CN113765424B - 一种三电平逆变器同步载波调制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器同步载波调制方法，通过对三相正弦波取反并注入特定偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同空间角区域对三相分别选用特定的初始调制波，得到三相实际调制波；通过设定三角载波频率为基波频率的三的偶数倍，得到两组初始方向相反的载波；通过在不同空间角区域选用特定初始方向载波，得到实际载波；制定实际调制波与实际载波的比较规则，并基于实际调制波与实际载波比较得到三电平逆变器的控制信号，从而实现降低共模电压的同步载波调制。本发明方法在消除线电压中三的倍数次谐波和偶次谐波的同时可以将共模电压幅值降低二分之一，并可将共模电压变化频率降低三分之二，且具备计算简单、实现方便的优点。

Description

一种三电平逆变器同步载波调制方法和装置
技术领域
本发明涉及一种PWM控制方法，尤其涉及一种三电平逆变器同步载波调制方法和装置。
背景技术
典型的三电平逆变器如三电平中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)逆变器，其主电路拓扑如图1。由于器件电压应力低、输出电压和电流质量高、结构简单、可实现能量双向流动等优势，三电平逆变器在电机驱动、新能源发电、挖掘盾构等领域得到了广泛应用。
定义三电平逆变器由高到低输出的三种电平状态为P、O和N，直流侧电压为2E，则可将三电平逆变器的空间矢量总结于图2。图2中各空间矢量依据幅值可分类为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，各空间矢量的具体分类和幅值列于表1。
表1三电平逆变器各空间矢量幅值和分类
同步调制策略为载波频率随基波频率同步变化的脉宽调制策略。文献《低载波比下三电平中点钳位变流器改进型同步载波脉宽调制策略研究》(高瞻.[J].电工技术学报,2020,35(18):3894-3907.)指出，当三电平逆变器应用于大功率电机的牵引传动系统时，其在整个调速范围内载波比的变化范围较大。随着载波比的降低，每个相电压基波周期内的脉冲数逐渐减少，由波形不对称性产生的不良影响越发凸显。为充分利用开关频率并降低输出电压的谐波含量，三电平逆变器需在低载波比工况采用同步调制策略。大功率电机牵引传动系统大部分速度区域为低载波比工况，因此研究高性能的同步调制策略对牵引传动系统至关重要。
共模电压为负载中性点与参考电位点之间具有高频、高幅值特性的零序电压。文献《二极管钳位型三电平逆变器共模电压抑制》(吴可丽.[J].电工技术学报,2015,30(24):110-117.)指出，共模电压会在电机的转轴上感应出高幅值的轴电压，击穿油膜并产生轴电流，缩短电机的使用寿命。此外，共模电压还会产生高频率的漏电流，导致电磁干扰，影响周围电气设备的通讯。为在不增加额外硬件设备的情况下降低共模电压的不良影响，研究抑制共模电压幅值和频率的脉宽调制策略具有重要的实用意义。
针对三电平逆变器同步调制策略，文献《Modified SVPWM algorithm for threelevel VSI with synchronized and symmetrical waveforms》(A.R.Beig.[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2007,54(1):486-494.)通过规定采样点的个数、位置和使用的空间矢量序列，提出了使得输出电压波形满足三相对称和半波对称的同步SVPWM，从而消除了线电压中三的倍数次谐波和偶次谐波，优化了输出电压谐波性能。
针对三电平逆变器抑制共模电压的调制策略，文献《一种新颖的三电平光伏逆变器调制策略研究》(戴文君.[J].电力电子技术,2014,48(1):4-5.)通过只使用表1中的零矢量、中矢量和大矢量合成参考电压，避开共模电压幅值较高的小矢量，提出了可抑制共模电压幅值的十三矢量法，从而有效降低了共模电压的不良影响。
以上研究均只针对三电平逆变器的同步调制或抑制共模电压调制，并未将两者结合起来研究，未能同时优化输出电压谐波性能和共模电压性能。此外，以上调制方法均是基于空间矢量合成参考电压实现，均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，不利于工程推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种三电平逆变器同步载波调制方法和装置，以便于实现抑制共模电压的同步调制。
为解决上述技术问题，本发明提供一种三电平逆变器同步载波调制方法，包括：
对三相正弦波取反并分别注入预设偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同的预设空间角区域对三相分别选用对应的所述三相初始调制波，得到三相实际调制波；
将载波频率按照第一预设方向和第二预设方向分别得到第一载波和第二载波，其中所述第一载波包括第一三角载波和第二三角载波，所述第二载波包括第三三角载波和第四三角载波，通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波；
将所述三相实际调制波与所述实际载波通过预设的比较规则输出所述三电平逆变器的控制信号。
优选地，所述对三相正弦波取反并分别注入预设偏置量，得到三组三相初始调制波包括：
所述三组三相初始调制波包括第一组三相初始调制波、第二组三相初始调制波和第三组三相初始调制波；
对于所述第一组三相初始调制波Ma1、Mb1、Mc1，设置Ma1＝Sa+Z1，Mb1＝Sb+Z1，Mc1＝Sc+Z1；
对于所述第二组三相初始调制波Ma2、Mb2、Mc2，设置Ma2＝-Sa+Z2，Mb2＝-Sb+Z2，Mc2＝-Sc+Z2；
对于所述第三组三相初始调制波Ma3、Mb3、Mc3，设置Ma3＝-Sa+Z3，Mb3＝-Sb+Z3，Mc3＝-Sc+Z3。
其中，Sa、Sb、Sc代表三相正弦波，Z1代表所述第一组三相初始调制波的第一预设偏置量，Z2代表所述第二组三相初始调制波的第二预设偏置量，Z3代表所述第三组三相初始调制波的第三预设偏置量。
优选地，所述预设偏置量为：
所述第一组三相初始调制波的第一预设偏置量Z1，令Z1＝-(Smax+Smin)/2；
所述第二组三相初始调制波的第二预设偏置量Z2，令Z2＝(Smax+Smin)/2+1；
所述第三组三相初始调制波的第三预设偏置量Z3，令Z3＝(Smax+Smin)/2-1；
其中，Smax代表所述三相正弦波的最大值，Smin代表所述三相正弦波的最小值。
优选地，所述通过在不同的预设空间角区域对三相分别选用对应的所述三相初始调制波，得到三相实际调制波包括：所述预设空间角区域包括六组预设空间角区域，分别为第一预设空间角区域，第二预设空间角区域，第三预设空间角区域，第四预设空间角区域，第五预设空间角区域，第六预设空间角区域；
在所述第一预设空间角区域，设置Ma＝Ma2，Mb＝Mb1，Mc＝Mc1；
在所述第二预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb1，Mc＝Mc3；
在所述第三预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb2，Mc＝Mc1；
在所述第四预设空间角区域，设置Ma＝Ma3，Mb＝Mb1，Mc＝Mc1；
在所述第五预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb1，Mc＝Mc2；
在所述第六预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb3，Mc＝Mc1；
其中，Ma代表A相实际调制波、Mb代表B相实际调制波、Mc代表C相实际调制波。
优选地，所述将载波频率按照第一预设方向和第二预设方向的分别得到第一载波和第二载波，其中，根据所述第一预设方向确定所述第一载波的方式包括：
其中，fcarrier代表载波频率，tv为值在0到1/fcarrier之间循环变化的时间变量，Rcarrier_up代表第一预设方向载波的第一三角载波，Rcarrier_dn代表第一预设方向载波的第二三角载波；
根据所述第二预设方向载波确定所述第二载波的方式包括：
其中，Dcarrier_up代表第二预设方向的载波中的第三三角载波，Dcarrier_dn代表第二预设方向的载波中的第四三角载波。
优选地，所述载波频率为基波频率的预设倍数值，所述预设倍数值为3的偶数倍，包括：
其中，fb代表基波频率，K代表正整数。
优选地，所述通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波包括：
所述预设空间角区域包括六组预设空间角区域，分别为第一预设空间角区域，第二预设空间角区域，第三预设空间角区域，第四预设空间角区域，第五预设空间角区域，第六预设空间角区域；
在所述第一预设空间角区域、所述第三预设空间角区域、所述第五预设空间角区域的第一采样点处，选择所述第一载波作为所述实际载波；
在所述第二预设空间角区域、所述第四预设空间角区域、所述第六预设空间角区域的所述第一采样点处，选择所述第二载波作为所述实际载波。
优选地，所述预设的比较规则包括：
当所述三相实际调制波对应所述第一组三相初始调制波时，在所述三相实际调制波大于或者等于所述实际载波的第一三角载波或第三三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第一电平；在所述三相实际调制波小于或等于所述实际载波的第二三角载波或第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第二电平；在所述三相实际调制波小于所述实际载波的第一三角载波或第三三角载波且大于第二三角载波或第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第三电平；
当所述三相实际调制波对应所述第二组三相初始调制波时，在所述三相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波或所述第三三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第三电平；在所述三相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波或所述第三三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第一电平；
当所述三相实际调制波对应所述第三组三相初始调制波时，在所述三相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波或所述第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第三电平；在所述三相实际调制波大于所述实际载波的所述第二三角载波或所述第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第二电平。
优选地，所述通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波，包括：
对于A相，在所述第一预设空间角区域，当所述A相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述A相输出第三电平，当所述所述A相实际调制波小于实际载波的所述第一三角载波时，控制所述A相输出第一电平；
在所述第四预设空间角区域，当所述A相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述A相输出第三电平，当所述所述A相实际调制波大于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述A相输出第二电平；
在所述第三预设空间角区域或所述第五预设空间角区域，当所述A相实际调制波大于或等于实际载波的所述第一三角载波时，控制所述A相输出第一电平；当所述A相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波时，控制所述A相输出第二电平；当所述A相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波且大于所述第二三角载波时，控制所述A相输出第三电平；
在所述第二预设空间角区域或所述第六预设空间角区域，当所述A相实际调制波大于或等于实际载波的所述第三三角载波时，控制所述A相输出第一电平；当所述A相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述A相输出第二电平；当所述A相实际调制波小于所述实际载波的所述第三三角载波且大于所述第四三角载波时，控制所述A相输出第三电平；
对于B相，在所述第三预设空间角区域，当所述B相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述B相输出第三电平，当所述B相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述B相输出第一电平；
在所述第六预设空间角区域，当所述B相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述B相输出第三电平，当所述B相实际调制波大于实际载波的所述三角载波时，控制所述B相输出第二电平；
在所述第一预设空间角区域或在所述第五预设空间角区域，当所述B相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述B相输出第一电平；当所述B相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波时，控制所述B相输出第二电平；当所述B相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波且大于所述第二三角载波时，控制所述B相输出第三电平；
在所述第二预设空间角区域或在所述第四预设空间角区域，当所述B相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第三三角载波时，控制所述B相输出第一电平；当所述B相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述B相输出第二电平；当所述B相实际调制波小于所述实际载波的所述第三三角载波且大于所述第四三角载波时，控制所述B相输出第三电平；
对于C相，在所述第五预设空间角区域，当所述C相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述C相输出第三电平，当所述C相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述C相输出第一电平；
在所述第二预设空间角区域，当所述C相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述C相输出第三电平，当所述C相实际调制波大于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述C相输出第二电平；
在所述第一预设空间角区域或所述第三预设空间角区域，当所述C相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述C相输出第一电平；当所述C相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波时，控制所述C相输出第二电平；当所述C相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波且大于所述第二三角载波时，控制所述C相输出第三电平；
在所述第四预设空间角区域或所述第六预设空间角区域，当所述C相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第三三角载波时，控制所述C相输出第一电平；当所述C相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述C相输出第二电平；当所述C相实际调制波小于所述实际载波的所述第三三角载波且大于所述第四三角载波时，控制所述C相输出第三电平。
本发明提供一种三电平逆变器同步载波调制装置，包括：
调制波获取模块，用于对三相正弦波取反并分别注入预设偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同的预设空间角区域对三相分别选用对应的所述三相初始调制波，得到三相实际调制波；
载波获取模块，用于将载波频率按照第一预设方向和第二预设方向分别得到第一载波和第二载波；其中所述第一载波包括第一三角载波和第二三角载波，所述第二载波包括第三三角载波和第四三角载波，通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波；
控制信号获取模块，用于将所述三相实际调制波与所述实际载波通过预设的比较规则输出三电平逆变器的控制信号。
本发明通过对三相正弦波取反并注入特定偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同空间角区域对三相分别选用特定的初始调制波，得到三相实际调制波；通过在不同空间角区域选用特定初始方向载波，得到实际载波；制定实际调制波与实际载波的比较规则，并基于三相实际调制波与实际载波比较得到三电平逆变器的控制信号，从而实现降低共模电压的同步载波调制。相比传统同步调制方法，本发明方法在消除线电压中三的倍数次谐波和偶次谐波的同时可以将共模电压幅值降低二分之一，并可将共模电压变化频率降低三分之二，从而同时优化了输出电压谐波性能和共模电压性能。此外，本发明方法直接依据调制波与载波的比较结果得到三电平逆变器的控制信号，其无需计算空间矢量作用时间，故还具备计算简单、实现方便的优点。
附图说明
图1为一种三电平逆变器主电路拓扑；
图2为一种三电平逆变器的空间矢量图；
图3为本发明中一种三电平逆变器同步载波调制方法的具体实施流程图；
图4a、图4b为实施例中同步SVPWM在载波比为12时的仿真结果，其中：图4a为三电平逆变器在同步SVPWM作用下的相电压、线电压和共模电压，图4b为同步SVPWM的输出线电压FFT分析结果；
图5a、图5b为实施例中本发明方法在载波比为12时的仿真结果，其中：图5a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图5b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果；
图6a、图6b为实施例中本发明方法在载波比为24时的仿真结果，其中：图6a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图6b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果；
图7a、图7b为实施例中本发明方法在载波比为18时的仿真结果，其中：图7a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图7b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果；
图8a、图8b为实施例中本发明方法在载波比为6时的仿真结果，其中：图8a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图8b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果；
图9为实施例中利用三相实际调制波与实际载波比较得到三电平逆变器控制信号的仿真结果；
图10a、图10b、图10c、图10d为本发明实施例中在变化频率和调制比下的仿真结果，其中：图10a为载波比由30切换为24时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压，图10b为载波比由24切换为18时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压，图10c为载波比由18切换为12时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压，图10d为载波比由12切换为6时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对三电平逆变器，本发明通过对三相正弦波取反并分别注入预设偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同的预设空间角区域对三相分别选用对应的所述三相初始调制波，得到三相实际调制波；将载波频率按照第一预设方向和第二预设方向的载波分别得到第一载波和第二载波，其中所述第一载波包括第一三角载波和第二三角载波，所述第二载波包括第三三角载波和第四三角载波，通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波；将所述三相实际调制波与所述实际载波通过预设的比较规则输出三电平逆变器的控制信号。
具体地，对三相正弦波取反并注入特定偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同空间角区域对三相分别选用特定的三相初始调制波，得到三相实际调制波；通过设定三角载波频率为基波频率的三的偶数倍，得到两组初始方向相反的载波；通过在不同空间角区域选用特定初始方向载波，得到实际载波；制定实际调制波与实际载波的比较规则，并基于实际调制波与实际载波比较得到三电平逆变器的控制信号，从而实现降低共模电压的同步载波调制。
本发明一种三电平逆变器同步载波调制方法具体如下，可以参考图3流程图所示：
步骤一、得到三组三相初始调制波：
本发明通过对三相正弦波取反并注入特定偏置量，得到三组三相初始调制波的方法如下：
1)对于第一组三相初始调制波Ma1、Mb1、Mc1，设置Ma1＝Sa+Z1，Mb1＝Sb+Z1，Mc1＝Sc+Z1；
2)对于第二组三相初始调制波Ma2、Mb2、Mc2，设置Ma2＝-Sa+Z2，Mb2＝-Sb+Z2，Mc2＝-Sc+Z2；
3)对于第三组三相初始调制波Ma3、Mb3、Mc3，设置Ma3＝-Sa+Z3，Mb3＝-Sb+Z3，Mc3＝-Sc+Z3。
以上得到初始调制波的方法中，Sa、Sb、Sc代表三相正弦波，Z1代表第一组三相初始调制波的特定偏置量，Z2代表第二组三相初始调制波的特定偏置量，Z3代表第三组三相初始调制波的特定偏置量。其中，特定偏置量Z1、Z2、Z3的计算方法如下：
1)对于第一组三相初始调制波的特定偏置量Z1，令Z1＝-(Smax+Smin)/2；
2)对于第二组三相初始调制波的特定偏置量Z2，令Z2＝(Smax+Smin)/2+1；
3)对于第三组三相初始调制波的特定偏置量Z3，令Z3＝(Smax+Smin)/2-1。
以上特定偏置量计算方法中，Smax代表三相正弦波的最大值，Smin代表三相正弦波的最小值。
步骤二、得到三相实际调制波：
本实施例中第一预设空间角区域设为330°到30°空间角区域，第二预设空间角区域设为30°到90°空间角区域，第三预设空间角区域设为90°到150°空间角区域，第四预设空间角区域设为150°到210°空间角区域，第五预设空间角区域设为210°到270°空间角区域，第六预设空间角区域设为270°到330°空间角区域。
进一步地，本步骤中通过在不同空间角区域对三相分别选用特定的初始调制波，得到三相实际调制波的方法如下：
1)对于330°到30°空间角区域，设置Ma＝Ma2，Mb＝Mb1，Mc＝Mc1；
2)对于30°到90°空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb1，Mc＝Mc3；
3)对于90°到150°空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb2，Mc＝Mc1；
4)对于150°到210°空间角区域，设置Ma＝Ma3，Mb＝Mb1，Mc＝Mc1；
5)对于210°到270°空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb1，Mc＝Mc2；
6)对于270°到330°空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb3，Mc＝Mc1。
以上得到三相实际调制波的方法中，Ma、Mb、Mc代表三相实际调制波。
步骤三、得到两组初始方向相反的载波：
本发明通过设定三角载波频率为基波频率的三的偶数倍，得到两组初始方向相反的载波。
其中，初始上升方向为第一预设方向，初始上升方向的载波计算方法如式(1)：
式(1)中，fcarrier代表三角载波频率，tv为值在0到1/fcarrier之间循环变化的时间变量，Rcarrier_up代表初始上升方向的载波中的上三角载波，记为第一三角载波，Rcarrier_dn代表初始上升方向的载波中的下三角载波，记为第二三角载波；
初始下降方向为第二预设方向，初始下降方向载波计算方法如式(2)：
式(2)中，Dcarrier_up代表初始下降方向的载波中的上三角载波，记为第三三角载波，Dcarrier_dn代表初始下降方向的载波中的下三角载波，记为第四三角载波。
设定三角载波频率为基波频率的三的偶数倍的方法如式(3)：
式(3)中，fb代表基波频率，K代表正整数。
步骤四、得到实际载波：
本发明通过在不同空间角区域选用特定初始方向载波，得到实际载波的方法为：
1)在330°到30°、90°到150°、210°到270°空间角区域的第一个采样点处，选用初始上升方向的载波作为实际载波；
2)在30°到90°、150°到210°、270°到330°空间角区域的第一个采样点处，选用初始下降方向的载波作为实际载波。
步骤五、制定实际调制波与实际载波的比较规则：
本发明制定实际调制波与实际载波的比较规则如下：
本实施例中第一电平为P电平，第二电平为N电平，第三电平为O电平。
1)当实际调制波对应第一组初始调制波时，在实际调制波大于等于实际载波的上三角载波时，控制三电平逆变器输出P电平；在实际调制波小于等于实际载波的下三角载波时，控制三电平逆变器输出N电平；在实际调制波小于实际载波的上三角载波且大于下三角载波时，控制三电平逆变器输出O电平；
2)当实际调制波对应第二组初始调制波时，在实际调制波大于等于实际载波的上三角载波时，控制三电平逆变器输出O电平；在实际调制波小于实际载波的上三角载波时，控制三电平逆变器输出P电平；
3)当实际调制波对应第三组初始调制波时，在实际调制波小于等于实际载波的下三角载波时，控制三电平逆变器输出O电平；在实际调制波大于实际载波的下三角载波时，控制三电平逆变器输出N电平。
以上实际调制波与实际载波的比较规则中，P电平、O电平、N电平分别对应三电平逆变器由高到低输出的三种电平状态。
步骤六、得到三电平逆变器的控制信号：
本发明基于实际调制波与实际载波比较得到三电平逆变器的控制信号的方法如下：
1)对于A相，在330°到30°空间角区域，当Ma大于等于实际载波的上三角载波时，控制A相输出O电平，当Ma小于实际载波的上三角载波时，控制A相输出P电平；
在150°到210°空间角区域，当Ma小于等于实际载波的下三角载波时，控制A相输出O电平，当Ma大于实际载波的下三角载波时，控制A相输出N电平；
在30°到90°、90°到150°、210°到270°、270°到330°空间角区域，当Ma大于等于实际载波的上三角载波时，控制A相输出P电平；当Ma小于等于实际载波的下三角载波时，控制A相输出N电平；当Ma小于实际载波的上三角载波且大于下三角载波时，控制A相输出O电平；
2)对于B相，在90°到150°空间角区域，当Mb大于等于实际载波的上三角载波时，控制B相输出O电平，当Mb小于实际载波的上三角载波时，控制B相输出P电平；
在270°到330°空间角区域，当Mb小于等于实际载波的下三角载波时，控制B相输出O电平，当Mb大于实际载波的下三角载波时，控制B相输出N电平；
在330°到30°、30°到90°、150°到210°、210°到270°空间角区域，当Mb大于等于实际载波的上三角载波时，控制B相输出P电平；当Mb小于等于实际载波的下三角载波时，控制B相输出N电平；当Mb小于实际载波的上三角载波且大于下三角载波时，控制B相输出O电平；
3)对于C相，在210°到270°空间角区域，当Mc大于等于实际载波的上三角载波时，控制C相输出O电平，当Mc小于实际载波的上三角载波时，控制C相输出P电平；
在30°到90°空间角区域，当Mc小于等于实际载波的下三角载波时，控制C相输出O电平，当Mc大于实际载波的下三角载波时，控制C相输出N电平；
在330°到30°、90°到150°、150°到210°、270°到330°空间角区域，当Mc大于等于实际载波的上三角载波时，控制C相输出P电平；当Mc小于等于实际载波的下三角载波时，控制C相输出N电平；当Mc小于实际载波的上三角载波且大于下三角载波时，控制C相输出O电平。
本发明三电平逆变器同步载波调制方法的具体实施流程图如图3。
为实现抑制共模电压的同步调制，本发明提出一种三电平逆变器同步载波调制方法。相比传统同步调制方法，本发明方法在消除线电压中三的倍数次谐波和偶次谐波的同时可以将共模电压幅值降低二分之一，并可将共模电压变化频率降低三分之二，从而同时优化了输出电压谐波性能和共模电压性能。此外，本发明方法直接依据调制波与载波的比较结果得到三电平逆变器的控制信号，其无需计算空间矢量作用时间，故还具备计算简单、实现方便的优点。
下面结合附图和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降低共模电压的三电平逆变器同步载波调制方法的有效性。实施例仿真条件为：直流侧电压5000V，直流侧电容16.2mF，载波频率依据基波频率和载波比设定，仿真步长2us。
图4a、图4b为实施例中同步SVPWM在载波比为12时的仿真结果，其中：图4a为三电平逆变器在同步SVPWM作用下的相电压、线电压和共模电压，图4b为同步SVPWM的输出线电压FFT分析结果。当载波比为12时，同步SVPWM仿真结果表明：
1)在同步SVPWM作用下，三电平逆变器的输出相电压保持半波对称和三相对称，对应输出线电压不含三的倍数次谐波和偶次谐波，从而优化了输出电压谐波性能；
2)在同步SVPWM作用下，三电平逆变器的共模电压幅值达到直流侧电压值的三分之一，且共模电压变化频率达到采样频率的三倍。高幅值和高频率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和变化频率。
图5a、图5b为实施例中本发明方法在载波比为12时的仿真结果，其中：图5a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图5b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果。分析本发明方法在载波比为12时的仿真结果可知：
1)在本发明方法作用下，三电平逆变器的输出相电压保持半波对称和三相对称，对应输出线电压不含三的倍数次谐波和偶次谐波，从而优化了输出电压谐波性能；
2)在本发明方法作用下，三电平逆变器的共模电压幅值仅为直流侧电压值的六分之一，且共模电压变化频率等于采样频率。相比同步SVPWM，本发明方法可以将共模电压幅值降低二分之一，并可将共模电压变化频率降低三分之二，从而显著改善了共模电压性能。
图6a、图6b为实施例中本发明方法在载波比为24时的仿真结果，其中：图6a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图6b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果。分析本发明方法在载波比为24时的仿真结果可知：
1)当载波比为24时，在本发明方法作用下，三电平逆变器的输出相电压保持半波对称和三相对称，对应输出线电压不含三的倍数次谐波和偶次谐波，从而优化了输出电压谐波性能；
2)在本发明方法作用下，三电平逆变器的共模电压幅值仅为直流侧电压值的六分之一，且共模电压变化频率等于采样频率，从而显著降低了共模电压幅值和变化频率。
图7a、图7b为实施例中本发明方法在载波比为18时的仿真结果，其中：图7a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图7b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果。分析本发明方法在载波比为18时的仿真结果可知：
1)当载波比为18时，在本发明方法作用下，三电平逆变器的输出相电压保持半波对称和三相对称，对应输出线电压不含三的倍数次谐波和偶次谐波，从而优化了输出电压谐波性能；
2)在本发明方法作用下，三电平逆变器的共模电压幅值仅为直流侧电压值的六分之一，且共模电压变化频率等于采样频率，从而显著降低了共模电压幅值和变化频率。
图8a、图8b为实施例中本发明方法在载波比为6时的仿真结果，其中：图8a为三电平逆变器在本发明方法作用下的相电压、线电压和共模电压，图8b为本发明方法的输出线电压FFT分析结果。分析本发明方法在载波比为6时的仿真结果可知：
1)当载波比为6时，在本发明方法作用下，三电平逆变器的输出相电压保持半波对称和三相对称，对应输出线电压不含三的倍数次谐波和偶次谐波，从而优化了输出电压谐波性能；
2)在本发明方法作用下，三电平逆变器的共模电压幅值仅为直流侧电压值的六分之一，且共模电压变化频率等于采样频率，从而显著降低了共模电压幅值和变化频率。
图9为实施例中利用三相实际调制波与实际载波比较得到三电平逆变器控制信号的仿真结果。由图9可知，通过在330°到30°、90°到150°、210°到270°空间角区域使用初始上升方向的载波，在30°到90°、150°到210°、270°到330°空间角区域使用初始下降方向的载波，本发明方法得到实际载波。在此基础上，本发明方法直接依据实际调制波与实际载波的比较结果得到三电平逆变器的控制信号，其计算简单、实现方便。
令基波频率由0Hz增加至100Hz，并令调制比由0.2增加至0.95，图10a、图10b、图10c、图10d为实施例中本发明方法在变化频率和调制比下的仿真结果，其中：图10a为载波比由30切换为24时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压，图10b为载波比由24切换为18时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压，图10c为载波比由18切换为12时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压，图10d为载波比由12切换为6时，本发明方法的相电压、实际调制波与实际载波、共模电压。从中可知：
1)在变化频率和变化调制比下，本发明方法依据基波频率和载波比调整载波频率，可使得输出相电压波形始终满足半波对称和三相对称，对应输出线电压不含三的倍数次谐波和偶次谐波，从而优化了输出电压谐波性能；
2)在变化频率和变化调制比下，本发明方法作用下的共模电压幅值始终为直流侧电压值的六分之一，且共模电压变化频率始终等于采样频率，从而显著降低了共模电压幅值和变化频率；
3)在变化频率和变化调制比下，本发明方法只需改变实际调制波幅值和实际载波频率，便可通过比较得到三电平逆变器的控制信号。本发明方法无需计算空间矢量作用时间，其计算和实现非常简单；
4)在不同载波比切换时，本发明方法作用下的输出相电压不会出现两电平跳变和窄脉冲，故本发明方法具备较高的可靠性。
如图4a到图10d所示，实施例的结果验证了本发明一种三电平逆变器同步载波调制方法的有效性。相比传统同步调制方法，本发明方法在消除线电压中三的倍数次谐波和偶次谐波的同时可以将共模电压幅值降低二分之一，并可将共模电压变化频率降低三分之二，从而同时优化了输出电压谐波性能和共模电压性能。此外，本发明方法直接依据调制波与载波的比较结果得到三电平逆变器的控制信号，其无需计算空间矢量作用时间，故还具备计算简单、实现方便的优点。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种三电平逆变器同步载波调制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述方法包括:
对三相正弦波取反并分别注入预设偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同的预设空间角区域对三相分别选用对应的所述三相初始调制波，得到三相实际调制波；
将载波频率按照第一预设方向和第二预设方向分别得到第一载波和第二载波，其中所述第一载波包括第一三角载波和第二三角载波，所述第二载波包括第三三角载波和第四三角载波，通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波；
将所述三相实际调制波与所述实际载波通过预设的比较规则输出所述三电平逆变器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述对三相正弦波取反并分别注入预设偏置量，得到三组三相初始调制波包括：
所述三组三相初始调制波包括第一组三相初始调制波、第二组三相初始调制波和第三组三相初始调制波；
对于所述第一组三相初始调制波Ma1、Mb1、Mc1，设置Ma1＝Sa+Z1，Mb1＝Sb+Z1，Mc1＝Sc+Z1；
对于所述第二组三相初始调制波Ma2、Mb2、Mc2，设置Ma2＝-Sa+Z2，Mb2＝-Sb+Z2，Mc2＝-Sc+Z2；
对于所述第三组三相初始调制波Ma3、Mb3、Mc3，设置Ma3＝-Sa+Z3，Mb3＝-Sb+Z3，Mc3＝-Sc+Z3；
其中，Sa、Sb、Sc代表三相正弦波，Z1代表第一组三相初始调制波的第一预设偏置量，Z2代表第二组三相初始调制波的第二预设偏置量，Z3代表第三组三相初始调制波的第三预设偏置量。
3.根据权利要求2所述的三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述预设偏置量为：
所述第一组三相初始调制波的第一预设偏置量Z1，令Z1＝-(Smax+Smin)/2；
所述第二组三相初始调制波的第二预设偏置量Z2，令Z2＝(Smax+Smin)/2+1；
所述第三组三相初始调制波的第三预设偏置量Z3，令Z3＝(Smax+Smin)/2-1；
其中，Smax代表所述三相正弦波的最大值，Smin代表所述三相正弦波的最小值。
4.根据权利要求2或3所述三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述通过在不同的预设空间角区域对三相分别选用对应的所述三相初始调制波，得到三相实际调制波包括：所述预设空间角区域包括六组预设空间角区域，分别为第一预设空间角区域，第二预设空间角区域，第三预设空间角区域，第四预设空间角区域，第五预设空间角区域，第六预设空间角区域；
在所述第一预设空间角区域，设置Ma＝Ma2，Mb＝Mb1，Mc＝Mc1；
在所述第二预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb1，Mc＝Mc3；
在所述第三预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb2，Mc＝Mc1；
在所述第四预设空间角区域，设置Ma＝Ma3，Mb＝Mb1，Mc＝Mc1；
在所述第五预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb1，Mc＝Mc2；
在所述第六预设空间角区域，设置Ma＝Ma1，Mb＝Mb3，Mc＝Mc1；
其中，Ma代表A相实际调制波、Mb代表B相实际调制波、Mc代表C相实际调制波。
5.根据权利要求1所述三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述将载波频率按照第一预设方向和第二预设方向的分别得到第一载波和第二载波，其中，根据所述第一预设方向确定所述第一载波的方式包括：
其中，fcarrier代表载波频率，tv为值在0到1/fcarrier之间循环变化的时间变量，Rcarrier_up代表第一预设方向载波的第一三角载波，Rcarrier_dn代表第一预设方向载波的第二三角载波；
根据所述第二预设方向载波确定所述第二载波的方式包括：
其中，Dcarrier_up代表第二预设方向的载波中的第三三角载波，Dcarrier_dn代表第二预设方向的载波中的第四三角载波。
6.根据权利要求1所述三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述载波频率为基波频率的预设倍数值，所述预设倍数值为3的偶数倍，包括：
其中，fb代表基波频率，K代表正整数。
7.根据权利要求2所述三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波包括：
所述预设空间角区域包括六组预设空间角区域，分别为第一预设空间角区域，第二预设空间角区域，第三预设空间角区域，第四预设空间角区域，第五预设空间角区域，第六预设空间角区域；
在所述第一预设空间角区域、所述第三预设空间角区域、所述第五预设空间角区域的第一采样点处，选择所述第一载波作为所述实际载波；
在所述第二预设空间角区域、所述第四预设空间角区域、所述第六预设空间角区域的所述第一采样点处，选择所述第二载波作为所述实际载波。
8.根据权利要求7所述三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述预设的比较规则包括：
当所述三相实际调制波对应所述第一组三相初始调制波时，在所述三相实际调制波大于或者等于所述实际载波的第一三角载波或第三三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第一电平；在所述三相实际调制波小于或等于所述实际载波的第二三角载波或第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第二电平；在所述三相实际调制波小于所述实际载波的第一三角载波或第三三角载波且大于第二三角载波或第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第三电平；
当所述三相实际调制波对应所述第二组三相初始调制波时，在所述三相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波或所述第三三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第三电平；在所述三相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波或所述第三三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第一电平；
当所述三相实际调制波对应所述第三组三相初始调制波时，在所述三相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波或所述第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第三电平；在所述三相实际调制波大于所述实际载波的所述第二三角载波或所述第四三角载波时，控制所述三电平逆变器输出第二电平。
9.根据权利要求8所述三电平逆变器同步载波调制方法，其特征在于，所述通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波，包括：
对于A相，在所述第一预设空间角区域，当所述A相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述A相输出第三电平，当所述所述A相实际调制波小于实际载波的所述第一三角载波时，控制所述A相输出第一电平；
在所述第四预设空间角区域，当所述A相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述A相输出第三电平，当所述所述A相实际调制波大于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述A相输出第二电平；
在所述第三预设空间角区域或所述第五预设空间角区域，当所述A相实际调制波大于或等于实际载波的所述第一三角载波时，控制所述A相输出第一电平；当所述A相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波时，控制所述A相输出第二电平；当所述A相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波且大于所述第二三角载波时，控制所述A相输出第三电平；
在所述第二预设空间角区域或所述第六预设空间角区域，当所述A相实际调制波大于或等于实际载波的所述第三三角载波时，控制所述A相输出第一电平；当所述A相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述A相输出第二电平；当所述A相实际调制波小于所述实际载波的所述第三三角载波且大于所述第四三角载波时，控制所述A相输出第三电平；
对于B相，在所述第三预设空间角区域，当所述B相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述B相输出第三电平，当所述B相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述B相输出第一电平；
在所述第六预设空间角区域，当所述B相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述B相输出第三电平，当所述B相实际调制波大于实际载波的所述三角载波时，控制所述B相输出第二电平；
在所述第一预设空间角区域或在所述第五预设空间角区域，当所述B相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述B相输出第一电平；当所述B相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波时，控制所述B相输出第二电平；当所述B相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波且大于所述第二三角载波时，控制所述B相输出第三电平；
在所述第二预设空间角区域或在所述第四预设空间角区域，当所述B相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第三三角载波时，控制所述B相输出第一电平；当所述B相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述B相输出第二电平；当所述B相实际调制波小于所述实际载波的所述第三三角载波且大于所述第四三角载波时，控制所述B相输出第三电平；
对于C相，在所述第五预设空间角区域，当所述C相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述C相输出第三电平，当所述C相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述C相输出第一电平；
在所述第二预设空间角区域，当所述C相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述C相输出第三电平，当所述C相实际调制波大于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述C相输出第二电平；
在所述第一预设空间角区域或所述第三预设空间角区域，当所述C相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第一三角载波时，控制所述C相输出第一电平；当所述C相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第二三角载波时，控制所述C相输出第二电平；当所述C相实际调制波小于所述实际载波的所述第一三角载波且大于所述第二三角载波时，控制所述C相输出第三电平；
在所述第四预设空间角区域或所述第六预设空间角区域，当所述C相实际调制波大于或等于所述实际载波的所述第三三角载波时，控制所述C相输出第一电平；当所述C相实际调制波小于或等于所述实际载波的所述第四三角载波时，控制所述C相输出第二电平；当所述C相实际调制波小于所述实际载波的所述第三三角载波且大于所述第四三角载波时，控制所述C相输出第三电平。
10.一种三电平逆变器同步载波调制装置，其特征在于，包括:
调制波获取模块，用于对三相正弦波取反并分别注入预设偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同的预设空间角区域对三相分别选用对应的所述三相初始调制波，得到三相实际调制波；
载波获取模块，用于将载波频率按照第一预设方向和第二预设方向分别得到第一载波和第二载波；其中所述第一载波包括第一三角载波和第二三角载波，所述第二载波包括第三三角载波和第四三角载波，通过在所述不同的预设空间角区域选用对应的所述第一载波或所述第二载波，得到实际载波；
控制信号获取模块，用于将所述三相实际调制波与所述实际载波通过预设的比较规则输出三电平逆变器的控制信号。
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