CN113765423A - 一种两电平逆变器优化vsvm方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种两电平逆变器优化VSVM方法。本发明以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波；在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波；定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。本发明还提供了一种两电平逆变器优化VSVM装置，相比传统VSVM，本发明方法在降低共模电压的幅值和三次谐波分量的同时可以防止线电压两电平跳变，并具备计算简单、应用方便的优点。

Description

一种两电平逆变器优化VSVM方法及装置
技术领域
本发明涉及一种PWM控制方法，尤其涉及一种利用载波实现的两电平逆变器优化VSVM方法。
背景技术
两电平逆变器的主电路拓扑如图1。由于结构和控制简单、功率因数可调以及动态响应快等优点，两电平逆变器在轨道牵引、光伏发电、采矿冶金等领域得到了广泛应用。
定义两电平逆变器由高到低输出的两种电平状态为P和N，直流侧电压为2E，则可将两电平逆变器的空间矢量总结于图2。其中，各空间矢量对应的开关状态和幅值列于表1。
表1两电平逆变器各空间矢量对应的开关状态和幅值
Figure BDA0003291003770000011
当两电平逆变器接电机运行时，三相绕组中性点与参考地之间的电势差称为共模电压。文献《不同空间矢量调制算法的共模电压抑制性能对比研究》(钟再敏.[J].电机与控制应用,2021,48(5):26-33.)指出，共模电压是电机轴电压产生的主要来源，而严重的轴电压将击穿电机轴承油膜形成轴电流，对电机轴承产生电腐蚀，加速电机轴承老化，缩短电机的使用寿命。此外，共模电压还会对附近设备产生电磁干扰，引起保护装置误动作等。因此，研究降低共模电压的脉宽调制方法具有重要的工程应用意义。
表2列出了各空间矢量对应的共模电压幅值。由表2可知，相比零矢量NNN和PPP，非零矢量具备更低的共模电压幅值，故可通过只使用非零矢量合成参考电压的脉宽调制方法来降低共模电压。
表2各空间矢量对应的共模电压幅值
Figure BDA0003291003770000021
文献《Performance analysis of reduced common-mode voltage PWM methodsand comparison with standard PWM methods for three-phase voltage-sourceinverters》(Ahmet M.Hava.[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2009,24(1):241–252.)总结并对比了三类使用非零矢量合成参考电压的脉宽调制方法，分别为有效零矢量PWM(Active zero-state PWM，AZSPWM)、最远矢量PWM(Remote-state PWM，RSPWM)和最近矢量PWM(Near-state PWM，NSPWM)。相比传统空间矢量PWM(Space vector PWM，SVPWM)，三类脉宽调制方法均可将共模电压的幅值降低三分之二。但在三类脉宽调制方法的作用下，共模电压的三次谐波分量并不为零，这给两电平逆变器的滤波器设计带来困难，会导致共模电感体积过大，增加系统成本和体积。
为在降低共模电压幅值的同时消除共模电压中的三次谐波分量，文献《A virtualspace vector modulation technique for the reduction of common-mode voltagesin both magnitude and third-order component》(Kai Tian.[J].IEEE Transactionson Energy Conversion,2016,31(1):839–848.)以控制共模电压平均值为零为设计前提，通过利用非零矢量合成虚拟矢量，提出了虚拟空间矢量调制(Virtual space vectormodulation，VSVM)。相比AZSPWM、RSPWM和NSPWM，VSVM可以抑制共模电压中三次谐波分量，从而降低了滤波器设计难度。但在VSVM作用下，两电平逆变器输出线电压存在两电平跳变，即存在线电压直接由2E跳变至-2E或由-2E直接跳变至2E的问题。这可能导致电机端过电压，不利于电机的安全运行。此外，VSVM需计算各空间矢量的作用时间并需预置各空间角区域内的开关动作方式，其步骤繁琐、计算复杂，不利于工程应用。
发明内容
为克服传统VSVM存在的线电压两电平跳变和实现复杂问题，本发明提出一种利用载波实现的两电平逆变器优化VSVM方法。本发明方法可将共模电压的幅值降低至直流侧电压值的六分之一，并可消除共模电压中三次谐波分量，故其具备优越的共模电压性能。在本发明方法作用下，逆变器输出线电压不会出现两电平跳变，从而提高了系统的可靠性。此外，本发明方法直接依据调制波与载波的比较结果得到各开关器件的PWM信号，其无需计算空间矢量作用时间，故还具备计算简单、应用方便的优点。
为了到达上述目的，本发明提供了一种两电平逆变器优化VSVM方法，包括以下步骤：
以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波；
在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波；
定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。
优选的，所述以三相正弦波作为原始调制波，通过在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波的方法包括：
在第一空间角区域，令Var＝-Va，Vbr＝Vb，Vcr＝Vc；
在第二空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝-Vb，Vcr＝Vc；
在第三空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝Vb，Vcr＝-Vc；
其中，Va、Vb、Vc代表线性调制比区域内最大值为K2，最小值为K1的三相正弦波，Var、Vbr、Vcr代表优化VSVM的三相实际调制波；所述第一空间角区域为：30°到90°和210°到270°；所述第二空间角区域为330°到30°和150°到210°；所述第三空间角区域为：90°到150°和270°到330°。
优选的，所述通过在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波的方法包括：
判断当前采样点是否为所述第一空间角区域、所述第二空间角、或所述第三空间角的首个采样点；
若当前采样点为30°到90°、150°到210°或270°到330°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝Tcarrier；若当前采样点为90°到150°、210°到270°或330°到30°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝-Tcarrier；
其中，Tcarrier代表范围为K1到K2的三角载波，Vcarrier代表优化VSVM的实际三角载波。
优选的，所述三角载波Tcarrier的定义如下：
Figure BDA0003291003770000031
其中，tc代表三角载波周期，tx为范围在0到tc之间的时间变量，tx的计算方法为：
tx＝t-floor(t/tc)×tc
其中，t代表时间，floor为向下取整函数
优选的，所述判断当前采样点是否为30°到90°、90°到150°、150°到210°、210°到270°、270°到330°或330°到30°空间角区域的首个采样点的方法包括：
在30°到90°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为30°到90°空间角区域的首个采样点；
在90°到150°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为90°到150°空间角区域的首个采样点；
在150°到210°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为150°到210°空间角区域的首个采样点；
在210°到270°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为210°到270°空间角区域的首个采样点；
在270°到330°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为270°到330°空间角区域的首个采样点；
在330°到30°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为330°到30°空间角区域的首个采样点。
优选的，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际A相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在30°到90°和210°到270°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在90°到150°、150°到210°、270°到330°和330°到30°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际B相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在330°到30°和150°到210°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在30°到90°、90°到150°、210°到270°和270°到330°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际C相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在90°到150°和270°到330°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在30°到90°、150°到210°、210°到270°、和330°到30°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述K1的值为-1，所述K2的值为1。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种两电平逆变器优化VSVM装置，包括：
第一取反模块，用于以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波；
第二取反模块，用于在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波；
比较模块，用于定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。
优选的，所述第一取反模块具体用于：
在第一空间角区域，令Var＝-Va，Vbr＝Vb，Vcr＝Vc；
在第二空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝-Vb，Vcr＝Vc；
在第三空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝Vb，Vcr＝-Vc；
其中，Va、Vb、Vc代表线性调制比区域内最大值为K2，最小值为K1的三相正弦波，Var、Vbr、Vcr代表优化VSVM的三相实际调制波；所述第一空间角区域为：30°到90°和210°到270°；所述第二空间角区域为330°到30°和150°到210°；所述第三空间角区域为：90°到150°和270°到330°。
优选的，所述第二取反模块具体用于：
判断当前采样点是否为所述第一空间角区域、所述第二空间角、或所述第三空间角的首个采样点；
若当前采样点为30°到90°、150°到210°或270°到330°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝Tcarrier；若当前采样点为90°到150°、210°到270°或330°到30°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝-Tcarrier；
其中，Tcarrier代表范围为K1到K2的三角载波，Vcarrier代表优化VSVM的实际三角载波。
优选的，所述三角载波Tcarrier的定义如下：
Figure BDA0003291003770000061
其中，tc代表三角载波周期，tx为范围在0到tc之间的时间变量，tx的计算方法为：
tx＝t-floor(t/tc)×tc
其中，t代表时间，floor为向下取整函数
优选的，所述第二取反模块判断当前采样点是否为30°到90°、90°到150°、150°到210°、210°到270°、270°到330°或330°到30°空间角区域的首个采样点的过程为：
在30°到90°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为30°到90°空间角区域的首个采样点；
在90°到150°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为90°到150°空间角区域的首个采样点；
在150°到210°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为150°到210°空间角区域的首个采样点；
在210°到270°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为210°到270°空间角区域的首个采样点；
在270°到330°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为270°到330°空间角区域的首个采样点；
在330°到30°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为330°到30°空间角区域的首个采样点。
优选的，所述比较模块包括第一比较子模块；所述第一比较子模块，用于定义实际A相调制波与实际三角载波的比较规则，具体用于在30°到90°和210°到270°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；在90°到150°、150°到210°、270°到330°和330°到30°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述比较模块包括第二比较子模块；所述第二比较子模块，用于定义实际B相调制波与实际三角载波的比较规则，具体用于在330°到30°和150°到210°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；在30°到90°、90°到150°、210°到270°和270°到330°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述比较模块包括第三比较子模块；所述第三比较子模块，用于定义实际B相调制波与实际三角载波的比较规则，具体用于在90°到150°和270°到330°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；在30°到90°、150°到210°、210°到270°、和330°到30°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述K1的值为-1，所述K2的值为1。
本发明的有益效果在于：本发明方法可将共模电压的幅值降低至直流侧电压值的六分之一，并可消除共模电压中三次谐波分量，故其具备优越的共模电压性能。在本发明方法作用下，逆变器输出线电压不会出现两电平跳变，从而提高了系统的可靠性。此外，本发明方法直接依据调制波与载波的比较结果得到各开关器件的PWM信号，其无需计算空间矢量作用时间，故还具备计算简单、应用方便的优点。
附图说明
图1本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的两电平逆变器主电路拓扑；
图2本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的两电平逆变器的空间矢量图；
图3本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的利用调制波与载波比较等效得到矢量序列PNP→PNN→PPN→NPN→PPN→PNN→PNP的示意图；
图4本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的利用调制波与载波比较等效得到矢量序列NNP→PNP→PNN→PPN→PNN→PNP→NNP的示意图；
图5本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的流程图；
图6本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的具体实施流程图；
图7本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的实施例中两电平逆变器在SVPWM作用下的A相电压和共模电压；
图8a、图8b本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的实施例中AZSPWM的仿真结果，其中：图8a为两电平逆变器在AZSPWM作用下的A相电压和共模电压，图8b为AZSPWM的共模电压的FFT分析结果；
图9a、图9b、图9c本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的实施例中传统VSVM的仿真结果，其中：图9a为两电平逆变器在传统VSVM作用下的A相电压和共模电压，图9b为传统VSVM的共模电压的FFT分析结果，图9c为两电平逆变器在传统VSVM作用下的输出线电压；
图10a、图10b、图10c、图10d本发明的一种两电平逆变器优化VSVM方法的实施例中本发明方法优化VSVM的仿真结果，其中：图10a为两电平逆变器在优化VSVM作用下的A相电压和共模电压，图10b为优化VSVM的共模电压的FFT分析结果，图10c为两电平逆变器在优化VSVM作用下的输出线电压，图10d为优化VSVM利用三相实际调制波与实际三角载波比较得到PWM信号的仿真结果；
图11本发明的一种两电平逆变器优化VSVM装置的模块框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
针对两电平逆变器，本发明以三相正弦波作为原始调制波，以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波；在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波；定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。
本发明一种两电平逆变器优化VSVM方法具体如下：
一、以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波，过程如下：
在第一空间角区域，令Var＝-Va，Vbr＝Vb，Vcr＝Vc；
在第二空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝-Vb，Vcr＝Vc；
在第三空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝Vb，Vcr＝-Vc；
其中，Va、Vb、Vc代表线性调制比区域内最大值为K2，最小值为K1的三相正弦波，Var、Vbr、Vcr代表优化VSVM的三相实际调制波；所述第一空间角区域为：30°到90°和210°到270°；所述第二空间角区域为330°到30°和150°到210°；所述第三空间角区域为：90°到150°和270°到330°。
优化VSVM的实际调制波具体实施例的推导过程如下：
以控制共模电压幅值为直流侧电压值六分之一、共模电压平均值为零为设计前提，通过利用非零矢量合成虚拟矢量，可设计得到如表3所示的优化VSVM矢量序列。
表3优化VSVM的矢量序列
Figure BDA0003291003770000091
由表3可知，在330°到30°空间角区域，优化VSVM对应矢量序列为PNP→PNN→PPN→NPN。为保证共模电压在一个采样周期内的平均值为零，定义PNP、PNN、PPN、NPN在一个采样周期内的作用时间分别为T0+T1、T1+T2、T2和T0。由调制波等效原理可得：
Figure BDA0003291003770000092
式(3)中，Va、Vb、Vc代表三相正弦波，Var、Vbr、Vcr代表优化VSVM的三相实际调制波，V0为优化VSVM的零序电压。化简式(3)可得：
Figure BDA0003291003770000093
由式(3)可知，为保证共模电压在一个采样周期内的平均值为零，需设置优化VSVM的零序电压为零。
在传统调制波与载波比较规则下，三相输出电平在一个采样周期内至多变化一次，且变化方向相同。但对于矢量序列PNP→PNN→PPN→NPN，A相、C相电平在一个采样周期内由P变化至N，B相电平则由N变化至P，B相与A相、C相电平变化方向并不相同。因此，利用传统调制波与载波比较方式，无法等效得到矢量序列PNP→PNN→PPN→NPN。
由于B相与A相、C相电平变化方向并不相同，为利用调制波与载波比较等效得到矢量序列PNP→PNN→PPN→NPN，需将B相调制波取反，并将B相PWM信号取反。基于以上思路，可利用调制波与载波比较等效得到矢量序列PNP→PNN→PPN→NPN→PPN→PNN→PNP，其示意图如图3。
依据同样原理，可推导得到优化VSVM在不同基准空间角(60度空间角)区域的三相实际调制波表达式，并将结果总结于式(5)：
Figure BDA0003291003770000101
二、在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波，过程具体如下：(所述基准空间角区域在本实施例中优选为60空间角区域)
判断当前采样点是否为所述第一空间角区域、所述第二空间角、或所述第三空间角的首个采样点；
若当前采样点为30°到90°、150°到210°或270°到330°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝Tcarrier；若当前采样点为90°到150°、210°到270°或330°到30°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝-Tcarrier；其中，Tcarrier代表范围为K1到K2的三角载波，Vcarrier代表优化VSVM的实际三角载波。
其中，所述三角载波Tcarrier的定义如下：
Figure BDA0003291003770000102
其中，tc代表三角载波周期，tx为范围在0到tc之间的时间变量，tx的计算方法为：
tx＝t-floor(t/tc)×tc
其中，t代表时间，floor为向下取整函数
其中，所述判断当前采样点是否为30°到90°、90°到150°、150°到210°、210°到270°、270°到330°或330°到30°空间角区域的首个采样点的方法包括：
在30°到90°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为30°到90°空间角区域的首个采样点；
在90°到150°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为90°到150°空间角区域的首个采样点；
在150°到210°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为150°到210°空间角区域的首个采样点；
在210°到270°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为210°到270°空间角区域的首个采样点；
在270°到330°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为270°到330°空间角区域的首个采样点；
在330°到30°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为330°到30°空间角区域的首个采样点。
具体实施例参照如下：在得到优化VSVM实际调制波基础上，以防止线电压两电平跳变为前提，进一步设计优化VSVM的实际三角载波。由表3推导可知，VSVM的线电压会在以下情况出现两电平跳变：
当330°到30°空间角区域的结尾矢量为PNP且30°到90°空间角区域的首发矢量为NPP时，A相、B相之间线电压会出现由2E到-2E的两电平跳变；当330°到30°空间角区域的结尾矢量为NPN且30°到90°空间角区域的首发矢量为PNN时，A相、B相之间线电压会出现由-2E到2E的两电平跳变；
当30°到90°空间角区域的结尾矢量为PNN且90°到150°空间角区域的首发矢量为NNP时，A相、C相之间线电压会出现由2E到-2E的两电平跳变；当30°到90°空间角区域的结尾矢量为NPP且90°到150°空间角区域的首发矢量为PPN时，A相、C相之间线电压会出现由-2E到2E的两电平跳变；
当90°到150°空间角区域的结尾矢量为PPN且150°到210°空间角区域的首发矢量为PNP时，B相、C相之间线电压会出现由2E到-2E的两电平跳变；当90°到150°空间角区域的结尾矢量为NNP且150°到210°空间角区域的首发矢量为NPN时，B相、C相之间线电压会出现由-2E到2E的两电平跳变；
当150°到210°空间角区域的结尾矢量为NPN且210°到270°空间角区域的首发矢量为PNN时，A相、B相之间线电压会出现由-2E到2E的两电平跳变；当150°到210°空间角区域的结尾矢量为PNP且210°到270°空间角区域的首发矢量为NPP时，A相、B相之间线电压会出现由2E到-2E的两电平跳变；
当210°到270°空间角区域的结尾矢量为NPP且270°到330°空间角区域的首发矢量为PPN时，A相、C相之间线电压会出现由-2E到2E的两电平跳变；当210°到270°空间角区域的结尾矢量为PNN且270°到330°空间角区域的首发矢量为NNP时，A相、C相之间线电压会出现由2E到-2E的两电平跳变；
当270°到330°空间角区域的结尾矢量为NNP且330°到30°空间角区域的首发矢量为NPN时，B相、C相之间线电压会出现由-2E到2E的两电平跳变；当270°到330°空间角区域的结尾矢量为PPN且330°到30°空间角区域的首发矢量为PNP时，B相、C相之间线电压会出现由2E到-2E的两电平跳变。
因此，为防止线电压两电平跳变，优化VSVM在各60度空间角区域交界处的等效矢量序列应为：
在330°到30°和30°到90°空间角区域的交界处，等效矢量序列应为PNP→PNN→PPN→NPN到NPP→NPN→PPN→PNN，或NPN→PPN→PNN→PNP到PNN→PPN→NPN→NPP；
在30°到90°和90°到150°空间角区域的交界处，等效矢量序列应为PNN→PPN→NPN→NPP到NNP→NPP→NPN→PPN，或NPP→NPN→PPN→PNN到PPN→NPN→NPP→NNP；
在90°到150°和150°到210°空间角区域的交界处，等效矢量序列应为PPN→NPN→NPP→NNP到PNP→NNP→NPP→NPN，或NNP→NPP→NPN→PPN到NPN→NPP→NNP→PNP；
在150°到210°和210°到270°空间角区域的交界处，等效矢量序列应为NPN→NPP→NNP→PNP到PNN→PNP→NNP→NPP，或PNP→NNP→NPP→NPN到NPP→NNP→PNP→PNN；
在210°到270°和270°到330°空间角区域的交界处，等效矢量序列应为NPP→NNP→PNP→PNN到PPN→PNN→PNP→NNP，或PNN→PNP→NNP→NPP到NNP→PNP→PNN→PPN；
在270°到330°和330°到30°空间角区域的交界处，等效矢量序列应为NNP→PNP→PNN→PPN到NPN→PPN→PNN→PNP，或PPN→PNN→PNP→NNP到PNP→PNN→PPN→NPN。
三、定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。
所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际A相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在30°到90°和210°到270°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在90°到150°、150°到210°、270°到330°和330°到30°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际B相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在330°到30°和150°到210°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在30°到90°、90°到150°、210°到270°和270°到330°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际C相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在90°到150°和270°到330°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在30°到90°、150°到210°、210°到270°、和330°到30°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
以上方法中，K1和K2可以取任意值，只要满足K1小于K2即可，例如K1取值为0，K2取值为2，或者K1取值为-1，K2取值为1等等，下面以K1取值为-1，K2取值为1时的情况作为发明的一种实施方式，说明发明的实施效果。
进一步分析图3，在330°到30°空间角区域，优化VSVM的调制波与上升方向三角载波比较可等效得到矢量序列PNP→PNN→PPN→NPN，与下降方向三角载波比较可等效得到矢量序列NPN→PPN→PNN→PNP。图4为利用调制波与载波比较等效得到矢量序列NNP→PNP→PNN→PPN→PNN→PNP→NNP的示意图，由图4可知，在270°到330°空间角区域，优化VSVM的调制波与上升方向三角载波比较可等效得到矢量序列PPN→PNN→PNP→NNP，与下降方向三角载波比较可等效得到矢量序列NNP→PNP→PNN→PPN。因此，当270°到330°空间角区域的结尾采样点处的三角载波方向与330°到30°空间角区域的首个采样点处的三角载波方向相同时，在270°到330°和330°到30°空间角区域的交界处，线电压不会出现两电平跳变。
推论可知，若当前60度空间角区域的首个采样点处的三角载波方向与上一60度空间角区域的结尾采样点处的三角载波方向相同，可保证各60度空间角区域切换时不出现线电压两电平跳变。基于这一原理，可设计得到优化VSVM的实际三角载波。
本发明一种利用载波实现的两电平逆变器优化VSVM方法的具体实施流程图如图6。
本发明提出一种利用载波实现的两电平逆变器优化VSVM方法，本发明方法可将共模电压的幅值降低至直流侧电压值的六分之一，并可消除共模电压中三次谐波分量，故其具备优越的共模电压性能。在本发明方法作用下，两电平逆变器输出线电压不会出现两电平跳变，从而提高了系统的可靠性。此外，本发明方法直接依据调制波与载波的比较结果得到各开关器件的PWM信号，其无需计算空间矢量作用时间，故还具备计算简单、应用方便的优点。
下面结合实施例说明本发明的实施效果。
本发明实施例借助PSIM软件搭建两电平逆变器模型，利用仿真验证本发明一种利用载波实现的两电平逆变器优化VSVM方法的有效性。实施例仿真条件为：直流侧电压2000V，输出基波频率50Hz，载波频率1000Hz，调制比0.7，仿真步长2us。
图7为实施例中两电平逆变器在SVPWM作用下的A相电压和共模电压。图7表明，两电平逆变器在SVPWM作用下的共模电压幅值达到直流侧电压的二分之一。高幅值的共模电压会缩短电机的使用寿命并会对附近设备产生电磁干扰，因此，需设法降低共模电压幅值。
图8a、图8b为实施例中AZSPWM的仿真结果，其中：图8a为两电平逆变器在AZSPWM作用下的A相电压和共模电压，图8b为AZSPWM的共模电压的FFT分析结果。对比图7和图8a，相比SVPWM，AZSPWM作用下的共模电压幅值仅为直流侧电压值的六分之一，其可以有效降低共模电压幅值。但由图8b知，AZSPWM的共模电压的谐波成分中包含大量的三次谐波，这给两电平逆变器的滤波器设计带来困难，会导致共模电感体积过大，增加系统成本和体积。
图9a、图9b、图9c为实施例中传统VSVM的仿真结果，其中：图9a为两电平逆变器在传统VSVM作用下的A相电压和共模电压，图9b为传统VSVM的共模电压的FFT分析结果，图9c为两电平逆变器在传统VSVM作用下的输出线电压。从中可知：
1)对比图7和图9a，相比SVPWM，传统VSVM作用下的共模电压幅值仅为直流侧电压值的六分之一，其可以有效降低共模电压幅值；
2)对比图8b和图9b，相比AZSPWM，传统VSVM可以有效抑制共模电压中三次谐波分量，从而降低了两电平逆变器滤波器的体积和设计难度；
3)分析图9c，在传统VSVM作用下，两电平逆变器输出线电压在由330°到30°空间角区域切换至30°到90°空间角区域、30°到90°空间角区域切换至90°到150°空间角区域时存在两电平跳变。这会导致电机端过电压，不利于电机的安全运行。
图10a、图10b、图10c、图10d为实施例中本发明方法优化VSVM的仿真结果，其中：图10a为两电平逆变器在优化VSVM作用下的A相电压和共模电压，图10b为优化VSVM的共模电压的FFT分析结果，图10c为两电平逆变器在优化VSVM作用下的输出线电压，图10d为优化VSVM利用三相实际调制波与实际三角载波比较得到PWM信号的仿真结果。从中可知：
对比图7和图10a，相比SVPWM，优化VSVM作用下的共模电压幅值仅为直流侧电压值的六分之一，其可以有效降低共模电压幅值；
对比图8b和图10b，相比AZSPWM，优化VSVM可以有效抑制共模电压中三次谐波分量，从而降低了两电平逆变器滤波器的体积和设计难度；
对比图9c和图10c，相比传统VSVM，优化VSVM通过保证各60度空间角区域的首个采样点处的三角载波方向与上一60度空间角区域的结尾采样点处的三角载波方向相同，可以有效防止两电平逆变器在各60度空间角区域切换时出现线电压两电平跳变，从而提高了系统运行的安全性和可靠性；
分析图10d，优化VSVM通过在30°到90°和210°到270°空间角区域对A相正弦波取反、在330°到30°和150°到210°空间角区域对B相正弦波取反、在90°到150°和270°到330°空间角区域对C相正弦波取反，得到三相实际调制波。优化VSVM利用三相实际调制波与实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号，其无需计算空间矢量的作用时间，实现步骤简单、工程应用方便。
如图7到图10d所示，实施例的结果验证了本发明一种利用载波实现的两电平逆变器优化VSVM方法的有效性。本发明方法可将共模电压的幅值降低至直流侧电压值的六分之一，并可消除共模电压中三次谐波分量，故其具备优越的共模电压性能。在本发明方法作用下，两电平逆变器输出线电压不会出现两电平跳变，从而提高了系统的可靠性。此外，本发明方法直接依据调制波与载波的比较结果得到各开关器件的PWM信号，其无需计算空间矢量作用时间，故还具备计算简单、应用方便的优点。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种两电平逆变器优化VSVM装置，参见图11，所述装置包括：第一取反模块，用于以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波；第二取反模块，用于在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波；比较模块，用于定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。
所述两电平逆变器优化VSVM装置中，所述第一取反模块具体用于：在第一空间角区域，令Var＝-Va，Vbr＝Vb，Vcr＝Vc；
在第二空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝-Vb，Vcr＝Vc；在第三空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝Vb，Vcr＝-Vc；其中，Va、Vb、Vc代表线性调制比区域内最大值为K2，最小值为K1的三相正弦波，Var、Vbr、Vcr代表优化VSVM的三相实际调制波；所述第一空间角区域为：30°到90°和210°到270°；所述第二空间角区域为330°到30°和150°到210°；所述第三空间角区域为：90°到150°和270°到330°。
所述两电平逆变器优化VSVM装置中，所述第二取反模块具体用于：
判断当前采样点是否为所述第一空间角区域、所述第二空间角、或所述第三空间角的首个采样点；若当前采样点为30°到90°、150°到210°或270°到330°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝Tcarrier；若当前采样点为90°到150°、210°到270°或330°到30°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝-Tcarrier；其中，Tcarrier代表范围为K1到K2的三角载波，Vcarrier代表优化VSVM的实际三角载波。
其中，所述三角载波Tcarrier的定义如下：
Figure BDA0003291003770000161
其中，tc代表三角载波周期，tx为范围在0到tc之间的时间变量，tx的计算方法为：
tx＝t-floor(t/tc)×tc
其中，t代表时间，floor为向下取整函数
所述两电平逆变器优化VSVM装置中，所述第二取反模块判断当前采样点是否为30°到90°、90°到150°、150°到210°、210°到270°、270°到330°或330°到30°空间角区域的首个采样点的过程为：
在30°到90°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为30°到90°空间角区域的首个采样点；
在90°到150°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为90°到150°空间角区域的首个采样点；
在150°到210°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为150°到210°空间角区域的首个采样点；
在210°到270°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为210°到270°空间角区域的首个采样点；
在270°到330°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为270°到330°空间角区域的首个采样点；
在330°到30°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为330°到30°空间角区域的首个采样点。
所述两电平逆变器优化VSVM装置中，所述比较模块包括第一比较子模块；所述第一比较子模块，用于定义实际A相调制波与实际三角载波的比较规则，具体用于在30°到90°和210°到270°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；在90°到150°、150°到210°、270°到330°和330°到30°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
所述两电平逆变器优化VSVM装置中，所述比较模块包括第二比较子模块；所述第二比较子模块，用于定义实际B相调制波与实际三角载波的比较规则，具体用于在330°到30°和150°到210°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；在30°到90°、90°到150°、210°到270°和270°到330°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
所述两电平逆变器优化VSVM装置中，所述比较模块包括第三比较子模块；所述第三比较子模块，用于定义实际B相调制波与实际三角载波的比较规则，具体用于在90°到150°和270°到330°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；在30°到90°、150°到210°、210°到270°、和330°到30°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
优选的，所述K1的值为-1，所述K2的值为1。
本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，包括以下步骤：
以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波；
在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波；
定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。
2.根据权利要求1所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述以三相正弦波作为原始调制波，通过在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波的方法包括：
在第一空间角区域，令Var＝-Va，Vbr＝Vb，Vcr＝Vc；
在第二空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝-Vb，Vcr＝Vc；
在第三空间角区域，令Var＝Va，Vbr＝Vb，Vcr＝-Vc；
其中，Va、Vb、Vc代表线性调制比区域内最大值为K2，最小值为K1的三相正弦波，Var、Vbr、Vcr代表优化VSVM的三相实际调制波；所述第一空间角区域为：30°到90°和210°到270°；所述第二空间角区域为330°到30°和150°到210°；所述第三空间角区域为：90°到150°和270°到330°。
3.根据权利要求2所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述通过在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波的方法包括：
判断当前采样点是否为所述第一空间角区域、所述第二空间角、或所述第三空间角的首个采样点；
若当前采样点为30°到90°、150°到210°或270°到330°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝Tcarrier；若当前采样点为90°到150°、210°到270°或330°到30°空间角区域的首个采样点，设置Vcarrier＝-Tcarrier；
其中，Tcarrier代表范围为K1到K2的三角载波，Vcarrier代表优化VSVM的实际三角载波。
4.根据权利要求3所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述三角载波Tcarrier的定义如下：
Figure FDA0003291003760000021
其中，tc代表三角载波周期，tx为范围在0到tc之间的时间变量，tx的计算方法为：
tx＝t-floor(t/tc)×tc
其中，t代表时间，floor为向下取整函数。
5.根据权利要求3所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述判断当前采样点是否为30°到90°、90°到150°、150°到210°、210°到270°、270°到330°或330°到30°空间角区域的首个采样点的方法包括：
在30°到90°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为30°到90°空间角区域的首个采样点；
在90°到150°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为90°到150°空间角区域的首个采样点；
在150°到210°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为150°到210°空间角区域的首个采样点；
在210°到270°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为210°到270°空间角区域的首个采样点；
在270°到330°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为270°到330°空间角区域的首个采样点；
在330°到30°空间角区域，当Vcarrier值首次为K1或K2时，对应当前采样点为330°到30°空间角区域的首个采样点。
6.根据权利要求2所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际A相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在30°到90°和210°到270°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在90°到150°、150°到210°、270°到330°和330°到30°空间角区域，当Var≥Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Var＜Vcarrier时，控制A相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
7.根据权利要求2所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际B相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在330°到30°和150°到210°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在30°到90°、90°到150°、210°到270°和270°到330°空间角区域，当Vbr≥Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vbr＜Vcarrier时，控制B相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
8.根据权利要求2所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号中，定义实际C相调制波与实际三角载波的比较规则为：
在90°到150°和270°到330°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；
在30°到90°、150°到210°、210°到270°、和330°到30°空间角区域，当Vcr≥Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件导通、下桥臂开关器件关断；当Vcr＜Vcarrier时，控制C相上桥臂开关器件关断、下桥臂开关器件导通。
9.根据权利要求5所述的两电平逆变器优化VSVM方法，其特征在于，所述K1的值为-1，所述K2的值为1。
10.一种两电平逆变器优化VSVM装置，其特征在于，包括：
第一取反模块，用于以三相正弦波作为原始调制波，在第一空间角区域对A相正弦波取反、在第二空间角区域对B相正弦波取反、在第三空间角区域对C相正弦波取反，得到优化VSVM的实际调制波；
第二取反模块，用于在基准空间角区域首个采样点处对三角载波取反，得到优化VSVM的实际三角载波；
比较模块，用于定义所述实际调制波与所述实际三角载波的比较规则，将所述实际调制波与所述实际三角载波比较得到优化VSVM的PWM信号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115622436A (zh) * 2022-12-20 2023-01-17 西安领充创享新能源科技有限公司 逆变电路控制方法、装置及逆变模块
WO2023179145A1 (zh) * 2022-03-21 2023-09-28 深圳市正浩创新科技股份有限公司 载波生成方法、脉宽调制方法以及逆变系统

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