CN113179040A - 三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，涉及电力电子技术领域。包括：选用共模电压小的扇区基础电压矢量参与虚拟矢量的合成，将共模电压进行抑制；采取多种虚拟小矢量构成，使同一区域、相邻小区域及相邻大区域的脉冲序列平滑切换。在以上的基础上，通过实时检测直流侧分压电容端电压值以及负载侧三相电流值来改变虚拟矢量的幅值，进而改变虚拟矢量在一个载波周期内的作用时间，最终实现中点电位平衡和共模电压抑制。本发明由于选取多种虚拟矢量，在实现中点电位平衡和共模电压抑制的同时，还具有开关损耗低的特点。

Description

三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法。

背景技术

受限于目前开关器件电压等级，传统两电平变换器无法满足中、高电压等级电能变换的需求。三电平逆变器采用低压器件实现高压输出，避免了器件直接串联，谐波小、电磁干扰小。广泛应用于高压变频调速、新能源发电、电力系统、电气化交通等领域。

当前主流的三电平逆变器拓扑结构包括二极管箝位型三电平逆变器和T型三电平逆变器。两种拓扑结构原理类似，可采用完全相同的调制策略进行工作。由于直流分压电容的充放电不均衡，三电平逆变器存在中点电位不平衡问题。开关参数、直流母线电容参数的不一致以及死区的加入等等都会影响到中点电位的平衡，中点电位不平衡会导致输出波形畸变，直接影响到逆变器及其电机调速系统的稳定性。

由变换器系统产生的共模电压(CMV)是许多问题的根源之一，如电机传动、电机轴承等的损坏、存在电磁干扰(EMI)、引发破坏性的轴承电流等。如IEEE文献“A Space-VectorModulation Method for Common-Mode Voltage Reduction in Current-SourceConverters”(“一种用于电流源变换器降低共模电压的空间矢量调制方法”——2013年IEEE电力电子会报文集)所述。因此降低逆变器输出的共模电压对延长电机寿命起到了关键性作用。

常用的三相三电平逆变器中点电位平衡和共模电压抑制方法多采用虚拟电压矢量合成法。其中，关于虚拟电压矢量的合成，方法主要包括以下两种：

1)仅使用虚拟电压中矢量V_M，此方法可保持共模电压为零。但是，在直流侧分压电容的端电压存在偏差情形下，不具备中点电位平衡能力。如IEEE文献“New virtual spacevector modulation scheme to eliminate common-mode voltage with balancedneutral-point voltage for three-level NPC Inverters”(“三电平NPC逆变器的平衡中点电位且消除共模电压的新的虚拟空间矢量调制方案”——2017年IEEE亚洲未来能源电子会议)所述。

2)使用虚拟电压中矢量V_M和单一类型虚拟电压小矢量V′_S1，此方法可快速调节中点电位平衡，且共模电压得到了有效的抑制。但是，此方法在实现较强中点电位平衡能力的同时，也带来了开关损耗大的缺陷。如IEEE文献“Balancing control of neutral-pointvoltage for three-level T-type inverter based on hybrid variable virtualspace vector”(“基于混合变量虚拟空间矢量的T型三电平逆变器中点电压平衡控制”——2019年IET Power Electronics)所述。

中国发明专利申请公开说明书CN110112945A于2019年8月9日公开的《三电平逆变器中点电压控制和共模电压抑制的方法及系统》，也即虚拟电压矢量合成中的方法2，是先根据基础电压矢量对中点电位无影响的原则构建了虚拟矢量，而后根据实时检测的直流分压电容和负载侧三相电流值改变虚拟矢量中基础电压矢量的占比；再以虚拟矢量位置将每个大扇区划分为5个小区域，在每个小区域内都采用了非对称式的脉冲序列；最后三电平逆变器按照非对称式的脉冲序列和作用时间进行工作。虽然该方法的中点电位平衡能力相当可观，但也存在着以下的不足：

1)忽视了载波频率远大于基波频率这一必要条件下同一小区域内的脉冲序列会重复作用，从而脉冲序列的尾端到首端的切换会导致两相桥臂的开关状态发生改变，并且桥臂的开关状态切换还存在着状态P到状态N或者状态N到状态P的直接切换，具体详见该专利表3的开关序列，这在很大程度上增加了系统的开关损耗；

2)采用非对称式发波会造成谐波增加，引发电动机、变压器等的出力降低、损耗增加等影响。

发明内容

本发明针对目前三相三电平逆变器共模电压抑制方法存在开关损耗高的问题，提出了一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其目的在于选取多种虚拟矢量，使脉冲序列平滑切换，从而在具备中点电位平衡能力的同时，有效减少三电平逆变器开关管通断次数，降低开关损耗。

本发明的目的是这样实现的。通过选用虚拟电压矢量，在中点电位波动范围小于滞环环宽时，使得每个载波周期内流入或流出中性点的平均电流为零，以限制每个载波周期内中点电位的波动；在中点电位波动范围大于滞环环宽时，通过改变虚拟矢量构成项的作用时间来平衡中点电位。并通过剔除共模电压绝对值超过U_dc/6的原始基础电压矢量，仅保留剩余的19个原始基础电压矢量生成调制策略，达到抑制共模电压的目的。

本发明提供了一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，本发明涉及的系统电路的拓扑结构包括直流源E、直流分压电容C₁、直流分压电容C₂、三相T型三电平逆变器和三相对称式阻感性负载；所述直流分压电容C₁和直流分压电容C₂串联后连接在直流源E的直流正母线与直流负母线之间，其连接点记为直流母线中点D；所述三相T型三电平逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括4个开关管，即三相桥臂共包括12个开关管，将三相桥臂中的任一个桥臂记为桥臂j，将12个开关管中的任一个开关管记为开关管S_ji，j表示三相，即j＝a，b，c，i表示开关管的序号，i＝1，2，3，4；T型三相三电平逆变器的三相桥臂并联在直流正母线与直流负母线之间，三相桥臂的中点分别记为A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C；所述三相对称式阻感性负载的输入端分别与A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C相连接；

所述三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法包括以下步骤：

步骤1、基础电压矢量的设定

步骤1.1，给定直流源E的电压并记为直流侧电压U_dc，并将三相T型三电平逆变器三相桥臂的输出电压记为输出电压u_j，所述输出电压u_j的值等于U_dc/2或0或-U_dc/2；

将输出电压u_j＝U_dc/2时的开关状态记为P、输出电压u_j＝0时的开关状态记为0、输出电压u_j＝-U_dc/2的开关状态记为N，并将A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂对应的开关状态组合记为[G_a，G_b，G_c]；

根据三相T型三电平逆变器三相桥臂的开关状态，得到27个原始基础电压矢量，将27个原始基础电压矢量中的任一个原始基础电压矢量记为原始基础电压矢量V_y，y＝1，2，...，27；

步骤1.2，计算共模电压u_ON，计算式如下：

u_ON＝-(u_a+u_b+u_c)/3

式中，u_a为三相T型三电平逆变器A相桥臂的输出电压，u_b为三相T型三电平逆变器B相桥臂的输出电压，u_c为三相T型三电平逆变器C相桥臂的输出电压；

步骤1.3，根据共模电压u_ON的值进行原始基础电压矢量V_y的分类，具体分为以下四类：

第一类，|u_ON|＝U_dc/2，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，P，P]或[N，N，N]；

第二类，|u_ON|＝U_dc/3，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[0，N，N]或[P，P，O]或[N，0，N]或[0，P，P]或[N，N，0]或[P，O，P]；

第三类，|u_ON|＝U_dc/6，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，0，0]或[0，0，N]或[O，P，0]或[N，0，0]或[0，0，P]或[0，N，0]或[P，N，N]或[P，P，N]或[N，P，N]或[N，P，P]或[N，N，P]或[P，N，P]；

第四类，|u_ON|＝0，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[0，0，0]或[P，0，N]或[0，P，N]或[N，P，0]或[N，0，P]或[0，N，P]或[P，N，0]；

删除第一类和第二类中的8个原始基础电压矢量，保留第三类第四类中的19个原始基础电压矢量V_y参与三相三电平电压型逆变器调制策略的构成，并将该19个原始基础电压矢量记为基础电压矢量V_λ，λ＝0，1，…，18，19个基础电压矢量V_λ对应的开关状态组合如下：V₀[0，0，0]、V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₇[P，0，N]、V₈[0，P，N]、V₉[N，P，0]、V₁₀[N，0，P]、V₁₁[0，N，P]、V₁₂[P，N，0]、V₁₃[P，0，0]、V₁₄[0，0，N]、V₁₅[O，P，0]、V₁₆[N，0，0]、V₁₇[0，0，P]、V₁₈[0，N，0]；

步骤2、空间电压矢量图的建立和扇区划分

步骤2.1，空间电压矢量V^*定义为：

式中的j为虚数部，

和

分别为输出电压u_b和输出电压u_c在复数平面上对应的指数表达式，则每个基础电压矢量V_λ在空间电压矢量图中都有且仅有一个固定的位置，由19个基础电压矢量V_λ共同构成空间电压矢量图；

扇区的具体划分方法如下：以基础电压矢量V₀[0，0，0]为空间电压矢量图的中心点、基础电压矢量V₁[P，N，N]为第一扇区的第一条边，按照沿逆时针方向编号依次增大的方式命名各扇区，各扇区的边界为：基础电压矢量V₁[P，N，N]与基础电压矢量V₂[P，P，N]所夹区域为扇区1；基础电压矢量V₂[P，P，N]与基础电压矢量V₃[N，P，N]所夹区域为扇区2；基础电压矢量V₃[N，P，N]与基础电压矢量V₄[N，P，P]所夹区域为扇区3；基础电压矢量V₄[N，P，P]与基础电压矢量V₅[N，N，P]所夹区域为扇区4；基础电压矢量V₅[N，N，P]与基础电压矢量V₆[P，N，P]所夹区域为扇区5；基础电压矢量V₆[P，N，P]与基础电压矢量V₁[P，N，N]所夹区域为扇区6；

6个扇区中每个扇区涉及的基础电压矢量及排序如下：

扇区1：V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₇[P，O，N]、V₁₃[P，0，0]、V₁₄[0，0，N]；

扇区2：V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₈[0，P，N]、V₁₄[0，0，N]、V₁₅[0，P，0]；

扇区3：V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₉[N，P，0]、V₁₅[0，P，0]、V₁₆[N，0，0]；

扇区4：V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₁₀[N，0，P]、V₁₆[N，0，0]、V₁₇[0，0，P]；

扇区5；V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₁₁[0，N，P]、V₁₇[0，0，P]、V₁₈[0，N，0]；

扇区6；V₆[P，N，P]、V₁[P，N，N]、V₁₂[P，N，0]、V₁₈[0，N，0]、V₁₃[P，0，0]；

记6个扇区中的任意一个扇区为扇区N，N为扇区序号，N＝1，2...6，与扇区N对应的5个基础电压矢量按照其排序分别记为扇区基础电压矢量U_N1、扇区基础电压矢量U_N2、扇区基础电压矢量U_N3、扇区基础电压矢量U_N4、扇区基础电压矢量U_N5；

步骤3、给定三相参考电压U_a，U_b，U_c作为输入信号，满足下式：

式中，m为调制比，t为三相T型三电平逆变器工作时刻，ω为角频率，ω＝2πf，f为基波频率；

步骤4、将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c进行坐标变换及标么化处理，得到三相参考电压U_a，U_v，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h分量

和

并由g、h分量

和

得到参考电压矢量V_ref；

步骤4.1，将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_v，U_c进行三相静止坐标系到两相静止αβ坐标系的变换得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止αβ坐标系下的α、β分量V_α，V_β，并记为参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β：

步骤4.2，规定水平向右为两相静止60°坐标系中g轴的正方向，以逆时针旋转60°方向为两相静止60°坐标系中h轴的正方向，对步骤4.1得到的参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β进行两相静止αβ坐标系到两相静止60°坐标系变换，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的gh轴分量V_β，V_h：

步骤4.3，标么化步骤4.2得到的三相参考电压U_a，U_v，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量V_g，V_h，得到标么化的三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量

并分别记为参考电压矢量g轴分量

参考电压矢量h轴分量

将参考电压矢量g轴分量

和参考电压矢量h轴分量

的合成矢量记为参考电压矢量V_ref；

步骤5、根据参考电压矢量g轴分量

和参考电压矢量h轴分量

判断参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，判断如下：

当

且

时，N＝1；

当

且

且

时，N＝2；

当

且

且

时，N＝3；

当

且

时，N＝4；

当

且

且

时，N＝5；

当

且

且

时，N＝6；

步骤6、根据步骤5得到的参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，将参考电压矢量V_ref顺时针旋转(N-1)×60°，得到参考电压矢量V_ref在扇区N＝1处的参考电压矢量gh轴分量

和

满足下式：

当扇区N＝1时，

当扇区N＝2时，

当扇区N＝3时，

当扇区N＝4时，

当扇区N＝5时，

当扇区N＝6时，

步骤7、实时采样直流分压电容C₁的端电压U_dc1、直流分压电容C₂的端电压U_dc2、T型三相三电平逆变器三相桥臂输出端的三相电流i_a、i_b、i_c，并结合步骤5得到的扇区序号N的值确定扇区基础电压矢量U_N4对应流出直流母线中点D的电流i₁、扇区基础电压矢量U_N5对应流出直流母线中点D的电流i₂、扇区基础电压矢量U_N3对应流出直流母线中点D的电流i：

当N＝1或N＝4时，i₁＝-i_a，i₂＝-i_c，i＝i_b；

当N＝2或N＝5时，i₁＝-i_c，i₂＝-i_b，i＝i_a；

当N＝3或N＝6时，i₁＝-i_b，i₂＝-i_a，i＝i_c；

步骤8、根据以下判断得到第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k：

当U_dc1-U_dc2＞G时，

若i₁≥0，k₁＝p，若i₁＜0，k₁＝q；

若i₂≥0，k₂＝p，若i₂＜0，k₂＝q；

若i≥0，k＝p，若i＜0，k＝q；

当-G≤U_dc1-U_dc2≤G时，k₁＝2/3，k₂＝2/3，k＝2/3；

当U_dc1-U_dc2＜-G时，

若i₁≥0，k₁＝q，若i₁＜0，k₁＝p；

若i₂≥0，k₂＝q，若i₂＜0，k₂＝p；

若i≥0，k＝q，若i＜0，k＝p；

其中，G为电压滞环的环宽；p为幅值最小调整量，p的取值范围为0.5＜p≤2/3；q为幅值最大调整量，q的取值范围为2/3≤q＜1；

步骤9、根据步骤5得到的扇区序号N，步骤8得到的第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k，构建虚拟电压小矢量V′_S1、虚拟电压小矢量V_S1、虚拟电压小矢量V′_S2、虚拟电压小矢量V_S2和虚拟电压中矢量V_M：

V′_S1＝d₁(U_N5+U_N″4)+(1-2d₁)U_N4

V_S1＝(U_N5+U_N″3)/2

V′_S2＝d₂(U_N4+U_N′5)+(1-2d₂)U_N5

V_S2＝(U_N4+U_N′3)/2

V_M＝d(U_N′3+U_N″3)+(1-2d)U_N3

其中，N′＝N+1，当N′＝7时，取N′＝1；N″＝N-1，当N″＝0时，取N′＝6；d₁为虚拟电压小矢量V′_S1的调节比例变量，d₁＝1-k₁，d₂为虚拟电压小矢量V′_S2的调节比例变量，d₂＝1-k₂，d为虚拟电压中矢量V_M的调节比例变量，d＝1-k；

步骤10，将基础电压矢量V₀[0，0，0]所在位置处记为点P₀、并以该点P₀作为所有矢量的起点，在每个扇区内定义7个点：扇区基础电压矢量U_N1端位置处为点P_N1、扇区基础电压矢量U_N2的末端位置处为点P_N2、虚拟电压小矢量V′_S1的末端位置处为点P′_S1、虚拟电压小矢量V_S1的末端位置处为点P_S1、虚拟电压小矢量V′_S2的末端位置处为点P′_S2、虚拟电压小矢量V_S2的末端位置处为点P_S2、虚拟电压中矢量V_M的末端位置处为点P_M；

根据上述点的位置将每个大扇区分为7个小区域，具体情况如下：

将排序为P₀、P′_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域1；

将排序为P₀、P′_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域2；

将排序为P′_S1、P_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域3；

将排序为P′_S2、P_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域4；

将排序为P_S1、P_N1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域5；

将排序为P_S2、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域6；

将排序为P_N1、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域7；

记7个小区域中的任意一个区域为小区域n，n为小区域序号，n＝1，2...7；将小区域n中的三个排序点对应的电压矢量分别记为第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III；

步骤11、判断参考电压矢量V_ref所处的小区域序号n，具体判断如下：

当

且

时，n＝1；

当

且

时，n＝2；

当

且

时，n＝3；

当

且

时，n＝4；

当

且

时，n＝5；

当

且

时，n＝6；

当

且

时，n＝7；

步骤12、在一个载波周期T_s内，将第一电压矢量V_I的作用时间记为作用时间T₁、第二电压矢量V_II的作用时间记为作用时间T₂、第三电压矢量V_III的作用时间记为作用时间T₃，根据参考电压矢量V_ref所处小区域n，确定作用时间T₁、作用时间T₂和作用时间T₃；

当n＝1时，

当n＝2时，

当n＝3时，

当n＝4时，

当n＝5时，

当n＝6时，

当n＝7时，

步骤13、根据步骤10中的第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III确定7个小区域中的扇区基础电压矢量作用的序列G，具体如下：

当n＝1时，

V₀-U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5；

当n＝2时，

V₀-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N4；

当n＝3时，

U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N″4；

当n＝4时，

U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N〞3；

当n＝5时，

U_N″3-U_N1-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N1-U_N″3；

当n＝6时，

U_N″3-U_N4-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N4-U_N″3；

当n＝7时，

U_N″3-U_N1-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N1-U_N″3；

记r为序列G中扇区基础电压矢量的序号，r＝1，2...，11；

步骤14、将步骤13得到的扇区基础电压矢量作用序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间按照其排序记为扇区基础电压矢量作用时间t_r，根据步骤12中的第一电压矢量作用时间T₁、第二电压矢量作用时间T₂、第三电压矢量作用时间T₃，确定序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间，具体如下：

当n＝1时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d₁，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₁)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₁/2，t₇＝dT₃；

当n＝2时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d₂，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₂)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₂/2，t₇＝dT₃；

当n＝3时，t₁＝t₁₁＝T₁d₁/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₃d/2，t₃＝t₉＝T₁(1-2d₁)/2，t₄＝t₈＝T₃(1-2d)/2，t₅＝t₇＝T₁d₁/2+T₂/4，t₆＝T₃d；

当n＝4时，t₁＝t₁₁＝T₃d/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₁d₂/2，t₃＝t₉＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₈＝T₁(1-2d₂)/2，t₅＝t₇＝T₃d/2+T₂/4，t₆＝T₁d₂；

当n＝5时，t₁＝t₉＝T₁/4+T₃d/2，t₂＝t₈＝T₂/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₁/4，t₅＝T₃d；

当n＝6时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/4，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₁/2+T₃d；

当n＝7时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₃d；

T型三相三电平逆变器的三相桥臂根据步骤13确定的扇区基础电压矢量作用序列、步骤14确定的扇区基础电压矢量的作用时间进行发波，实现三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制。

优选地，所述三相桥臂的开关状态P、0、N对应的开关管的具体动作为：

P：开关管S_j1导通，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4关断；

0：开关管S_j1关断，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4导通；

N：开关管S_j1关断，开关管S_j2导通，开关管S_j3关断，开关管S_j4导通。

本发明三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，实现了共模电压的有效抑制，并在参考电压矢量所处的所有小区域序号n内均具备中点电位平衡能力，其有益效果具体体现在：

1、采用虚拟电压矢量构成方式抑制了中点电位的低频振荡问题。

2、采取多种虚拟电压矢量，在快速平衡中点电位的同时，使得作用序列平滑切换，从而降低开关损耗。

3、在小区域序号n＝3，4，5，6，7时，采用对称式序列，减少了谐波的产生。

附图说明

图1为本发明提供的一种三电平中点电位平衡和共模电压抑制方法的仿真实现框图。

图2为本发明实施例中涉及的三相T型三电平逆变器拓扑结构图。

图3为空间电压矢量划分示意图。

图4为扇区序号N＝1下的小区域序号n划分示意图。

图5为本发明实施例的硬件示意图。

图6为本发明和引用的发明在低调制比m＝0.433和高调制比m＝0.866情形下的中点电位平衡能力及中点电位波动对比图。

图7为本发明和引用的发明在调制比m＝0.8情形下的共模电压对比图。

图8为本发明和引用的发明的THD值随调制比m逐渐增大的变化折线图。

图9为本发明和引用的发明在调制比m＝0.1，0.3，0.5，0.7，0.9情形下的平均开关频率图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的方法进行清楚、完整的描述。

图5是T型三电平逆变器中点电位平衡及共模电压抑制方法的实施例硬件示意图。实施例选用了DSP+FPGA平台来实现。其中，DSP型号为TMS320F28335，FPGA型号为EP2C20F48418N。由DSP产生参考电压矢量V_ref的g轴分量

h轴分量

以地址XA＝0传递g轴分量

以地址XA＝1传递h轴分量

通过16位数据总线XD[15∶0]传送给FPGA，并由外部接口写信号

或外部接口区域选通信号

触发FPGA获取数据。而后在FPGA中完成扇区序号N、小区域序号n和序列G中扇区基础电压矢量的序号r的获取，采样电路最终产生12路控制信号PWM1，PWM2，…，PWM12，经过驱动电路控制T型三电平逆变桥工作。

图2为本发明涉及的系统电路的拓扑结构，由图2可见，包括直流源E、直流分压电容C₁、直流分压电容C₂、三相T型三电平逆变器和三相对称式阻感性负载；所述直流分压电容C₁和直流分压电容C₂串联后连接在直流源E的直流正母线与直流负母线之间，其连接点记为直流母线中点D。所述三相T型三电平逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括4个开关管，即三相桥臂共包括12个开关管，将三相桥臂中的任一个桥臂记为桥臂j，将12个开关管中的任一个开关管记为开关管S_ji，j表示三相，即j＝a，b，c，i表示开关管的序号，i＝1，2，3，4。T型三相三电平逆变器的三相桥臂并联在直流正母线与直流负母线之间，三相桥臂的中点分别记为A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C；所述三相对称式阻感性负载的输入端分别与A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C相连接。图2中的Y为直流正母线，Z为直流负母线。

具体的，在T型三相三电平逆变器中，所述A相桥臂由开关管S_a1、开关管S_a2、开关管S_a3、开关管S_a4构成，其中，开关管S_a1的一端与直流正母线Y相接，另一端与开关管S_a2串联，其连接点记为A相桥臂中点A，开关管S_a2的另一端接直流负母线Z，开关管S_a3的一端接在直流正母线Y与直流母线中点D之间，另一端与开关管S_a4串联，开关管S_a4的另一端接A相桥臂中点A；所述B相桥臂由开关管S_b1、开关管S_b2、开关管S_b3、开关管S_b4构成，其中，开关管S_b1的一端与直流正母线Y相接，另一端与开关管S_b2串联，其连接点记为B相桥臂中点B，开关管S_b2的另一端接直流负母线Z，开关管S_b3的一端接直流母线中点D，另一端与开关管S_b4串联，开关管S_b4的另一端接B相桥臂中点B；开关管S_c1的一端与直流正母线Y相接，另一端与开关管S_c2串联，其连接点记为C相桥臂中点C，开关管S_c2的另一端接直流负母线Z，开关管S_c3的一端接在直流正母线Y与直流母线中点D之间，另一端与开关管S_c4串联，开关管S_c4的另一端接C相桥臂中点C。

具体的，所述三相对称式阻感性负载包括三相负载电阻R和三相负载电感L，其中，三相负载电阻R的A相输入端、B相输入端、C相输入端分别连接A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C，三相负载电阻R的输出端串联三相负载电感L，三相负载电感的三相输出端连接在一起并将其接点记为负载中性点F。

本发明实施例中的三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法包括以下步骤：

步骤1、基础电压矢量的设定

步骤1.1，给定直流源E的电压并记为直流侧电压U_dc，并将三相T型三电平逆变器三相桥臂的输出电压记为输出电压u_j，所述输出电压u_j的值等于U_dc/2或0或-U_dc/2。

将输出电压u_j＝U_bc/2时的开关状态记为P、输出电压u_j＝0时的开关状态记为0、输出电压u_j＝-U_dc/2的开关状态记为N，并将A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂对应的开关状态组合记为[G_a，G_b，G_c]。

所述三相桥臂的开关状态P、0、N对应的开关管的具体动作为：

P：开关管S_j1导通，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4关断；

0：开关管S_j1关断，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4导通；

N：开关管S_j1关断，开关管S_j2导通，开关管S_j3关断，开关管S_j4导通。

根据三相T型三电平逆变器三相桥臂的开关状态，得到27个原始基础电压矢量，将27个原始基础电压矢量中的任一个原始基础电压矢量记为原始基础电压矢量V_y，y＝1，2，...，27。

步骤1.2，计算共模电压u_ON，计算式如下：

u_ON＝-(u_a+u_b+u_c)/3

式中，u_a为三相T型三电平逆变器A相桥臂的输出电压，u_b为三相T型三电平逆变器B相桥臂的输出电压，u_c为三相T型三电平逆变器C相桥臂的输出电压。

步骤1.3，根据共模电压u_ON的值进行原始基础电压矢量V_y的分类，具体分为以下四类：

第一类，|u_ON|＝U_dc/2，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，P，P]或[N，N，N]；

第二类，|u_ON|＝U_dc/3，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[0，N，N]或[P，P，O]或[N，0，N]或[0，P，P]或[N，N，0]或[P，O，P]；

第三类，|u_ON|＝U_dc/6，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，0，0]或[0，0，N]或[0，P，0]或[N，0，0]或[0，0，P]或[0，N，0]或[P，N，N]或[P，P，N]或[N，P，N]或[N，P，P]或[N，N，P]或[P，N，P]；

第四类，|u_ON|＝0，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[0，0，0]或[P，0，N]或[0，P，N]或[N，P，0]或[N，0，P]或[0，N，P]或[P，N，0]。

删除第一类和第二类中的8个原始基础电压矢量，保留第三类第四类中的19个原始基础电压矢量V_y参与三相三电平电压型逆变器调制策略的构成，并将该19个原始基础电压矢量记为基础电压矢量V_λ，λ＝0，1，…，18，19个基础电压矢量V_λ对应的开关状态组合如下：V₀[0，0，0]、V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₇[P，0，N]、V₈[0，P，N]、V₉[N，P，0]、V₁₀[N，0，P]、V₁₁[0，N，P]、V₁₂[P，N，0]、V₁₃[P，0，0]、V₁₄[0，0，N]、V₁₅[0，P，0]、V₁₆[N，0，0]、V₁₇[0，0，P]、V₁₈[0，N，0]。

在本实施例中，基础电压矢量V_λ，λ＝0，1，…，18由FPGA采用数值的方式进行存储。将开关状态P用数字2表示，开关状态0用数字1表示，开关状态N用数字0表示。则开关状态组合[G_a，G_b，G_c]中的G_a、G_b、G_c依次对应到十进制数下的百位、十位、个位。

步骤2、空间电压矢量图的建立和扇区划分

步骤2.1，空间电压矢量V^*定义为：

式中的j为虚数部，

和

分别为输出电压u_b和输出电压u_c在复数平面上对应的指数表达式，则每个基础电压矢量V_λ在空间电压矢量图中都有且仅有一个固定的位置，由19个基础电压矢量V_λ共同构成空间电压矢量图。具体划分情况见图3。

扇区的具体划分方法如下：以基础电压矢量V₀[0，0，0]为空间电压矢量图的中心点、基础电压矢量V₁[P，N，N]为第一扇区的第一条边，按照沿逆时针方向编号依次增大的方式命名各扇区，各扇区的边界为：基础电压矢量V₁[P，N，N]与基础电压矢量V₂[P，P，N]所夹区域为扇区1；基础电压矢量V₂[P，P，N]与基础电压矢量V₃[N，P，N]所夹区域为扇区2；基础电压矢量V₃[N，P，N]与基础电压矢量V₄[N，P，P]所夹区域为扇区3；基础电压矢量V₄[N，P，P]与基础电压矢量V₅[N，N，P]所夹区域为扇区4；基础电压矢量V₅[N，N，P]与基础电压矢量V₆[P，N，P]所夹区域为扇区5；基础电压矢量V₆[P，N，P]与基础电压矢量V₁[P，N，N]所夹区域为扇区6。

6个扇区中每个扇区涉及的基础电压矢量及排序如下：

扇区1：V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₇[P，0，N]、V₁₃[P，0，0]、V₁₄[0，0，N]；

扇区2：V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₈[0，P，N]、V₁₄[O，0，N]、V₁₅[0，P，0]；

扇区3：V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₉[N，P，O]、V₁₅[0，P，0]、V₁₆[N，0，0]；

扇区4：V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₁₀[N，0，P]、V₁₆[N，0，0]、V₁₇[0，0，P]；

扇区5；V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₁₁[0，N，P]、V₁₇[0，0，P]、V₁₈[0，N，0]；

扇区6；V₆[P，N，P]、V₁[P，N，N]、V₁₂[P，N，0]、V₁₈[0，N，0]、V₁₃[P，0，O]；

记6个扇区中的任意一个扇区为扇区N，N为扇区序号，N＝1，2...6，与扇区N对应的5个基础电压矢量按照其排序分别记为扇区基础电压矢量U_N1、扇区基础电压矢量U_N2、扇区基础电压矢量U_N3、扇区基础电压矢量U_N4、扇区基础电压矢量U_N5。

在本实施例的FPGA中，为扇区序号N分配存储空间。

步骤3、给定三相参考电压U_a，U_b，U_c作为输入信号，满足下式：

式中，m为调制比，t为三相T型三电平逆变器工作时刻，ω为角频率，ω＝2πf，f为基波频率。

本实施例中，使用DSP产生三相参考电压U_a，U_b，U_c。综合考虑直流侧电压U_dc的利用率和总谐波畸变率，选取m＝0.8。频率f与电网基波频率相同，取50Hz，对应角频率ω＝100π。三相参考电压U_a，U_v，U_c使用在中断函数中读取数组的方式获取，其中，中断函数用于控制三相参考电压U_a，U_b，U_c的更新，为了便于计算，本实施例在一个周期中使用360个离散数据，对应定时器中断的频率为18kHz，即每次中断更新一次数据，更新360次数据恰好用时一个周期。

步骤4、将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c进行坐标变换及标么化处理，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h分量

和

并由g、h分量

和

得到参考电压矢量V_ref。

步骤4.1，将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c进行三相静止坐标系到两相静止αβ坐标系的变换得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止αβ坐标系下的α、β分量V_α，V_β，并记为参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β：

步骤4.2，规定水平向右为两相静止60°坐标系中g轴的正方向，以逆时针旋转60°方向为两相静止60°坐标系中h轴的正方向，对步骤4.1得到的参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β进行两相静止αβ坐标系到两相静止60°坐标系变换，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的gh轴分量V_g，V_h：

步骤4.3，标么化步骤4.2得到的三相参考电压U_a，U_v，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量V_g，V_h，得到标么化的三相参考电压U_a，U_n，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量

并分别记为参考电压矢量g轴分量

参考电压矢量h轴分量

将参考电压矢量g轴分量

和参考电压矢量h轴分量

的合成矢量记为参考电压矢量V_ref。

本实施例在DSP中断服务子函数中完成步骤4的计算。由于DSP向FPGA传输的是数据必须为整型，本实施例将步骤4计算得到的数值经过放大并取整后，再向FPGA中传输。

步骤5、根据参考电压矢量g轴分量

和参考电压矢量h轴分量

判断参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，判断如下：

当

且

时，N＝1；

当

且

且

时，N＝2；

当

且

且

时，N＝3；

当

且

时，N＝4；

当

且

且

时，N＝5；

当

且

且

时，N＝6。

在本实施例中，由FPGA接收到DSP传输的数据，并按照步骤5判断得到扇区序号N。

步骤6、根据步骤5得到的参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，将参考电压矢量V_ref顺时针旋转(N-1)×60°，得到参考电压矢量V_ref在扇区N＝1处的参考电压矢量g、h轴分量

和

满足下式：

当扇区N＝1时，

当扇区N＝2时，

当扇区N＝3时，

当扇区N＝4时，

当扇区N＝5时，

当扇区N＝6时，

在本实施例中，由FPGA完成步骤6。

步骤7、实时采样直流分压电容C₁的端电压U_dc1、直流分压电容C₂的端电压U_dc2、T型三相三电平逆变器三相桥臂输出端的三相电流i_a、i_b、i_c，并结合步骤5得到的扇区序号N的值确定扇区基础电压矢量U_N4对应流出直流母线中点D的电流i₁、扇区基础电压矢量U_N5对应流出直流母线中点D的电流i₂、扇区基础电压矢量U_N3对应流出直流母线中点D的电流i：

当N＝1或N＝4时，i₁＝-i_a，i₂＝-i_c，i＝i_b；

当N＝2或N＝5时，i₁＝-i_c，i₂＝-i_b，i＝i_a；

当N＝3或N＝6时，i₁＝-i_b，i₂＝-i_a，i＝i_c。

在本实施例中，使用FPGA获取电压电流采样模块得到的直流分压电容C₁的端电压U_dc1、直流分压电容C₂的端电压U_dc2、T型三相三电平逆变器三相桥臂输出端的三相电流i_a、i_b、i_c，并由FPGA完成步骤7。

步骤8、根据以下判断得到第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k：

当U_dc1-U_dc2＞G时，

若i₁≥0，k₁＝p，若i₁＜0，k₁＝q；

若i₂≥0，k₂＝p，若i₂＜0，k₂＝q；

若i≥0，k＝p，若i＜0，k＝q；

当-G≤U_dc1-U_dc2≤G时，k₁＝2/3，k₂＝2/3，k＝2/3；

当U_dc1-U_dc2＜-G时，

若i₁≥0，k₁＝q，若i₁＜0，k₁＝p；

若i₂≥0，k₂＝q，若i₂＜0，k₂＝p；

若i≥0，k＝q，若i＜0，k＝p。

其中，G为电压滞环的环宽；p为幅值最小调整量，p的取值范围为0.5＜p≤2/3；q为幅值最大调整量，q的取值范围为2/3≤q＜1。

幅值最小调整量p取值越小或幅值最大调整量q取值越大，对应的中点电位平衡能力越强，本实施例中，取幅值最小调整量p和幅值最大调整量q分别为0.52和0.98。

步骤9、根据步骤5得到的扇区序号N，步骤8得到的第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k，构建虚拟电压小矢量V′_S1、虚拟电压小矢量V_S1、虚拟电压小矢量V′_S2、虚拟电压小矢量V_S2和虚拟电压中矢量V_M：

V′_S1＝d₁(U_N5+U_N″4)+(1-2d₁)U_N4

V_S1＝(U_N5+U_N″3)/2

V′_S2＝d₂(U_N4+U_N′5)+(1-2d₂)U_N5

V_S2＝(U_N4+U_N′3)/2

V_M＝d(U_N′3+U_N″3)+(1-2d)U_N3

其中，N′＝N+1，当N′＝7时，取N′＝1；N″＝N-1，当N″＝0时，取N′＝6；d₁为虚拟电压小矢量V′_S1的调节比例变量，d₁＝1-k₁，d₂为虚拟电压小矢量V′_S2的调节比例变量，d₂＝1-k₂，d为虚拟电压中矢量V_M的调节比例变量，d＝1-k。

在本实施例的FPGA中计算得到虚拟电压小矢量V′_S1的调节比例变量d₁，虚拟电压小矢量V′_S2的调节比例变量d₂，虚拟电压中矢量V_M的调节比例变量d。

步骤10，将基础电压矢量V₀[0，0，0]所在位置处记为点P₀、并以该点P₀作为所有矢量的起点，在每个扇区内定义7个点：扇区基础电压矢量U_N1端位置处为点P_N1、扇区基础电压矢量U_N2的末端位置处为点P_N2、虚拟电压小矢量V′_S1为所有矢量的起点，在每个扇区内定义7个点：扇区基础电压矢量U_N1端位置处为点P_N1、扇区基础电压矢量U_N2的末端位置处为点P_N2、虚拟电压小矢量V′_S1的末端位置处为点P′_S1、虚拟电压小矢量V_S1的末端位置处为点P_S1、虚拟电压小矢量V′_S2的末端位置处为点P′_S2、虚拟电压小矢量V_S2的末端位置处为点P_S2、虚拟电压中矢量V_M的末端位置处为点P_M。

根据上述点的位置将每个大扇区分为7个小区域，具体情况如下：

将排序为P₀、P′_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域1；

将排序为P₀、P′_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域2；

将排序为P′_S1、P_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域3；

将排序为P′_S2、P_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域4；

将排序为P_S1、P_N1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域5；

将排序为P_S2、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域6；

将排序为P_N1、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域7。

记7个小区域中的任意一个区域为小区域n，n为小区域序号，n＝1，2...7；将小区域n中的三个排序点对应的电压矢量分别记为第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III。

图4为扇区序号N＝1下的小区域序号n划分示意图。由该图可见各个小区域的组成状态。

在本实施例的FPGA中，为小区域序号n分配存储空间。

步骤11、判断参考电压矢量V_ref所处的小区域序号n，具体判断如下：

当

且

时，n＝1；

当

且

时，n＝2；

当

且

时，n＝3；

当

且

时，n＝4；

当

且

时，n＝5；

当

且

时，n＝6；

当

且

时，n＝7；

在本实施例的FPGA中完成步骤11。

步骤12、在一个载波周期T_s内，将第一电压矢量V_I的作用时间记为作用时间T₁、第二电压矢量V_II的作用时间记为作用时间T₂、第三电压矢量V_III的作用时间记为作用时间T₃，根据参考电压矢量V_ref所处小区域n，确定作用时间T₁、作用时间T₂和作用时间T₃；

当n＝1时，

V_I＝V₀，

V_II＝V′_S1，

V_III＝V_M，

当n＝2时，

V_I＝V₀，

V_II＝V′_S2，

V_III＝V_M，

当n＝3时，

V_I＝V′_S1，

V_II＝V_S1，

V_III＝V_M，

当n＝4时，

V_I＝V′_S2，

V_II＝V_S2，

V_III＝V_M，

当n＝5时，

V_I＝V_S1，

V_II＝U_N1，

V_III＝V_M，

当n＝6时，

V_I＝V_s2，

V_II＝U_N2，

V_III＝V_M，

当n＝7时，

V_I＝U_N1，

V_II＝U_N2，

V_III＝V_M，

在本实施例的FPGA中完成作用时间T₁、作用时间T₂和作用时间T₃的计算。

步骤13、根据步骤10中的第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III确定7个小区域中的扇区基础电压矢量作用的序列G，具体如下：

当n＝1时，

V₀-U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5；

当n＝2时，

V₀-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N4；

当n＝3时，

U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N″4；

当n＝4时，

U_N〞3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3；

当n＝5时，

U_N〞3-U_N1-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N1-U_N″3；

当n＝6时，

U_N〞3-U_N4-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N4-U_N″3；

当n＝7时，

U_N″3-U_N1-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N1-U_N″3。

记r为序列G中扇区基础电压矢量的序号，r＝1，2...，11。

在本实施例的FPGA中，初始化所有扇区序号N、小区域序号n、序列G中扇区基础电压矢量的序号r下的扇区基础电压矢量。

步骤14、将步骤13得到的扇区基础电压矢量作用序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间按照其排序记为扇区基础电压矢量作用时间t_r，根据步骤12中的第一电压矢量作用时间T₁、第二电压矢量作用时间T₂、第三电压矢量作用时间T₃，确定序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间，具体如下：

当n＝1时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d₁，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₁)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₁/2，t₇＝dT₃；

当n＝2时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d2_，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₂)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₂/2，t₇＝dT₃；

当n＝3时，t₁＝t₁₁＝T₁d₁/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₃d/2，t₃＝t₉＝T₁(1-2d₁)/2，t₄＝t₈＝T₃(1-2d)/2，t₅＝t₇＝T₁d₁/2+T₂/4，t₆＝T₃d；

当n＝4时，t₁＝t₁₁＝T₃d/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₁d₂/2，t₃＝t₉＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₈＝T₁(1-2d₂)/2，t₅＝t₇＝T₃d/2+T₂/4，t₆＝T₁d₂；

当n＝5时，t₁＝t₉＝T₁/4+T₃d/2，t₂＝t₈＝T₂/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₁/4，t₅＝T₃d；

当n＝6时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/4，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₁/2+T₃d；

当n＝7时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₃d。

T型三相三电平逆变器的三相桥臂根据步骤13确定的扇区基础电压矢量作用序列、步骤14确定的扇区基础电压矢量的作用时间进行发波，实现三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制。

为了验证本发明的有效性，使用MATLAB/Simulink软件对本发明进行了仿真验证。图1为本发明提供的一种三电平中点电位平衡和共模电压抑制方法的仿真实现框图。由坐标变换及标么化处理模块、中点电位平衡调节模块、调制策略生成模块、T型三电平逆变器、负载构成。仿真参数为：直流侧电压U_dc＝600V，直流分压电容C₁＝4.7mF，直流分压电容C₂＝4.7mF，载波周期T_s＝1/6000s，频率f＝50Hz，三相负载电阻R＝6Ω，三相负载电感L＝15mH。

图6为三相T型三电平逆变器分别工作在低调制比m＝0.433和高调制比m＝0.866情形下的中点电位平衡能力及中点电位波动图，其中，横坐标为时间t/s；纵坐标为直流分压电容C₁的端电压U_dc1、直流分压电容C₂的端电压U_dc2的偏差ΔU，ΔU＝U_dc1-U_dc2，单位为V。仿真初始时刻设定ΔU为40V，在低调制比m＝0.433时，引用的发明方法在0.124s时进入平衡状态，随后本发明方法在0.128s时到达平衡状态；在调制比m＝0.866时，本发明的中点电位平衡能力也稍显不足。但是，中点电位平衡后，本发明的中点电位的波动比引用的发明的波动要小。

图7为本发明和引用的发明在调制比m＝0.8情形下的共模电压对比图，图的横坐标为时间轴t/s，纵坐标为共模电压u_ON，单位为V。两发明采用的方法均可将共模电压抑制在±100V范围内。

图8为本发明和引用的发明的THD值随调制比m逐渐增大的变化折线图。其中THD值表示A相电流i_a的总谐波畸变率，在初始中点电位偏差为零的情况下，设定仿真时间为5s，选定THD检测起始点为2s，检测周期为100个。本发明的THD值在调制比m小于0.1和调制比m介于数值0.7和0.85之间时，较引用的发明高0.3％左右。但是，在其它调制比区域，本发明较引用的发明要低0.5％左右。总体上看，本发明的THD值明显优于引用的发明。

图9为本发明和引用的发明在调制比m＝0.1，0.3，0.5，0.7，0.9情形下的平均开关频率图。通过计算时间间隔0.02s下的开关管S_ji的总切换次数，记为平均开关频率，来间接反映开关损耗。本发明较引用的发明在调制比m小于0.5时损耗大致相同，但是在调制比m大于0.5时，本发明的平均开关频率明显要小500以上。表明本发明的开关损耗较引用的发明在开关损耗方面明显降低。

所述引用的发明为《三电平逆变器中点电压控制和共模电压抑制的方法及系统》(CN110112945A)。

Claims (2)

1.一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其特征在于，本发明涉及的系统电路的拓扑结构包括直流源E、直流分压电容C₁、直流分压电容C₂、三相T型三电平逆变器和三相对称式阻感性负载；所述直流分压电容C₁和直流分压电容C₂串联后连接在直流源E的直流正母线与直流负母线之间，其连接点记为直流母线中点D；所述三相T型三电平逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括4个开关管，即三相桥臂共包括12个开关管，将三相桥臂中的任一个桥臂记为桥臂j，将12个开关管中的任一个开关管记为开关管S_ji，j表示三相，即j＝a，b，c，i表示开关管的序号，i＝1，2，3，4；T型三相三电平逆变器的三相桥臂并联在直流正母线与直流负母线之间，三相桥臂的中点分别记为A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C；所述三相对称式阻感性负载的输入端分别与A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C相连接；

所述三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法包括以下步骤：

步骤1、基础电压矢量的设定

步骤1.1，给定直流源E的电压并记为直流侧电压U_dc，并将三相T型三电平逆变器三相桥臂的输出电压记为输出电压u_j，所述输出电压u_j的值等于U_dc/2或0或-U_dc/2；

将输出电压u_j＝U_dc/2时的开关状态记为P、输出电压u_j＝0时的开关状态记为0、输出电压u_j＝-U_dc/2的开关状态记为N，并将A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂对应的开关状态组合记为[G_a，G_b，G_c]；

根据三相T型三电平逆变器三相桥臂的开关状态，得到27个原始基础电压矢量，将27个原始基础电压矢量中的任一个原始基础电压矢量记为原始基础电压矢量V_y，y＝1，2，...，27；

步骤1.2，计算共模电压u_ON，计算式如下：

u_ON＝-(u_a+u_b+u_c)/3

式中，u_a为三相T型三电平逆变器A相桥臂的输出电压，u_b为三相T型三电平逆变器B相桥臂的输出电压，u_c为三相T型三电平逆变器C相桥臂的输出电压；

步骤1.3，根据共模电压u_ON的值进行原始基础电压矢量V_y的分类，具体分为以下四类：

第一类，|u_ON|＝U_dc/2，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，P，P]或[N，N，N]；

第二类，|u_ON|＝U_dc/3，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[O，N，N]或[P，P，O]或[N，O，N]或[O，P，P]或[N，N，O]或[P，O，P]；

第三类，|u_ON|＝U_dc/6，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，O，O]或[O，O，N]或[O，P，O]或[N，O，O]或[O，O，P]或[O，N，O]或[P，N，N]或[P，P，N]或[N，P，N]或[N，P，P]或[N，N，P]或[P，N，P]；

第四类，|u_ON|＝0，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[O，O，O]或[P，O，N]或[O，P，N]或[N，P，O]或[N，O，P]或[O，N，P]或[P，N，O]；

删除第一类和第二类中的8个原始基础电压矢量，保留第三类第四类中的19个原始基础电压矢量V_y参与三相三电平电压型逆变器调制策略的构成，并将该19个原始基础电压矢量记为基础电压矢量V_λ，λ＝0，1，…，18，19个基础电压矢量V_λ对应的开关状态组合如下：V₀[O，O，O]、V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₇[P，O，N]、V₈[O，P，N]、V₉[N，P，0]、V₁₀[N，O，P]、V₁₁[O，N，P]、V₁₂[P，N，O]、V₁₃[P，O，O]、V₁₄[O，O，N]、V₁₅[O，P，O]、V₁₆[N，O，O]、V₁₇[O，O，P]、V₁₈[O，N，O]；

步骤2、空间电压矢量图的建立和扇区划分

步骤2.1，空间电压矢量V^*定义为：

式中的j为虚数部，

和

分别为输出电压u_b和输出电压u_c在复数平面上对应的指数表达式，则每个基础电压矢量V_λ在空间电压矢量图中都有且仅有一个固定的位置，由19个基础电压矢量V_λ共同构成空间电压矢量图；

扇区的具体划分方法如下：以基础电压矢量V₀[O，O，O]为空间电压矢量图的中心点、基础电压矢量V₁[P，N，N]为第一扇区的第一条边，按照沿逆时针方向编号依次增大的方式命名各扇区，各扇区的边界为：基础电压矢量V₁[P，N，N]与基础电压矢量V₂[P，P，N]所夹区域为扇区1；基础电压矢量V₂[P，P，N]与基础电压矢量V₃[N，P，N]所夹区域为扇区2；基础电压矢量V₃[N，P，N]与基础电压矢量V₄[N，P，P]所夹区域为扇区3；基础电压矢量V₄[N，P，P]与基础电压矢量V₅[N，N，P]所夹区域为扇区4；基础电压矢量V₅[N，N，P]与基础电压矢量V₆[P，N，P]所夹区域为扇区5；基础电压矢量V₆[P，N，P]与基础电压矢量V₁[P，N，N]所夹区域为扇区6；

6个扇区中每个扇区涉及的基础电压矢量及排序如下：

扇区1：V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₇[P，O，N]、V₁₃[P，O，O]、V₁₄[O，O，N]；

扇区2：V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₈[O，P，N]、V₁₄[O，O，N]、V₁₅[O，P，O]；

扇区3：V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₉[N，P，O]、V₁₅[O，P，O]、V₁₆[N，O，O]；

扇区4：V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₁₀[N，O，P]、V₁₆[N，O，O]、V₁₇[O，O，P]；

扇区5；V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₁₁[O，N，P]、V₁₇[O，O，P]、V₁₈[O，N，O]；

扇区6；V₆[P，N，P]、V₁[P，N，N]、V₁₂[P，N，0]、V₁₈[O，N，O]、V₁₃[P，O，O]；

记6个扇区中的任意一个扇区为扇区N，N为扇区序号，N＝1，2...6，与扇区N对应的5个基础电压矢量按照其排序分别记为扇区基础电压矢量U_N1、扇区基础电压矢量U_N2、扇区基础电压矢量U_N3、扇区基础电压矢量U_N4、扇区基础电压矢量U_N5；

步骤3、给定三相参考电压U_a，U_b，U_c作为输入信号，满足下式：

式中，m为调制比，t为三相T型三电平逆变器工作时刻，ω为角频率，ω＝2πf，f为基波频率；

步骤4、将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c进行坐标变换及标么化处理，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h分量

和

并由g、h分量

和

得到参考电压矢量V_ref；

步骤4.1，将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c进行三相静止坐标系到两相静止αβ坐标系的变换，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止αβ坐标系下的α、β分量V_α，V_β，并记为参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β：

步骤4.2，规定水平向右为两相静止60°坐标系中g轴的正方向，以逆时针旋转60°方向为两相静止60°坐标系中h轴的正方向，对步骤4.1得到的参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β进行两相静止αβ坐标系到两相静止60°坐标系变换，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的gh轴分量V_g，V_h：

步骤4.3，标么化步骤4.2得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量V_g，V_h，得到标么化的三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量

并分别记为参考电压矢量g轴分量

参考电压矢量h轴分量

将参考电压矢量g轴分量

和参考电压矢量h轴分量

的合成矢量记为参考电压矢量V_ref；

步骤5、根据参考电压矢量g轴分量

和参考电压矢量h轴分量

判断参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，判断如下：

当

且

时，N＝1；

当

且

且

对，N＝2；

当

且

且

时，N＝3；

当

且

时，N＝4；

当

且

且

时，N＝5；

当

且

且

时，N＝6；

步骤6、根据步骤5得到的参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，将参考电压矢量V_ref顺时针旋转(N-1)×60°，得到参考电压矢量V_ref在扇区N＝1处的参考电压矢量gh轴分量

和

满足下式：

当扇区N＝1时，

当扇区N＝2时，

当扇区N＝3时，

当扇区N＝4时，

当扇区N＝5时，

当扇区N＝6时，

步骤7、实时采样直流分压电容C₁的端电压U_dc1、直流分压电容C₂的端电压U_dc2、T型三相三电平逆变器三相桥臂输出端的三相电流i_a、i_b、i_c，并结合步骤5得到的扇区序号N的值确定扇区基础电压矢量U_N4对应流出直流母线中点D的电流i₁、扇区基础电压矢量U_N5对应流出直流母线中点D的电流i₂、扇区基础电压矢量U_N3对应流出直流母线中点D的电流i：

当N＝1或N＝4时，i₁＝-i_a，i₂＝-i_c，i＝i_b；

当N＝2或N＝5时，i₁＝-i_c，i₂＝-i_b，i＝i_a；

当N＝3或N＝6时，i₁＝-i_b，i₂＝-i_a，i＝i_c；

步骤8、根据以下判断得到第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k：

当U_dc1-U_dc2＞G时，

若i₁≥0，k₁＝p，若i₁＜0，k₁＝q；

若i₂≥0，k₂＝p，若i₂＜0，k₂＝q；

若i≥0，k＝p，若i＜0，k＝q；

当-G≤U_dc1-U_dc2≤G时，k₁＝2/3，k₂＝2/3，k＝2/3；

当U_dc1-U_dc2＜-G时，

若i₁≥0，k₁＝q，若i₁＜0，k₁＝p；

若i₂≥0，k₂＝q，若i₂＜0，k₂＝p；

若i≥0，k＝q，若i＜0，k＝p；

其中，G为电压滞环的环宽；p为幅值最小调整量，p的取值范围为0.5＜p≤2/3；q为幅值最大调整量，q的取值范围为2/3≤q＜1；

步骤9、根据步骤5得到的扇区序号N，步骤8得到的第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k，构建虚拟电压小矢量V′_S1、虚拟电压小矢量V_S1、虚拟电压小矢量V′_S2、虚拟电压小矢量V_S2和虚拟电压中矢量V_M：

V′_S1＝d₁(U_N5+U_N″4)+(1-2d₁)U_N4

V_s1＝(U_N5+U_N″3)/2

V′_S2＝d₂(U_N4+U_N′5)+(1-2d₂)U_N5

v_S2＝(U_N4+U_N′3)/2

V_M＝d(U_N′3+U_N″3)+(1-2d)U_N3

其中，N′＝N+1，当N′＝7时，取N′＝1；N″＝N-1，当N″＝0时，取N′＝6；d₁为虚拟电压小矢量V′_S1的调节比例变量，d₁＝1-k₁，d₂为虚拟电压小矢量V′_S2的调节比例变量，d₂＝1-k₂，d为虚拟电压中矢量V_M的调节比例变量，d＝1-k；

步骤10，将基础电压矢量V₀[O，O，O]所在位置处记为点P₀、并以该点P₀作为所有矢量的起点，在每个扇区内定义7个点：扇区基础电压矢量U_N1端位置处为点P_N1、扇区基础电压矢量U_N2的末端位置处为点P_N2、虚拟电压小矢量V′_S1的末端位置处为点P′_S1、虚拟电压小矢量V_S1的末端位置处为点P_S1、虚拟电压小矢量V′_S2的末端位置处为点P′_S2、虚拟电压小矢量V_S2的末端位置处为点P_S2、虚拟电压中矢量V_M的末端位置处为点P_M；

根据上述点的位置将每个大扇区分为7个小区域，具体情况如下：

将排序为P₀、P′_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域1；

将排序为P₀、P′_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域2；

将排序为P′_S1、P_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域3；

将排序为P′_S2、P_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域4；

将排序为P_S1、P_N1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域5；

将排序为P_S2、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域6；

将排序为P_N1、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域7；

记7个小区域中的任意一个区域为小区域n，n为小区域序号，n＝1，2...7；将小区域n中的三个排序点对应的电压矢量分别记为第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III；

步骤11、判断参考电压矢量V_ref所处的小区域序号n，具体判断如下：

当

且

时，n＝1；

当

且

时，n＝2；

当

且

时，n＝3；

当

且

时，n＝4；

当

且

时，n＝5；

当

且

时，n＝6；

当

且

时，n＝7；

步骤12、在一个载波周期T_s内，将第一电压矢量V_I的作用时间记为作用时间T₁、第二电压矢量V_II的作用时间记为作用时间T₂、第三电压矢量V_III的作用时间记为作用时间T₃，根据参考电压矢量V_ref所处小区域n，确定作用时间T₁、作用时间T₂和作用时间T₃；

当n＝1时，

V_I＝V₀，

V_II＝V′_S1，

V_III＝V_M，

当n＝2时，

V_I＝V₀，

V_II＝V′_S2，

V_III＝V_M，

当n＝3时，

V_I＝V′_S1，

V_II＝V_S1，

V_III＝V_M，

当n＝4时，

V_I＝V′_S2，

V_II＝V_S2，

V_III＝V_M，

当n＝5时，

V_I＝V_S1，

V_II＝U_N1，

V_III＝V_M，

当n＝6时，

V_I＝V_S2，

V_II＝U_N2，

V_III＝V_M，

当n＝7时，

V_I＝U_N1，

V_II＝U_N2，

V_III＝V_M，

步骤13、根据步骤10中的第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III确定7个小区域中的扇区基础电压矢量作用的序列G，具体如下：

当n＝1时，

V₀-U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5；

当n＝2时，

V₀-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N4；

当n＝3时，

U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N″4；

当n＝4时，

U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3；

当n＝5时，

U_N″3-U_N1-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N1-U_N″3；

当n＝6时，

U_N″3-U_N4-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N4-U_N″3；

当n＝7时，

U_N″3-U_N1-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N1-U_N″3；

记r为序列G中扇区基础电压矢量的序号，r＝1，2...，11；

步骤14、将步骤13得到的扇区基础电压矢量作用序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间按照其排序记为扇区基础电压矢量作用时间t_r，根据步骤12中的第一电压矢量作用时间T₁、第二电压矢量作用时间T₂、第三电压矢量作用时间T₃，确定序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间，具体如下：

当n＝1时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d₁，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₁)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₁/2，t₇＝dT₃；

当n＝2时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d₂，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₂)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₂/2，t₇＝dT₃；

当n＝3时，t₁＝t₁₁＝T₁d₁/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₃d/2，t₃＝t₉＝T₁(1-2d₁)/2，t₄＝t₈＝T₃(1-2d)/2，t₅＝t₇＝T₁d₁/2+T₂/4，t₆＝T₃d；

当n＝4时，t₁＝t₁₁＝T₃d/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₁d₂/2，t₃＝t₉＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₈＝T₁(1-2d₂)/2，t₅＝t₇＝T₃d/2+T₂/4，t₆＝T₁d₂；

当n＝5时，t₁＝t₉＝T₁/4+T₃d/2，t₂＝t₈＝T₂/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₁/4，t₅＝T₃d；

当n＝6时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/4，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₁/2+T₃d；

当n＝7时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₃d；

T型三相三电平逆变器的三相桥臂根据步骤13确定的扇区基础电压矢量作用序列、步骤14确定的扇区基础电压矢量的作用时间进行发波，实现三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制。

2.根据权利要求1所述的一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其特征在于，所述三相桥臂的开关状态P、O、N对应的开关管的具体动作为：

P：开关管S_j1导通，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4关断；

O：开关管S_j1关断，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4导通；

N：开关管S_j1关断，开关管S_j2导通，开关管S_j3关断，开关管S_j4导通。

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