CN111293915A - 中点电位不平衡下的npc逆变器改进虚拟矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

一种中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法：通过27个空间矢量构建若干等效虚拟矢量，再根据虚拟空间矢量构成中点钳位型三电平逆变器的新型虚拟空间图，然后根据中点钳位型三电平逆变器的新型虚拟空间图中各扇区与参考电压矢量V_ref的位置关系获取开关输出序列，最后根据开关状态输出序列有效控制中点钳位型三电平逆变器上各相中开关的开关状态，在中点电位不平衡下情况下，够在全范围内消除三电平逆变器中点电位低频波动，保证三电平逆变器直流侧的稳定性，提高逆变器输出性能，有效治理中点电位偏移，实现对中点电位的精确控制。

Description

中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法

技术领域

本发明涉及一种NPC逆变器调制方法。特别是涉及一种中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法。

背景技术

近年来，多电平逆变器凭借其具有较高的耐压水平、承受较高的开关频率、输出电压谐波较好等优点广泛应用于中高压大功率场合。其中三电平逆变器由于其拓扑结构发展成熟，成为应用最广泛的一种。三电平逆变器技术的研究深入到高压交流电动机的变频调速、电力系统的发展和节能环保等领域，对其发展产生深远的意义。

然而由于中点钳位型三电平逆变器拓扑结构的特殊性(图1所示)及调制策略，导致三电平逆变器存在直流侧电容中点电位不平衡的问题。这一问题会导致输出的电流失真，效率降低，严重时候会减少直流电容寿命，甚至会因直流侧正负母线电容电压不平衡而导致功率器件的损坏，破坏系统的正常运行。为了避免中点电位不平衡一般采用硬件方法和调制方法，其中硬件方法有：1)在直流侧独立使用2个直流电源，单独供电；2)通过额外的转换器向中点注入或提取电流；3)通过前端电路控制中点电位平衡，但这些方法会增加系统的成本和控制的复杂性。调制方法方面，一些研究通过合理分配冗余小矢量的作用时间，在一定程度上平衡中点电位，但在全调制度和全功率因数情况下，仍无法平衡中点电位；因此有学者提出了虚拟空间调制策略，能够较好的实现全范围内的中点电位波动，没有考虑直流侧电容电压偏移时，对基本矢量的幅值和位置的影响，进而无法处理算法误差累积效应造成的中点电位的偏移。因此，研究一种高效的三电平逆变器中点电位平衡调制策略具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，能够在全范围内消除三电平逆变器中点电位低频波动，保证三电平逆变器直流侧的稳定性，提高逆变器输出性能，有效治理中点电位偏移，实现对中点电位的精确控制。

本发明所采用的技术方案是：一种中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，包括如下步骤：

1)通过载波脉宽调制方法得到中点钳位型三电平逆变器的三相调制波；

2)由三相调制波合成参考电压V_ref；

3)根据中点电位不平衡因子δ构建中点钳位型三电平逆变器的空间矢量，得到27个空间矢量，所得到的27个空间矢量中的小矢量和中矢量中含有中点电位不平衡因子δ；

4)根据步骤3)得到的27个空间矢量，构建六个虚拟小矢量、六个虚拟中矢量、六个虚拟大矢量以及一个虚拟零矢量，再根据所构建的十九个虚拟矢量构成中点钳位型三电平逆变器的新型虚拟空间矢量图，所述的新型虚拟空间矢量图包括六个扇区，每个扇区由五个三角形组成，每个三角形由三个不同的虚拟矢量构成，每个虚拟矢量由两个或者三个空间矢量合成；

5)建立g-h坐标系，将步骤2)得到的参考电压V_ref分解在g-h坐标系上，并进行标幺变换，得到表示参考电压V_ref在g轴、h轴电压分量的标幺值V^* _g、V^* _h，并使标幺值V^* _g、V^* _h落在新型虚拟空间矢量图区域内；

6)根据标幺值V^* _g、V^* _h逻辑运算判断出参考电压V_ref处于新型虚拟空间矢量图哪个扇区，当参考电压V_ref不在新型虚拟空间矢量图的第一扇区中时，则采用旋转法将参考电压V_ref移动到新型虚拟空间矢量图的第一扇区内；

7)考虑中点电位不平衡因子δ和正负小矢量作用时间分配引入的中点电位平衡系数k，判断参考电压V_ref所在第一扇区的哪个三角形中；

8)考虑中点电位不平衡因子δ、正负小矢量作用时间分配引入的中点电位平衡系数k以及根据参考电压V_ref所在新型虚拟空间矢量图中三角形的位置计算构成该三角形的三个虚拟矢量的作用时间；

9)根据所述的三个虚拟矢量的作用时间，计算构成该虚拟矢量的各个空间矢量的实际作用时间；

10)根据每个三角形中各个空间矢量对应的矢量开关状态输出序列控制中点钳位型三电平逆变器上各相中对应开关的开关状态，完成改进中点钳位型三电平逆变器虚拟空间矢量调制。

本发明的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，通过27个空间矢量构建若干等效虚拟矢量，再根据虚拟空间矢量构成中点钳位型三电平逆变器的新型虚拟空间图，然后根据中点钳位型三电平逆变器的新型虚拟空间图中各扇区与参考电压矢量V_ref的位置关系获取开关输出序列，最后根据开关状态输出序列有效控制中点钳位型三电平逆变器上各相中开关的开关状态，在中点电位不平衡下情况下，够在全范围内消除三电平逆变器中点电位低频波动，保证三电平逆变器直流侧的稳定性，提高逆变器输出性能，有效治理中点电位偏移，实现对中点电位的精确控制。

附图说明

图1是中点钳位型三电平逆变器的主电路拓扑结构图；

图2是含有中点电位不平衡因子δ的中点钳位型三电平逆变器的空间矢量；

图3是传统中点钳位型三电平逆变器空间矢量图；

图4是本发明中的新型虚拟空间矢量图；

图5是新型虚拟空间矢量图第一扇区的划分图；

图6是g-h坐标系下参考电压V_ref由第二扇区旋转到第一扇区的空间矢量旋转示意图；

图7是本发明中改进的新型虚拟空间矢量图第一扇区示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法做出详细说明。

本发明的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，包括如下步骤：

1)通过载波脉宽调制方法得到中点钳位型三电平逆变器的三相调制波，所述的三相调制波为：

其中，m为调制度，ω为基波角频率，t为时间，V_a为a相电压，V_b为b相电压，V_c为c相电压。

2)由三相调制波合成参考电压V_ref；所述合成的参考电压V_ref的计算公式为：

其中，V_a为a相电压，V_b为b相电压，V_c为c相电压。

3)根据中点电位不平衡因子δ构建中点钳位型三电平逆变器的空间矢量，得到27个空间矢量，(如图2所示)，与传统空间矢量(如图3)相比，所得到的27个空间矢量中的小矢量和中矢量中含有中点电位不平衡因子δ；

其中，δ＝(V_C1-V_C2)/V_dc为中点电位不平衡因子，当中点电位不平衡时，正负小矢量不再重合，中矢量也不在相邻大矢量的角平分线上；

此时直流侧上电容电压表示为V_C1＝(1+δ)V_dc/2，直流侧下电容电压表示为V_C2＝(1-δ)V_dc/2，V_dc为直流侧电压；

将矢量的三相代入计算参考电压V_ref公式

得到含有电位不平衡因子δ的小矢量和中矢量的变化情况。

其中，V_a为a相电压，V_b为b相电压，V_c为c相电压；当矢量的一相为字母P时，此相用上电容电压V_C1表示；当该矢量的这一相为字母N时，此相用下电容电压V_C2表示，当该矢量的这一相为字母O时，此相用0表示。

以传统空间矢量图中小矢量V_POO、V_ONN，中矢量V_PON为例，计算受电位不平衡因子δ影响得到变换后含有对应电位不平衡因子δ的小矢量V'_POO、V'_ONN，中矢量V'_PON：

小矢量幅值发生变化，方向不变，即：

中矢量幅值与方向均发生变化，即：

其中，V_POO、V_ONN为传统空间矢量中的小矢量，V_PON为传统空间矢量中的中矢量，V'_POO、V'_ONN为受电位不平衡因子δ影响变换后含有电位不平衡因子δ的小矢量，V'_PON为受电位不平衡因子δ影响得到变换后含有电位不平衡因子δ的中矢量，V_S1为传统空间矢量中的小矢量V_POO、V_ONN的合称，V_M1为传统空间矢量中的中矢量V_PON。

4)根据步骤3)得到的27个空间矢量，构建六个虚拟小矢量、六个虚拟中矢量、六个虚拟大矢量以及一个虚拟零矢量，再根据所构建的十九个虚拟矢量构成中点钳位型三电平逆变器的新型虚拟空间矢量图，所述的新型虚拟空间矢量图包括六个扇区，每个扇区由五个三角形组成，每个三角形由三个不同的虚拟矢量构成，每个虚拟矢量由两个或者三个空间矢量合成，如图4所示。

所述的新型虚拟空间矢量图中，以第一扇区为例(如图5所示)，是按如下合成虚拟矢量公式获取：

其中，V_Z0为虚拟零矢量，V_ZS1和V_ZS2为虚拟小矢量，V_ZM1为虚拟中矢量，V_ZL1和V_ZL2为虚拟大矢量，V'_POO、V'_ONN、V'_PPO、V'_OON、为受中点电位不平衡因子δ影响变换后含有中点电位不平衡因子δ的小矢量，V'_PON为中点电位不平衡因子δ影响得到变换后含有中点电位不平衡因子δ的中矢量，V_OOO为传统空间矢量中的零矢量，V_PNN、V_PNN为传统空间矢量中的大矢量；

根据式(5)可知，中点电位不平衡引入的中点电位不平衡因子δ对虚拟矢量的合成没有影响，即合成后的新型虚拟矢量图和传统虚拟矢量图相同，与中点电位不平衡因子δ无关。

5)建立g-h坐标系，将步骤2)得到的参考电压V_ref分解在g-h坐标系上，并进行标幺变换，得到表示参考电压V_ref在g轴、h轴电压分量的标幺值V^* _g、V^* _h，并使标幺值V^* _g、V^* _h落在新型虚拟空间矢量图区域内；所述的将参考电压V_ref分解在g-h坐标系上，并进行标幺变换，如下：

参考电压V_ref分解在α-β坐标系上为：

式中，θ为参考电压V_ref与α-β坐标系中α轴的夹角，V_α、V_β对应α-β坐标系下V_ref在α、β轴电压分量；

由α-β坐标系转换到g-h坐标系，得：

式中，V_g、V_h对应g-h坐标系下参考电压V_ref在g、h轴电压分量。

因此参考电压V_ref分解在g-h坐标系上公式为：

三相旋转坐标系变化为g-h坐标系的模型公式为：

式中V_a、V_b、V_c对应a、b、c相电压。

传统空间矢量调制中，可知不同的开关状态组成的逆变电压矢量4种基本电压矢量，分别为零矢量、小矢量、中矢量以及大矢量，在g-h坐标系中参考电压V_ref构建的空间电压矢量也包含4种基本矢量。

三相相电压公式表示为：

式中U为三相相电压幅值。

将三相相电压公式(10)代入三相旋转坐标系变化为g-h坐标系的模型公式(9)：

当

时，存在

所以基准值：

得到标幺变换为：

V^* _g、V^* _h为V_g、V_h标幺变换后的标幺值。

6)根据标幺值V^* _g、V^* _h逻辑运算判断出参考电压V_ref处于新型虚拟空间矢量图哪个扇区，当参考电压V_ref不在新型虚拟空间矢量图的第一扇区中时，则采用旋转法将参考电压V_ref移动到新型虚拟空间矢量图的第一扇区内；所述的逻辑运算判断依据为：

其中，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆分别为新型虚拟空间矢量图中的第一扇区、第二扇区、第三扇区、第四扇区、第五扇区、第六扇区

当参考电压V_ref不在新型虚拟空间矢量图的第一扇区中时，根据旋转坐标模块，将其他扇区转移到第一扇区进行简化计算。

旋转坐标模块计算公式为：

其中，N为参考电压V_ref所在的扇区编号。

以参考电压V_ref由第二扇区旋转到第一扇区为例，建立旋转模块，具体坐标关系如图6所示。

通过式(14)得到其他扇区的参考矢量旋转到第一扇区后的分类，如表1所示。

表1参考矢量转换关系

7)考虑中点电位不平衡因子δ和正负小矢量作用时间分配引入的中点电位平衡系数k，判断参考电压V_ref所在第一扇区的哪个三角形中；是采用如下公式判断参考电压V_ref所在第一扇区的哪个三角形中：

其中，A₁、A₂、A₃、A₄、A₅分别为新型虚拟空间矢量图的第一扇区中的第一三角形、第二三角形、第三三角形、第四三角形、第五三角形，V^* _g、V^* _h为标幺值，δ为中点电位不平衡因子，k为中点电位平衡系数。

8)考虑中点电位不平衡因子δ、小矢量作用时间分配引入的中点电位平衡系数k以及根据参考电压V_ref所在新型虚拟空间矢量图中三角形的位置计算构成该三角形的三个虚拟矢量的作用时间；是采用如下伏秒平衡原理：

其中，V_ZA、V_ZB、V_ZC为构成参考电压V_ref所在的三角形的三个虚拟矢量，T_ZA、T_ZB、T_ZC为V_ZA、V_ZB、V_ZC对应的作用时间，Ts为一个时间周期。

计算当参考电压V_ref所在第一扇区内计算新型虚拟空间矢量不同虚拟矢量的作用时间为：

其中，T_Z0、T_ZS1、T_ZS2、T_ZM1、T_ZL1、T_ZL2为V_Z0、V_ZS1、V_ZS2、V_ZM1、V_ZL1、V_ZL2作用时间。

9)根据所述的三个虚拟矢量的作用时间，计算构成该虚拟矢量的各个空间矢量的实际作用时间；

其中，当参考电压V_ref所在第一扇区内时，得到构成该虚拟矢量的各个空间矢量的实际作用时间为：

其中，T_PPO、T_POO、T_PON、T_ONN、T_NNN、T_PNN、T_OON、T_PPN为V_PPO、V_POO、V_PON、V_ONN、V_NNN、V_PNN、V_OON、V_PPN作用时间。

因此为了减少输出电压的谐波含量，减少负载承受的电压开关应力，参考电压V_ref合成采用最近三矢量原则。综合上述分析，考虑中点电位平衡原则，以新型虚拟空间矢量图第一扇区为例：

定义等效小矢量V'_ZS1、V'_ZS2为：

改进的新型虚拟空间矢量图第一扇区如图7所示。

10)根据每个三角形中各个空间矢量对应的矢量开关状态输出序列控制中点钳位型三电平逆变器上各相中对应开关的开关状态，完成改进中点钳位型三电平逆变器虚拟空间矢量调制。以第一扇区、第二扇区为例，具体开关状态输出序列在不同扇区内作用顺序如下：

第一扇区：

PPO→POO→PON→ONN→NNN→ONN→PON→POO→PPO

PPO→POO→PON→PNN→ONN→PNN→PON→POO→PPO

PPO→PON→OON→ONN→NNN→ONN→OON→PON→PPO

PPO→PPN→PON→OON→ONN→OON→PON→PPN→PPO

PPO→PPN→PON→PNN→ONN→PNN→PON→PPN→PPO

第二扇：

PPO→OPN→OON→NON→NNN→NON→OON→OPN→PPO

PPO→PPN→OPN→OON→NON→OON→OPN→PPN→PPO

PPO→OPO→OPN→NON→NNN→NON→OPN→OPO→PPO

PPO→OPO→OPN→NPN→NON→NPN→OPN→OPO→PPO

PPO→PPN→OPN→NPN→NON→NPN→OPN→PPN→PPO

步骤10)的具体操作为：x相输出状态为P时，开关S_1x及开关S_2x开通，开关S_3x及开关S_4x关断；x相输出状态为O时，开关S_2x及开关S_3x开通，开关S_1x及开关S_4x关断；x相输出状态为N时，开关S_3x及开关S_4x开通，开关S_1x及开关S_2x关断，x＝a，b，c。

Claims (8)

1.一种中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过载波脉宽调制方法得到中点钳位型三电平逆变器的三相调制波；

2)由三相调制波合成参考电压V_ref；

3)根据中点电位不平衡因子δ构建中点钳位型三电平逆变器的空间矢量，得到27个空间矢量，所得到的27个空间矢量中的小矢量和中矢量中含有中点电位不平衡因子δ；

4)根据步骤3)得到的27个空间矢量，构建六个虚拟小矢量、六个虚拟中矢量、六个虚拟大矢量以及一个虚拟零矢量，再根据所构建的十九个虚拟矢量构成中点钳位型三电平逆变器的新型虚拟空间矢量图，所述的新型虚拟空间矢量图包括六个扇区，每个扇区由五个三角形组成，每个三角形由三个不同的虚拟矢量构成，每个虚拟矢量由两个或者三个空间矢量合成；

5)建立g-h坐标系，将步骤2)得到的参考电压V_ref分解在g-h坐标系上，并进行标幺变换，得到表示参考电压V_ref在g轴、h轴电压分量的标幺值V^* _g、V^* _h，并使标幺值V^* _g、V^* _h落在新型虚拟空间矢量图区域内；

6)根据标幺值V^* _g、V^* _h逻辑运算判断出参考电压V_ref处于新型虚拟空间矢量图哪个扇区，当参考电压V_ref不在新型虚拟空间矢量图的第一扇区中时，则采用旋转法将参考电压V_ref移动到新型虚拟空间矢量图的第一扇区内；

7)考虑中点电位不平衡因子δ和正负小矢量作用时间分配引入的中点电位平衡系数k，判断参考电压V_ref所在第一扇区的哪个三角形中；

8)考虑中点电位不平衡因子δ、正负小矢量作用时间分配引入的中点电位平衡系数k以及根据参考电压V_ref所在新型虚拟空间矢量图中三角形的位置计算构成该三角形的三个虚拟矢量的作用时间；

9)根据所述的三个虚拟矢量的作用时间，计算构成该虚拟矢量的各个空间矢量的实际作用时间；

10)根据每个三角形中各个空间矢量对应的矢量开关状态输出序列控制中点钳位型三电平逆变器上各相中对应开关的开关状态，完成改进中点钳位型三电平逆变器虚拟空间矢量调制。

2.根据权利要求1所述的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，步骤1)中所述的三相调制波为：

其中，m为调制度，ω为基波角频率，t为时间，V_a为a相电压，V_b为b相电压，V_c为c相电压。

3.根据权利要求1所述的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，步骤2)中所述合成参考电压V_ref的计算公式为：

V_a为a相电压，V_b为b相电压，V_c为c相电压。

4.根据权利要求1所述的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，步骤3)包括：

其中，δ＝(V_C1-V_C2)/V_dc为中点电位不平衡因子，当中点电位不平衡时，正负小矢量不再重合，中矢量也不在相邻大矢量的角平分线上；

此时直流侧上电容电压表示为V_C1＝(1+δ)V_dc/2，直流侧下电容电压表示为V_C2＝(1-δ)V_dc/2，V_dc为直流侧电压；

将矢量的三相代入计算参考电压V_ref公式

得到含有中点电位不平衡因子δ的小矢量和中矢量的变化情况；

其中，V_a为a相电压，V_b为b相电压，V_c为c相电压；当矢量的一相为字母P时，此相用上电容电压V_C1表示；当该矢量的这一相为字母N时，此相用下电容电压V_C2表示，当该矢量的这一相为字母O时，此相用0表示。

5.根据权利要求1所述的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，步骤5)所述将参考电压V_ref分解在g-h坐标系上，并进行标幺变换，如下：

参考电压V_ref分解在α-β坐标系上为：

式中，θ为参考电压V_ref与α-β坐标系中α轴的夹角，V_α、V_β对应α-β坐标系下V_ref在α、β轴电压分量；

由α-β坐标系转换到g-h坐标系，得：

式中，V_g、V_h对应g-h坐标系下V_ref在g、h轴电压分量；

因此参考电压参考电压V_ref分解在g-h坐标系上公式为：

三相旋转坐标系变化为g-h坐标系的模型公式为：

式中V_a、V_b、V_c对应a、b、c相电压；

三相相电压公式表示为：

式中U为三相相电压幅值；

将三相相电压公式代入三相旋转坐标系变化为g-h坐标系的模型公式，得到：

当

时，存在

所以基准值为：

得到标幺变换为：

V^* _g、V^* _h为V_g、V_h标幺变换后的标幺值。

6.根据权利要求1所述的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，步骤6)所述的逻辑运算判断依据为：

其中，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆分别为新型虚拟空间矢量图中的第一扇区、第二扇区、第三扇区、第四扇区、第五扇区、第六扇区；

当参考电压V_ref不在新型虚拟空间矢量图的第一扇区中时，根据旋转坐标模块，将其他扇区转移到第一扇区进行简化计算；

旋转坐标模块计算公式为：

其中，N为参考电压V_ref所在的扇区编号。

7.根据权利要求1所述的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，步骤7)是采用如下公式判断参考电压V_ref所在第一扇区的哪个三角形中：

其中，A₁、A₂、A₃、A₄、A₅分别为新型虚拟空间矢量图的第一扇区中的第一三角形、第二三角形、第三三角形、第四三角形、第五三角形，V^* _g、V^* _h为标幺值，δ为中点电位不平衡因子，k为中点电位平衡系数。

8.根据权利要求1所述的中点电位不平衡下的NPC逆变器改进虚拟矢量调制方法，其特征在于，步骤8)所述的计算构成该三角形的三个虚拟矢量的作用时间是采用如下伏秒平衡原理：

其中，V_ZA、V_ZB、V_ZC为构成参考电压V_ref所在的三角形的三个虚拟矢量，T_ZA、T_ZB、T_ZC为V_ZA、V_ZB、V_ZC对应的作用时间，Ts为一个时间周期。

Images