CN113037111A - 一种变流器空间矢量调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种变流器空间矢量调制方法，将传统的空间矢量图里特定区域的矢量进行虚拟合成(为论述方便，称为“特定区域矢量虚拟”)，从而实现中点电压和悬浮电容电压的平衡控制，特定区域矢量虚拟相较于全部矢量虚拟，减小了空间矢量调制方法的复杂度并降低了开关损耗。本发明提出特定区域矢量虚拟将影响中点电压平衡的矢量重新进行虚拟合成，且重新定义了部分小区，通过矢量自身的冗余特性，解决了传统空间矢量控制策略下部分区域中点电压不平衡的问题，能够实现全区中点电压和悬浮电容电压的同步控制。同时在中点电压和悬浮电容电压能实现平衡控制的区域采用了传统的空间矢量合成规则，避免了全部采用虚拟空间矢量增加开关次数和开关损耗的问题。

Description

一种变流器空间矢量调制方法
技术领域
本发明涉及变流器的技术领域，特别涉及五电平逆变器领域，具体说是一种ANPC五电平逆变器的空间矢量调制方法。
背景技术
有源中性点箝位型(Active neutral point clamped，ANPC)变换器拓扑有效解决了中点钳位型拓扑开关器件损耗不平衡问题。ANPC五电平变流器凭借着开关器件应力小和输出电流谐波含量小等优势，在高压变频和新能源领域受到广泛的关注。由于悬浮电容的存在，ANPC五电平变流器在运行的过程中不仅要控制中点电压的平衡，还要保证悬浮电容电压的平衡，因此对ANPC五电平变流器中点电压和悬浮电容电压的同步控制研究具有重要的意义。
ANPC五电平逆变器的调制策略中一般使用空间矢量调制和载波调制。国内一些学者通过使用移相载波调制(PS-PWM)，调整了冗余开关状态的作用时间，能够在一个载波周期内更好的平衡悬浮电容电压，但是增加了控制的复杂性。空间矢量调制相比于载波调制具有直流母线电压利用率高、转矩脉动小等优点，并且在悬浮电容电压和中点电压的综合控制方面，空间矢量调制具有更高的灵活性，易于实现。
一些学者在专利中根据三电平逆变器SVPWM控制策略，提出了简化的空间矢量调制方法，该方法通过弃用6个大矢量，重新划分了各个小区，减少了电压矢量和扇区的数量，降低了空间复杂度和计算时间，提高了逆变器的运行效率，但是该方法很难应用在五电平逆变器的空间矢量图中，也难以进行小区的划分和基本矢量的选择，影响输出电压的质量。
为了解决中点电压和悬浮电容电压综合控制的问题，国外学者提出一种改变悬浮电容的充放电来调节中点电压使其相互平衡的方法。当中点电压平衡时，设置相同的悬浮电容电压参考值大致能保证一个周期内悬浮电容电压的充放能量时间相同，即控制悬浮电容电压平衡，当中点电压波动时，动态的调整悬浮电容电压参考值能够完成悬浮电容向中性点传输能量来达到控制中点电压的效果。但是该控制策略悬浮电容电压参考值的选取判断比较复杂，且受外界因素影响较大，输出电流的波动可能会影响该算法的稳定性。
基于传统空间矢量调制(SVPWM)的ANPC五电平变流器控制策略是通过研究影响悬浮电容电压与中点电压的冗余开关状态，来实现中点电压和悬浮电容电压的平衡控制。
图1为三相ANPC五电平变流器拓扑图，该拓扑一共有+2E、+E、0、-E、-2E五种电平等级，由于±E、0电平各具有一个冗余开关状态，因此ANPC五电平变流器的开关状态一共有8种，其对应的开关状态如表1所示。
表1 ANPC五电平开关状态表
Figure BDA0002952123930000021
由表1可知，ANPC五电平变换器输出的E、0和-E状态都分别对应有两种冗余开关状态，每对冗余状态的两种状态对悬浮电容电压的影响相反。而对中点电压和悬浮电容电压有影响的开关状态有六种，分别为P1P、P1N、OP、ON、N1P和N1N。下面对这6种开关状态的电流路径进行具体分析。
电流路径图如图2所示，图2(a)为P1P开关状态下的电流路径图，P1P工作模式下电流流经开关管S1、S5、S8，此时的输出电压等级为E电平，电流只经过了悬浮电容，没有经过中性点，对中点电压没有影响，当电流方向为正时，悬浮电容进行充电，悬浮电容电压升高；当电流方向为负时，悬浮电容进行放电，悬浮电容电压降低。当一些矢量没有相应的冗余矢量进行中点电流抵消的时候，各相在该电平等级时可以使用P1P开关状态来确保不产生中点电流。图2(b)为P1N开关状态下的电流路径图，P1N工作模式下电流流经开关管S3、S6、S7，电流流经中性点和悬浮电容，因此对中点电压、悬浮电容电压都有影响。当电流方向为正时，直流上侧电容C1进行充电，C2进行放电，悬浮电容电压降低；当电流方向为负时，直流上侧电容C1进行放电，C2进行充电，悬浮电容电压升高。图2(c)为OP开关状态下的电流路径图，此时的输出电压等级为0电平，电流只经过了中性点，因此只对中点电压产生影响，电流的方向对中点电压的影响与P1N模式下的效果相同。同理可得N1P状态下对中点电压没有影响，对悬浮电容电压的影响与P1N状态相同；N1N状态和ON状态在相同电流方向下对中点电压的影响与OP状态相同，而N1N状态对悬浮电容电压的影响与P1P状态相同。
在传统五电平空间矢量调制中，一些矢量不仅具有一个或以上的冗余矢量，其矢量自身在各相不同开关状态下对中点电压和悬浮电容电压的影响也不同，因此可以组合成不同的开关序列完成对中点电压和悬浮电容电压的平衡控制。图3为五电平空间矢量图，五电平变流器的基本矢量按照其模长的对应关系，可以分为五层矢量集。以A大区为例，其中第N层矢量集包含N种矢量(N＝1,2,3,4,5)，且第N层的每种矢量都有(5-N)个冗余矢量。为简化矢量控制策略，防止开关状态跳变的过大，常采用中心矢量选择法选取矢量进行开关序列组成。即对应层矢量集中，选取图3(a)每种矢量中间部分的冗余矢量进行开关序列的组合，变流器稳定运行情况下在A1、A2、A3、A4小区也可以按三电平空间矢量进行开关序列选择。
图3中的2、1、0、-1、-2分别代表+2E、+E、0、-E、-2E五种电平等级。经过上述分析，由于ANPC五电平变流器冗余开关状态的存在，使得同一矢量在各相不同开关状态下对中点电压以及悬浮电容电压的影响都是不同的。下面以A大区为例进行说明，其他大区原理类似，表2为部分小区矢量的不同开关对中点电压和悬浮电容电压的影响。
表2不同开关组合对应的中点电流
Figure BDA0002952123930000031
在ANPC五电平变流器传统空间矢量的控制策略中，以冗余矢量V(2-1-1/1-2-2)为例，设负载电流为正。当矢量V(2-1-1)作用时：b、c相悬浮电容选择N1N开关模式，产生的中点电流为-ia；当b、c相悬浮电容选择N1P开关模式，产生的中点电流为0。当矢量V(1-2-2)作用时：当a相悬浮电容选择P1P开关模式，产生的中点电流为0；当a相悬浮电容选择P1N开关模式，产生的中点电流为ia。设两个矢量作用时间都为t，悬浮电容值为Cf，当一个开关周期内V(2-1-1)和V(1-2-2)的作用时间相同且各矢量冗余开关作用时间相同时，悬浮电容电压和中点电流偏移量为：
Figure BDA0002952123930000041
Δi＝inp(2-1-1)+inp(1-2-2)＝0 (2)
其中，inp为中点电流，因此在稳态情况下悬浮电容电压和中点电压都能保持平衡。
从上式可以看出一些小区可以通过自身冗余矢量完成对中点电压和悬浮电容电压的平衡控制。而一些小区中的矢量不具备冗余矢量，例如A10小区中的矢量V(2-1-2)不能通过冗余矢量消除中点电流，但该矢量自身具有不同的开关状态，当选择N1P状态时，矢量V(2-1-2)产生的中点电流为0，就能消除对中点电压的影响。但在A大区内，矢量V(20-2)在每种开关状态组合下产生的中点电流都为ib，且无冗余矢量和冗余状态相互调节而无法实现中点电压平衡控制，在A12、A13、A14区的PWM开关序列中产生的中点电压偏移量：
Figure BDA0002952123930000042
式中t1为V(20-2)作用时间，因此采用现有技术矢量V(20-2)产生的中点电流无法消除，A12、A13、A14小区内中点电压无法实现平衡控制，其他大区类似。
也就是说，现有技术的缺点，每个大区内，使用传统空间矢量调制策略都存在中点电压不能平衡控制的区域，例如A大区里的A12、A13、A14三个小区。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：本发明提出了一种新的空间矢量调制方法，将传统的空间矢量图里特定区域的矢量进行虚拟合成(为论述方便，称为“特定区域矢量虚拟”)，从而实现中点电压和悬浮电容电压的平衡控制，特定区域矢量虚拟相较于全部矢量虚拟，减小了空间矢量调制方法的复杂度并降低了开关损耗。
本发明采用的技术方案为：一种变流器空间矢量调制方法，该方法用于ANPC五电平逆变器，包括：A大区内矢量V(20-2)产生的中点电流为ib，选择产生中点电流为ia的矢量V(11-1)和产生中点电流为ic的矢量V(1-1-1)与V(20-2)参与合成虚拟矢量，设虚拟空间矢量VVSM的由矢量V(1-1-1)、矢量V(11-1)和矢量V(20-2)合成，合成规则如式(4)，
Figure BDA0002952123930000043
则VVSM产生的中点电流为：
Figure BDA0002952123930000051
当输出三相电流和为零时虚拟矢量VVSM对中点电压没有影响，虚拟空间矢量的合成使得原来的A12，A13，A14三个小区被划分成新的三个小区。
进一步地，当参考矢量落在新生成区与A7区重合的区域时，依旧以A7区的最近三矢量合成，当参考矢量位于新的A12，A13，A14小区时，采用虚拟空间矢量VVSM和邻近的两个基本矢量合成，使用上述方法时，就避开了因V(20-2)矢量产生无法抵消的中点电流ib的情况，在A14小区内所用的矢量为V(20-2)、V(11-1)、V(1-1-1)、V(21-1)和V(21-2)，其中矢量V(11-1)和V(1-1-1)分别选择P1P/N1N、P1N/N1P开关状态，所以矢量V(20-2)、V(11-1)、V(1-1-1)产生的中点电流之和为0；矢量V(21-1)、V(21-2)分别选择P1P/N1P、P1P开关状态所对应的中点电流也为0，这样中点电压就能得到有效的控制；而a、c相悬浮电容电压在矢量V(11-1)和V(1-1-1)的充放电作用下能够保证偏移量为0，b相悬浮电容电压也能通过矢量V(11-1)、V(1-1-1)、V(21-1)和V(21-2)的相互调节达到平衡的目的，即通过冗余矢量及矢量本身的冗余开关状态进行充放电完成悬浮电容电压的平衡，也就实现了A大区各小区内中点电压和悬浮电容电压的同步控制。
同理，该虚拟矢量合成方法应用于其他大区。
本发明技术方案带来的有益效果：
本发明所提出的特定区域矢量虚拟将影响中点电压平衡的矢量重新进行虚拟合成，且重新定义了部分小区，通过矢量自身的冗余特性，解决了传统空间矢量控制策略下部分区域中点电压不平衡的问题，能够实现全区中点电压和悬浮电容电压的同步控制。同时在中点电压和悬浮电容电压能实现平衡控制的区域采用了传统的空间矢量合成规则，避免了全部采用虚拟空间矢量增加开关次数和开关损耗的问题。
附图说明
图1为三相ANPC五电平变流器拓扑；
图2为对中点和悬浮电压电压有影响的电流路径图，其中，图2(a)为P1P开关状态电流路径图，图2(b)为P1N开关状态电流路径图，图2(c)为OP开关状态电流路径图，图2(d)为N1P开关状态电流路径图，图2(e)为N1N开关状态电流路径图，图2(f)为ON开关状态电流路径图；
图3为五电平空间矢量图，其中，图3(a)为五电平各大区空间矢量图，图3(b)为A大区空间矢量图；
图4为特定矢量虚拟下A大区改进分区。
具体实施方式
为了解决传统空间矢量调制策略部分区域存在不能实现中点电压和悬浮电压平衡控制，提出了一种新的空间矢量调制方法，将传统的空间矢量图里特定区域的矢量进行虚拟合成，从而实现中点电压和悬浮电容电压的平衡控制。
本发明提供一种变流器空间矢量调制方法，该方法用于ANPC五电平逆变器，具体如下：
因为A大区内矢量V(20-2)产生的中点电流为ib，所以选择产生中点电流为ia的矢量V(11-1)和产生中点电流为ic的矢量V(1-1-1)与V(20-2)参与合成虚拟矢量。
设虚拟空间矢量VVSM的由矢量V(1-1-1)、矢量V(11-1)和矢量V(20-2)合成，合成规则如式(4)，
Figure BDA0002952123930000061
则VVSM产生的中点电流为：
Figure BDA0002952123930000062
因此，当输出三相电流和为零时虚拟矢量VVSM对中点电压没有影响。虚拟空间矢量的合成使得原来的A12，A13，A14三个小区被划分成新的三个小区，A大区新的空间矢量图如图4所示。
当参考矢量落在新生成区与A7区重合的区域时，依旧以A7区的最近三矢量合成。当参考矢量位于新的A12，A13，A14小区时，采用虚拟空间矢量VVSM和邻近的两个基本矢量合成，使用上述方法时，就避开了因V(20-2)矢量产生无法抵消的中点电流ib的情况。例如在A14小区内所用的矢量为V(20-2)、V(11-1)、V(1-1-1)、V(21-1)和V(21-2)，其中矢量V(11-1)和V(1-1-1)分别选择P1P/N1N、P1N/N1P开关状态，所以矢量V(20-2)、V(11-1)、V(1-1-1)产生的中点电流之和为0；矢量V(21-1)、V(21-2)分别选择P1P/N1P、P1P开关状态所对应的中点电流也为0，这样中点电压就能得到有效的控制。而a、c相悬浮电容电压在矢量V(11-1)和V(1-1-1)的充放电作用下能够保证偏移量为0，b相悬浮电容电压也能通过矢量V(11-1)、V(1-1-1)、V(21-1)和V(21-2)的相互调节达到平衡的目的，即通过冗余矢量及矢量本身的冗余开关状态进行充放电完成悬浮电容电压的平衡，也就实现了A大区各小区内中点电压和悬浮电容电压的同步控制。同理，该虚拟矢量合成方法应用于其他大区。

Claims (3)

1.一种变流器空间矢量调制方法，该方法用于ANPC五电平逆变器，其特征在于：包括：A大区内矢量V(20-2)产生的中点电流为ib，选择产生中点电流为ia的矢量V(11-1)和产生中点电流为ic的矢量V(1-1-1)与V(20-2)参与合成虚拟矢量，设虚拟空间矢量VVSM的由矢量V(1-1-1)、矢量V(11-1)和矢量V(20-2)合成，合成规则如式(4)，
Figure FDA0002952123920000011
则VVSM产生的中点电流为：
Figure FDA0002952123920000012
当输出三相电流和为零时虚拟矢量VVSM对中点电压没有影响，虚拟空间矢量的合成使得原来的A12，A13，A14三个小区被划分成新的三个小区。
2.根据权利要求1所述的一种变流器空间矢量调制方法，其特征在于：当参考矢量落在新生成区与A7区重合的区域时，依旧以A7区的最近三矢量合成，当参考矢量位于新的A12，A13，A14小区时，采用虚拟空间矢量VVSM和邻近的两个基本矢量合成，使用上述方法时，就避开了因V(20-2)矢量产生无法抵消的中点电流ib的情况，在A14小区内所用的矢量为V(20-2)、V(11-1)、V(1-1-1)、V(21-1)和V(21-2)，其中矢量V(11-1)和V(1-1-1)分别选择P1P/N1N、P1N/N1P开关状态，所以矢量V(20-2)、V(11-1)、V(1-1-1)产生的中点电流之和为0；矢量V(21-1)、V(21-2)分别选择P1P/N1P、P1P开关状态所对应的中点电流也为0，这样中点电压就能得到有效的控制；而a、c相悬浮电容电压在矢量V(11-1)和V(1-1-1)的充放电作用下能够保证偏移量为0，b相悬浮电容电压也能通过矢量V(11-1)、V(1-1-1)、V(21-1)和V(21-2)的相互调节达到平衡的目的，即通过冗余矢量及矢量本身的冗余开关状态进行充放电完成悬浮电容电压的平衡，也就实现了A大区各小区内中点电压和悬浮电容电压的同步控制。
3.根据权利要求1所述的一种变流器空间矢量调制方法，其特征在于：同理，该虚拟矢量合成方法应用于其他大区。
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