CN112737383B - 一种三电平npc逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法，属逆变器PWM调制方法。该方法通过将两个频率不同的三角载波f₁、f₂有序变化来代替常规载波反相层叠脉宽调制法中固定频率为(f₁+f₂)/2的三角载波，并使有序变化载波的平均载波频率约等于(f₁+f₂)/2。同时，本发明采用了改进的零序电压V₀注入法平衡逆变器直流侧的电容中点电位。本发明在不增加硬件成本和不降低载波反相层叠脉宽调制性能的情况下实现逆变器直流侧电容中点电位平衡控制、谐波电压频谱扩散和降低输出电压电流波形中谐波峰值从而降低谐波产生的负面影响。

Description

一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制 方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器PWM调制方法，具体是一种基于三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法，属于电力电子与电力传动领域。

背景技术

常规的载波反相层叠脉宽调制方法实现了对基波电压幅值、频率的控制。但是利用FFT分析其线电压的波形可知，波形中含有离散的峰值较大的谐波，这些谐波主要集中在开关频率及其倍频处。这些幅值很高的谐波会增加逆变器开关损耗、会增强逆变器系统中电磁干扰，影响其他设备安全正常运行、也会导致与逆变器相连的交流电机产生机械振动和很大的噪声。因此，有必要对逆变器输出的线电压波形中的谐波降低峰值和谐波抑制。

对于三相电压源逆变器PWM谐波抑制技术，现行的方法主要有两种：一是硬件抑制，通过多电平的逆变器拓扑技术，增加逆变器输出电平数使得谐波随着电平数目增加而减少，亦或使用滤波器滤除部分谐波。但该方法不仅增加了硬件成本，也使得逆变器调制方法变得更加复杂。亦或增加逆变器开关频率以减少谐波，降低谐波幅值，但这明显增加了逆变器开关损耗。二是软件抑制，通过专门的谐波抑制PWM调制方法抑制谐波，但这种方法只能消除特定的谐波，并不能解决其他次谐波的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法，该方法在不增加硬件成本和不降低载波反相层叠脉宽调制性能的情况下实现逆变器直流侧电容中点电位平衡控制、谐波电压频谱扩散和降低输出电压中谐波的峰值从而降低谐波带来的负面影响。

本发明是以如下技术方案实现的：一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法，通过将两个频率不同的三角载波f₁、f₂有序变化来代替常规载波反相层叠脉宽调制法中固定频率为(f₁+f₂)/2的三角载波，并使有序变化载波的平均载波频率约等于(f₁+f₂)/2。同时逆变器直流侧的电容中点电位使用改进的零序电压V₀注入法平衡。

其中：Ⅰ、两个频率不同的载波f₁、f₂有序变化规则为：f₁-f₁-f₁-f₂-f₂-f₂且不断循环；Ⅱ、逆变器直流侧的电容中点电位使用改进的零序电压V₀注入法平衡，其中零序电压V₀采取一种“预估-校验-修正”的计算方法，即：

在逆变器某个开关周期T_s内，将三相参考正弦调制波电压V_a、V_b、V_c按瞬时值大小排列为最大值V_max、中间值V_mid、最小值V_min，三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c下负载电流i_a、i_b、i_c也按瞬时值大小排列为最大值i_max、中间值i_mid、最小值i_min，按下式计算出用来平衡逆变器直流侧中点电位的零序电压预估值V_0tst：

式中U_c1、U_c2分别表示逆变器直流侧上、下电容电压在这个开关周期T_s内的采样值；C_dc表示逆变器直流侧电容大小；sgn(x)是符号函数，表示x大于等于0时返回值为1，x小于0时返回值为-1；T_s为逆变器开关周期即有序变化的载波频率的倒数，即以值为(1/f₁)-(1/f₁)-(1/f₁)-(1/f₂)-(1/f₂)-(1/f₂)变化并循环。

当计算所得零序电压预估值V_0tst注入三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c后，即V_0tst+V_a、V_0tst+V_b、V_0tst+V_c，将它们瞬时值重新排成最大值V_max1、中间值V_mid1、最小值V_min1。因零序电压注入到三相参考电压V_a、V_b、V_c后只会改变之前的V_mid所对应的正负符号，并不会影响V_max、V_min的正负性。因此只需按下面规则检验并修正零序电压预估值V_0tst：

①若sgn(V_mid1)＝sgn(V_mid)，则零序电压预估值V_0tst就是正确的；

②若sgn(V_mid1)＝-sgn(V_mid)，则零序电压预估值V_0tst需按下式重新计算；

为便于叙述，本发明将三相参考正弦调制波电压幅值的峰值大小设为1，因此①②中计算所得零序电压预估值V_0tst注入三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c后新的参考电压幅值大小得不超过1，即受下式约束并修正，才能最终确定零序电压值V₀。

因此，最终零序电压V₀按下面几种情况确定：

令V_max＝max(V_a,V_b,V_c),V_min＝min(V_a,V_b,V_c)

1)如果V_0tst+V_max>1,那么V₀＝V_0tst＝1-V_max并注入三相参考电压中；

2)如果V_0tst+V_min<-1,那么V₀＝V_0tst＝-1-V_max并注入三相参考电压中；

3)其他情况下，零序电压V₀则与按上述①、②规则得出零序电压预估值V_0tst相等即V₀＝V_0tst并注入三相参考电压中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、在常规的载波反相层叠脉宽调制方法基础上进行改变，不需要增加硬件，运行成本低，灵活性强，易于实施；

2、将常规的载波反相层叠脉宽调制方法中载波频率有序变化，且平均载波频率约为(f₁+f₂)/2等于常规载波反相层叠脉宽调制中固定载波频率，利用改进的零序电压V₀注入法平衡逆变器直流侧中点电位。在不降低载波反相层叠脉宽调制方法的性能同时，明显的实现逆变器直流侧电容中点电位平衡控制、谐波电压频谱扩散和降低输出电压谐波的峰值。

附图说明

图1是本发明一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法的主电路拓扑结构图；

图2是本发明一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法的脉冲宽度调制(PWM调制)示意图；

图3是本发明用改进的零序电压V₀注入法平衡三电平NPC逆变器直流侧中点电位的逆变器系统控制框图；

图4A是采用载波频率为3.5khz的常规载波反相层叠脉宽调制方法输出线电压Uab的FFT分析图；

图4B是本发明采用两个载波频率分别为3khz和4khz的载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法输出线电压Uab的FFT分析图；

图5A是本发明采用改进的零序电压V₀注入法的直流侧上电容电压波形图；

图5B是本发明采用改进的零序电压V₀注入法的直流侧下电容电压波形图；

具体实施方式

为方便本专业人员对本发明技术方案的清楚理解，下面结合附图和具体实施例对本发明提出的一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法作进一步详细描述。但是本实施例所揭示的内容为本发明的原理，并不局限于仅此一例。需说明的是，附图采用非精准的比例，仅用以方便、清楚地辅助说明本发明实施例的技术方案。

本实施例采用的三电平NPC逆变器的主电路拓扑结构如图1所示。中点箝位型三相三电平逆变器有A、B、C三相桥臂，每相桥臂由4个IGBT功率开关管、4个续流二极管和两个箝位二极管组成。图中O点代表逆变器直流侧电容中点，直流侧上下两个完全相同的电容平分直流电压值，即U_c1＝U_c2＝U_dc/2；a、b、c代表三相桥臂的交流侧输出；S_a1、S_a2、S_a3、S_a4表示A相的4个功率开关管，D_a1和D_a2表示A相的2个箝位二极管,规定电容中点电流i_np流出中点方向为正方向，逆变器三相相电流i_a、i_b、i_c流向负载为正方向。定义逆变器a、b、c三相桥臂开关状态为S_a、S_b、S_c，其中S_x(x＝a,b,c)的值为-1，0或1，所述逆变器每相桥臂开关状态及其值的含义由下段文字解释。

三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法的脉冲宽度调制如图2所示，其中载波频率以f₁-f₁-f₁-f₂-f₂-f₂有序变化且循环。以三电平逆变器A相桥臂为例解释该调制方法基本原理以及桥臂开关状态S_x与其值的含义。当正弦参考电压调制波形V_a与有序变化的载波位于y轴正半轴时即它们幅值都为非负，参考电压调制波形大于载波时，A相桥臂上S_a1、S_a2两个功率管开通，S_a3、S_a4功率管关断，A相相电压输出+U_dc/2，此时A相桥臂开关状态计S_a为1；参考电压调制波形小于载波时A相桥臂S_a2、S_a3两个功率管开通,S_a1、S_a4功率管关断，A相相电压输出0,此时A相桥臂开关状态计S_a为0。当正弦参考电压调制波形V_a与有序变化的载波位于y轴负半轴时即它们幅值都为非正，参考电压调制波形大于载波时，A相桥臂上S_a3、S_a4两个功率管开通，S_a1、S_a2功率管关断，A相相电压输出-U_dc/2,此时A相桥臂开关状态计S_a为-1；参考电压调制波形小于载波时，A相桥臂S_a2、S_a3两个功率管开通,S_a1、S_a4功率管关断，A相相电压输出0,此时A相桥臂开关状态计S_a为0。

为便于叙述，本发明将三相参考正弦调制波电压V_a、V_b、V_c的峰值大小设为1，有序变化的载波峰值大小也设为1且调制指数M定义为三相参考正弦调制波电压的峰值与载波峰值之比。因此，三相参考正弦调制波电压的稳态表达式如下式：

众所周知，对于三电平NPC逆变器任一相桥臂，只有当它开关状态为0时即输出相电压为零时，此时负载电流才会经箝位二极管流入到逆变器直流侧电容中点0，并流入进直流侧某个电容中。因此，在三电平NPC逆变器的某个开关周期T_s流经中点O电流瞬时值为：

i_np(t)＝[1-abs(S_a)]*i_a+[1-abs(S_b)]*i_b+[1-abs(S_c)]*i_c

＝-abs(S_a)*i_a-abs(S_b)*i_b-abs(S_c)*i_c

式中abs(*)为绝对值函数,S_a、S_b、S_c为逆变器a、b、c三相桥臂在开关周期T_s内开关状态，i_a、i_b、i_c分别为逆变器a、b、c三相相电流在开关周期T_s内采样值。

则在逆变器开关周期T_s内流经中点O的电流平均值i_av为

i_av＝-[sgn(V_a)*V_a*i_a+sgn(V_b)*V_b*i_b+sgn(V_c)*V_c*i_c]

V_a、V_b、V_c分别为逆变器a、b、c三相参考电压在开关周期T_s内采样值，且式中sgn(*)符号函数定义为

其中x为a,b,c三相

由计算电流平均值i_av的式子可知，在逆变器开关周期T_s内流经中点O的电流平均值i_av值不可能为零，因为S_a、S_b、S_c不能同时为0。所以这个流经中点O的平均值不为零的电流会造成直流侧电容充放电从而造成电容电压失衡。因此，为了使直流侧电容电压保持平衡，只要使流过中点的电流在逆变器开关周期内平均值i_av为零即可。那么如何使流经中点O的电流在逆变器某个开关周期内平均值为零？可引入一个自由变量“零序电压V₀”并将其注入三相参考电压V_a、V_b、V_c中即V₀+V_a、V₀+V_b、V₀+V_c，通过用V₀表达逆变器开关周期内平均值i_av的式子为零求出零序电压V₀值，并实现直流侧中点O电位平衡和电容电压保持平衡。零序电压值V₀具体求法如下：

i_av＝-abs(V₀+V_a)*i_a-abs(V₀+V_b)*i_b-abs(V₀+V_b)*i_b

＝-[sgn(V₀+V_a)*V_a*i_a+sgn(V₀+V_b)*V_b*i_b+sgn(V₀+V_c)*V_c*i_c]

＝0

将上式变换可得

另外，除了上述在开关周期T_s内流经电容中点的均值不为零的电流会造成中点电位不平衡外，还会存在逆变器直流侧上下电容初始电压值不相等其他扰动因素造成中点电位不平衡和电容电压不平衡。对此，采用直流电压的反馈控制来修正零序电压值V₀的计算公式，弥补流经直流侧中点电流均值为零方法不能解决因电容初始电压值不相等其他扰动因素造成中点电位不平衡的不足。修正零序电压V₀值的计算公式为：

式中U_c1、U_c2分别表示逆变器直流侧上、下电容电压在开关周期T_s内采样值，C_dc表示逆变器直流侧电容大小。T_s为逆变器开关周期即载波频率的倒数，即以值为(1/f₁)-(1/f₁)-(1/f₁)-(1/f₂)-(1/f₂)-(1/f₂)有序变化并循环。

在上式计算中，等式右边已注入零序电压V₀的三相实际参考电压V₀+V_a、V₀+V_b、V₀+V_c的正负号需要知道零序电压V₀后才能得到，但是V₀却又是需要求解的量。这造成了求解困难。

为了解决这个困难，采取一种“预估-校验-修正”的计算方法，即在每一个逆变器开关周期T_s内，将三相参考电压V_a、V_b、V_c按瞬时值大小排列为最大值、中间值、最小值即V_max、V_mid、V_min，三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c下负载电流i_a、i_b、i_c瞬时值大小排列为最大值、中间值、最小值即i_max、i_mid、i_min。并按下式计算出注入三相参考正弦电压V_a、V_b、V_c以实现逆变器直流侧的电容中点电位平衡的零序电压预估值V_0tst为：

当计算所得零序电压预估值V_0tst注入三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c后，即V_0tst+V_a、V_0tst+V_b、V_0tst+V_c，将它们瞬时值重新排成最大值、中间值、最小值V_max1、V_mid1、V_min1。因零序电压注入到三相参考电压V_a、V_b、V_c后只会改变之前的V_mid所对应的正负符号，并不会影响V_max、V_min的正负性。因此只需按下面规则检验并修正零序电压预估值V_0tst：

①若sgn(V_mid1)＝sgn(V_mid)，则零序电压预估值V_0tst就是正确的；

②若sgn(V_mid1)＝-sgn(V_mid)，则零序电压预估值V_0tst需按下式重新计算；

需要特别注意的是为便于叙述，本发明将三相参考正弦调制波电压幅值的峰值大小设为1，因此①②中计算所得零序电压预估值V_0tst注入三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c后新的参考电压幅值大小得不超过1，即受下式约束并修正，才能最终确定零序电压值V₀。

因此，最终零序电压V₀按下面几种情况确定：

令V_max＝max(V_a,V_b,V_c),V_min＝min(V_a,V_b,V_c)

1)如果V_0tst+V_max>1,那么V₀＝V_0tst＝1-V_max并注入三相参考电压中；

2)如果V_0tst+V_min<-1,那么V₀＝V_0tst＝-1-V_max并注入三相参考电压中；

3)其他情况下，零序电压V₀则与按上述①、②规则得出零序电压预估值V_0tst相等即V₀＝V_0tst并注入三相参考电压中。

图3是本发明用改进的零序电压V₀注入法平衡三电平NPC逆变器直流侧中点电位的控制框图。

仿真参数：直流侧电压U_dc＝250V,直流侧电容值为C₁＝C₂＝1350μF，调制指数M＝0.9，星型连接的电阻电感负载参数为电阻8Ω、电感23mh。载波频率f₁为3khz,f₂为4khz，平均载波频率为3.5khz,

图4A和图4B分别是常规载波反相层叠脉宽调制方法与载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法输出线电压Uab谐波FFT分析图的对比图；其中图4A是载波频率为3.5khz的常规载波反相层叠脉宽调制方法输出线电压Uab的FFT分析图，图4B是两个载波频率f₁、f₂分别为3khz和4khz的载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法输出线电压Uab的FFT分析图。两图对比，明显可见采用载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法输出线电压Uab比常规载波反相层叠脉宽调制方法输出线电压Uab的谐波幅值更低且谐波总含量THD值近似相等。结合图5A和图5B所示，本发明采用的改进零序电压V₀注入法使逆变器直流侧上、下电容电压值都维持在设定值U_dc/2＝125V，并以极小的幅度波动。由此可见，本发明在不增加硬件成本和不降低载波反相层叠脉宽调制性能的情况下实现逆变器直流侧电容中点电位平衡控制、谐波电压频谱扩散和降低输出电压谐波的幅度从而降低谐波带来的影响，证明本方法的正确性和有效性，切是可实施的。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本专业技术人员清楚了解本发明内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法，其特征在于：

通过将两个频率不同的三角载波f₁、f₂有序变化代替常规载波反相层叠脉宽调制法中固定频率为(f₁+f₂)/2的三角载波，并使有序变化载波的平均载波频率约等于(f₁+f₂)/2；逆变器直流侧的电容中点电位使用改进的零序电压V₀注入法平衡；零序电压值V₀采用“预估-校验-修正”的计算方法计算，即：

在逆变器某个开关周期T_s内，将三相参考正弦调制波电压V_a、V_b、V_c按瞬时值大小排列为最大值V_max、中间值V_mid、最小值V_min；三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c下负载电流i_a、i_b、i_c也按瞬时值大小排列为最大值i_max、中间值i_mid、最小值i_min；并按下式计算出用来平衡逆变器直流侧中点电位的零序电压预估值V_0tst,

式中U_c1、U_c2分别表示逆变器直流侧上、下电容电压在这个开关周期T_s内的采样值；C_dc表示逆变器直流侧单个电容容量；sgn(x)是符号函数，表示x大于等于0时返回值为1，x小于0时返回值为-1；T_s为逆变器开关周期即有序变化的载波频率的倒数，即以值为(1/f₁)-(1/f₁)-(1/f₁)-(1/f₂)-(1/f₂)-(1/f₂)变化并循环；

当计算所得零序电压预估值V_0tst注入三相参考电压V_a、V_b、V_c后，即为V_0tst+V_a、V_0tst+V_b、V_0tst+V_c，将它们瞬时值重新排成最大值V_max1、中间值V_mid1、最小值V_min1；因零序电压注入到三相参考电压V_a、V_b、V_c后只会改变之前的V_mid所对应的正负符号，并不会影响V_max、V_min的正负性；故按下面规则检验并修正零序电压预估值V_0tst：

①当sgn(V_mid1)＝sgn(V_mid)，则零序电压预估值V_0tst是正确的；

②当sgn(V_mid1)＝-sgn(V_mid)，则零序电压预估值V_0tst按下式重新计算；

为便于叙述，将三相参考正弦调制波电压幅值的峰值大小设为1，①②中计算所得零序电压预估值V_0tst注入三相正弦参考电压V_a、V_b、V_c后新的参考电压幅值大小得不超过1，即受下式约束并修正，最终确定零序电压值V_0；

由此，最终零序电压V₀按下面几种情况确定：

令V_max＝max(V_a,V_b,V_c),V_min＝min(V_a,V_b,V_c)

1)当V_0tst+V_max>1,则V₀＝V_0tst＝1-V_max并注入三相参考电压中；

2)当V_0tst+V_min<-1,则V₀＝V_0tst＝-1-V_max并注入三相参考电压中；

3)其他情况下，零序电压V₀则与按上述①、②规则得出零序电压预估值V_0tst相等即V₀＝V_0tst并注入三相参考电压中。

2.根据权利要求1所述的一种三电平NPC逆变器载波频率有序变化反相层叠脉宽调制方法，其特征在于：所述的两个频率不同的三角载波f₁、f₂有序变化规则为：f₁-f₁-f₁-f₂-f₂-f₂且不断循环。

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