CN110677067B - 降低逆变器共模电压的空间矢量调制方法 - Google Patents

降低逆变器共模电压的空间矢量调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法。在合成逆变器的输出电压空间矢量过程中，当输入电压小于电网线电压峰值时，使用零矢量、正小矢量、中矢量和大矢量合成参考矢量，其中将零矢量(0,0,0)替换为(l,l,l)，并舍弃共模电压模长为VL/3的正小矢量(l,0,0)、(0,l,0)和(0,0,l)；当输入电压大于等于电网线电压峰值时，舍弃零矢量，只使用相邻的小矢量合成参考矢量；将参考矢量作为逆变器的输出电压空间矢量。本发明降低了共模电压变化量，并保证了共模电压频率不变，从而减小漏电流。

Description

降低逆变器共模电压的空间矢量调制方法
技术领域
本发明属于逆变器技术领域，特别涉及了针对三相逆变器共模电压的空间矢量调制方法。
背景技术
逆变器是应用功率管器件将直流电能转换成交流电能的装置，以供交流负载使用。在光伏发电并网系统中，三相三电平逆变器由于其电流谐波小，滤波器体积小，器件电压应力低等优点而被广泛使用。光伏板的输出电压通常在200-1000V之间，故在逆变器前级通常会增加一个升压电路。传统的两级式三相逆变器，功率会经过两级变换和传输。为减少功率变换级数，文献《Modified SVPWM-Controlled Three-Port Three-Phase AC–DCConverters With Reduced Power Conversion Stages for Wide Voltage RangeApplications》中提出了非隔离型三相准单级逆变器拓扑结构，如图1所示，并提出了相应的空间矢量调制策略，通过构建了一条新的功率传输支路，部分功率单级馈入电网，从而提高逆变器变换效率。
非隔离型三相准单级逆变器有较高的直流电压利用率，但运行时存在漏电流问题。针对传统的三相三电平逆变器，国内外学者提出了多种方法降低共模电压变化幅值和频率，从而减小漏电流。文献《Common-Mode Voltage Suppression based on AuxiliaryLeg for Three-Level NPC Inverters》通过在电路中外加一个辅助电路，将共模电压完全消除，且最大调制比保持不变，但增加了系统的硬件成本。文献《新型非隔离型三相三电平光伏并网逆变器及其漏电流抑制研究》和《飞跨电容多电平光伏逆变器共模电流抑制技术》分别研究了载波正向层叠调制方法与载波反向层叠调制方法，在此基础上提出了一种新型单载波调制策略，使共模电压恒定在直流电压的一半，但并不适用于三相准单级逆变器。因此，有必要研究出一种降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法，电压空间矢量采用状态量Sta,Stb,Stc来表示，设每相的开关状态量Stx的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000021
其中，x＝a,b,c，表示a、b、c三相，vxn表示非隔离型三相准单级逆变器每相的桥臂中点电压，VH表示非隔离型三相准单级逆变器的高压直流端口电压，VL表示非隔离型三相准单级逆变器的低压直流端口电压，E表示母线电压的一半，l表示VL与E的比值；
首先确定各电压空间矢量类别对应的电压空间矢量，电压空间矢量类别包括零矢量、负小矢量、正小矢量、中矢量和大矢量，所述零矢量包括(2,2,2)、(l,l,l)和(0,0,0)，所述负小矢量包括(2,l,l)、(2,2,l)、(l,2,l)、(l,2,2)、(l,l,2)和(2,l,2)，所述正小矢量包括(l,0,0)、(l,l,0)、(0,l,0)、(0,l,l)、(0,0,l)和(l,0,l)，所述中矢量包括(2,l,0)、(l,2,0)、(0,2,l)、(0,l,2)、(l,0,2)和(2,0,l)，所述大矢量包括(2,0,0)、(2,2,0)、(0,2,0)、(0,2,2)、(0,0,2)和(2,0,2)；
在合成逆变器的输出电压空间矢量过程中，当输入电压小于电网线电压峰值时，使用零矢量、正小矢量、中矢量和大矢量合成参考矢量，其中将零矢量(0,0,0)替换为(l,l,l)，并舍弃共模电压模长为VL/3的正小矢量(l,0,0)、(0,l,0)和(0,0,l)；
当输入电压大于等于电网线电压峰值时，舍弃零矢量，只使用相邻的正小矢量合成参考矢量；
将上述参考矢量作为逆变器的输出电压空间矢量。
进一步地，在合成参考矢量的过程中，按照以下方式确定电压空间矢量的发送顺序：
确定不同电压空间矢量发送顺序所对应产生的开关切换损耗的大小，选择开关切换损耗最小时对应的电压空间矢量发送顺序。
进一步地，在合成参考矢量之前需要确定所述参考矢量的扇区分布位置；然后在所述参考矢量所属的扇区中，根据输入电压与电网线电压峰值的大小关系进行参考矢量的合成。
进一步地，在确定所述参考矢量的扇区分布位置之前，需要先将电压空间矢量对应的矢量空间进行扇区划分。
进一步地，将电压空间矢量对应的矢量空间进行扇区划分的过程如下：
将电压空间矢量图划分为6个大扇区，用于划分6个大扇区的三条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000031
其中，Vα为电压空间矢量在α坐标轴的分量，Vβ为电压空间矢量在β坐标轴的分量；
将电压空间矢量对应的每个大扇区分别利用四条曲线划分为5个小扇区：
将第一大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000041
将第二大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000042
将第三大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000043
将第四大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000044
将第五大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000051
将第六大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000052
其中，s表示VH与VL的比值。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明根据输入电压与电网线电压峰值的大小关系选择不同参考矢量的合成方式，降低了共模电压变化量，并保证了共模电压频率不变，从而减小漏电流。
附图说明
图1是非隔离型三相准单级逆变器拓扑图；
图2是本发明的基本流程图；
图3是本发明电压空间矢量对应的矢量空间的扇区划分示例图；
图4-图7是传统的准单级空间矢量调制和本发明实施例空间矢量调制的共模电压实验结果图；
图8是传统的准单级空间矢量调制和本发明空间矢量调制的共模电压变化量对比曲线图；
图9是传统的准单级空间矢量调制和本发明空间矢量调制的效率对比曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例针对图1所示的非隔离型三相准单级逆变器拓扑。图中，S1、S2、SLa1、SLa2、SLb1、SLb2、SLc1、SLc2、SHa、SHb、SHc、SZa、SZb和SZc为功率开关管，L1、La、Lb和Lc为电感，CL和CH为电容。
电压空间矢量可用状态量Sta,Stb,Stc来表示，设每相的开关状态量Stx的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000061
其中，x＝a,b,c，表示a、b、c三相，vxn表示非隔离型三相准单级逆变器每相的桥臂中点电压，VH表示非隔离型三相准单级逆变器的高压直流端口电压，VL表示非隔离型三相准单级逆变器的低压直流端口电压，E表示母线电压的一半，l表示VL与E的比值。
在本发明中，电压空间矢量的分类如下表所示：
电压空间矢量类别 对应的电压空间矢量
零矢量 (2,2,2)(l,l,l)(0,0,0)
负小矢量 (2,l,l)(2,2,l)(l,2,l)(l,2,2)(l,l,2)(2,l,2)
正小矢量 (l,0,0)(l,l,0)(0,l,0)(0,l,l)(0,0,l)(l,0,l)
中矢量 (2,l,0)(l,2,0)(0,2,l)(0,l,2)(l,0,2)(2,0,l)
大矢量 (2,0,0)(2,2,0)(0,2,0)(0,2,2)(0,0,2)(2,0,2)
如图2所示为本发明的基本流程图，其过程如下：
在合成逆变器的输出电压空间矢量过程中，当输入电压小于电网线电压峰值时，使用零矢量、正小矢量、中矢量和大矢量合成参考矢量，其中将零矢量(0,0,0)替换为(l,l,l)，舍弃共模电压模长为VL/3的正小矢量，即(l,0,0)、(0,l,0)、(0,0,l)；当输入电压大于等于电网线电压峰值时，舍弃零矢量，只使用相邻的正小矢量合成参考矢量；将所述参考矢量作为逆变器的输出电压空间矢量。
在本实施例中，优选地，在参考矢量的合成过程中，按照以下方式确定电压空间矢量的发送顺序：
确定不同电压空间矢量发送顺序所对应产生的开关切换损耗的大小，选择开关切换损耗最小时对应的电压空间矢量发送顺序。
在本实施例中，优选地，在合成参考矢量之前需要确定所述参考矢量的扇区分布位置；然后在所述参考矢量所属的扇区中，根据输入电压与电网线电压峰值的大小关系进行参考矢量的合成。
在本实施例中，优选地，在确定所述参考矢量的扇区分布位置之前，需要先将电压空间矢量对应的矢量空间进行扇区划分。
图3为本实施例电压空间矢量对应的矢量空间的扇区划分的示例图，将电压空间矢量图划分为6个大扇区的三条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000071
如图3所示，6个大扇区依次为扇区Ⅰ～扇区Ⅵ，且6个大扇区被分为区域1～24。将电压空间矢量对应的每个大扇区分别利用四条曲线划分为5个小扇区。
将扇区Ⅰ划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000081
将扇区Ⅱ划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000082
将扇区Ⅲ划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000083
将扇区Ⅳ划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000084
将扇区Ⅴ划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000091
将扇区Ⅵ划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure GDA0002547500760000092
其中，Vα为电压空间矢量在α坐标轴的分量，Vβ为电压空间矢量在β坐标轴的分量，s表示VH与VL的比值。
图4-图7为传统的准单级空间矢量调制和本发明实施例空间矢量调制的共模电压实验结果图。实验中，VH取值为700V，图4-图7分别对应VL取值为250V、350V、500V和600V，其中，图4-图7中的(a)对应传统调制，图4-图7中的(b)对应实施例调制。其中，van、vbn、vcn分别表示abc三相的桥臂中点电压，vCMV表示共模电压。实验结果对比可以看出，在不同的输入电压下，实施例的共模电压变化量均小于传统调制，本发明能够有效改善共模电压。
图8为传统的准单级空间矢量调制和本发明实施例空间矢量调制的共模电压变化量对比曲线图，图9为效率对比曲线图。从曲线图可以发现，由于本发明提出的共模电压空间矢量改善方法采用的是开关切换损耗最小时对应的电压空间矢量发送顺序，所以可以在改善共模电压变化量的同时保持较高的系统效率。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法，其特征在于：电压空间矢量采用状态量Sta,Stb,Stc来表示，设每相的开关状态量Stx的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000011
其中，x＝a,b,c，表示a、b、c三相，vxn表示非隔离型三相准单级逆变器每相的桥臂中点电压，VH表示非隔离型三相准单级逆变器的高压直流端口电压，VL表示非隔离型三相准单级逆变器的低压直流端口电压，E表示母线电压的一半，l表示VL与E的比值；
首先确定各电压空间矢量类别对应的电压空间矢量，电压空间矢量类别包括零矢量、负小矢量、正小矢量、中矢量和大矢量，所述零矢量包括(2,2,2)、(l,l,l)和(0,0,0)，所述负小矢量包括(2,l,l)、(2,2,l)、(l,2,l)、(l,2,2)、(l,l,2)和(2,l,2)，所述正小矢量包括(l,0,0)、(l,l,0)、(0,l,0)、(0,l,l)、(0,0,l)和(l,0,l)，所述中矢量包括(2,l,0)、(l,2,0)、(0,2,l)、(0,l,2)、(l,0,2)和(2,0,l)，所述大矢量包括(2,0,0)、(2,2,0)、(0,2,0)、(0,2,2)、(0,0,2)和(2,0,2)；
在合成逆变器的输出电压空间矢量过程中，当输入电压小于电网线电压峰值时，使用零矢量、正小矢量、中矢量和大矢量合成参考矢量，其中将零矢量(0,0,0)替换为(l,l,l)，并舍弃共模电压模长为VL/3的正小矢量(l,0,0)、(0,l,0)和(0,0,l)；
当输入电压大于等于电网线电压峰值时，舍弃零矢量，只使用相邻的正小矢量合成参考矢量；
将上述参考矢量作为逆变器的输出电压空间矢量。
2.根据权利要求1所述降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法，其特征在于：在合成参考矢量的过程中，按照以下方式确定电压空间矢量的发送顺序：
确定不同电压空间矢量发送顺序所对应产生的开关切换损耗的大小，选择开关切换损耗最小时对应的电压空间矢量发送顺序。
3.根据权利要求1所述降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法，其特征在于：在合成参考矢量之前需要确定所述参考矢量的扇区分布位置；然后在所述参考矢量所属的扇区中，根据输入电压与电网线电压峰值的大小关系进行参考矢量的合成。
4.根据权利要求3所述降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法，其特征在于：在确定所述参考矢量的扇区分布位置之前，需要先将电压空间矢量对应的矢量空间进行扇区划分。
5.根据权利要求4所述降低非隔离型三相准单级逆变器共模电压的空间矢量调制方法，其特征在于：将电压空间矢量对应的矢量空间进行扇区划分的过程如下：
将电压空间矢量图划分为6个大扇区，用于划分6个大扇区的三条曲线的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000021
其中，Vα为电压空间矢量在α坐标轴的分量，Vβ为电压空间矢量在β坐标轴的分量；
将电压空间矢量对应的每个大扇区分别利用四条曲线划分为5个小扇区：将第一大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000031
将第二大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000032
将第三大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000033
将第四大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000034
将第五大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000041
将第六大扇区划分为5个小扇区的四条曲线的表达式如下：
Figure FDA0002547500750000042
其中，s表示VH与VL的比值。
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