统三电平SVPWM算法(区域判断、时间计算、中心对称七段式PWM触发信号生成)搭建了三电平SVPWM的SIMULINK仿真模型，然后在分析三电平逆变器各输出状态产生的共模电压的基础上，分析了不同电压空间矢量的合成方法(基本矢量状态作用次序及对应时间分配)对输出共模电压的影响，提出了共模电压冲量周期平衡的SVPWM调制算法，并在仿真模型上实现该调制算法，给出了基于该调制算法和其他调制算法的三电平逆变器输出共模电压波形及其频谱分析以及逆变器输出电流波形及其频谱分析，仿真结果表明本申请提出的共模电压冲量周期平衡的SVPWM调制算法具有较好的共模电压抑制效果。
本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。
尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于逆变器的抑制共模电压的SVPWM调制算法，其特征在于：包括：
步骤1：建立三电平逆变器SVPWM的SIMULINK仿真模型；
根据三相输出电压的瞬时值由坐标变换得到参考电压矢量；
步骤2：判断参考电压矢量所在位置，从而找出用来合成参考矢量的三个基本矢量；
步骤3：根据伏秒平衡计算基本矢量作用时间；
步骤4：确定基本矢量的作用顺序。
2.根据权利要求1所述的SVPWM调制算法，其特征在于：步骤2中，参考电压矢量所在位置的判断包括如下内容：
采用划分6个大扇区，每个大扇区划分6个小扇区的划分方式，将6个大扇区记为第一大扇区、第二大扇区、第三大扇区、第四大扇区、第五大扇区和第六大扇区，用第四大扇区中的6个小扇区的时间计算作为基准时间计算单元，当参考矢量位于其他5个大扇区时，将其等效到第四大扇区中的同一相对位置来进行时间计算，在根据不同大扇区中矢量作用次序与基准时间的逻辑关系调整基本矢量与作用时间的对应关系。
3.根据权利要求1所述的SVPWM调制算法，其特征在于：步骤3中，根据伏秒平衡原理，一个矢量作用一定的时间等效为若干个矢量作用相同时间之和；将步骤2获得的参考电压矢量分别在不同坐标轴进行投影，然后根据参考电压矢量所在的空间位置，选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量参与合成；根据伏秒平衡原理，参考电压矢量在一个时间内的作用等效为三个空间电压矢量在该时间内作用之和。
4.根据权利要求1所述的SVPWM调制算法，其特征在于：步骤4中，确定基本矢量的作用顺序是将空间电压矢量对应的开关状态以及对每个开关状态的作用时间进行分配，以达到开关动作的最优化。
5.根据权利要求4所述的SVPWM调制算法，其特征在于：确定基本矢量的作用顺序包括如下过程：
以短矢量作为一个采样周期中的起始矢量，本申请选用正短矢量作为起始矢量，下表列出了第四大扇区中不同小区域的电压空间矢量作用次序：
计算出基本矢量的作用时间后，通过如下过程实现最终的12路PWM输出：计算7段矢量分配中各段的时间；
根据区域位置和M值确定矢量的作用次序；
将代表基本矢量的三相输出电平组合转换为逆变器各开关管的开关信号；
其中，上述过程满足：每个开关周期T内，使符号相反的共模电压冲量相平衡。
6.根据权利要求5所述的SVPWM调制算法，其特征在于：PWM变换器中共模电压的计算公式为：
7.根据权利要求1所述的SVPWM调制算法，其特征在于：三电平逆变器各输出状态产生的共模电压如下表所示：
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