CN113783456B - 一种三电平snpc逆变器的低共模矢量调制方法及系统 - Google Patents

一种三电平snpc逆变器的低共模矢量调制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法及系统，包括：采样三相电流，得到αβ坐标系下的参考电压矢量，根据其相角的值判断所述参考电压矢量所在的扇区；根据所述参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间；计算得到大矢量、虚拟中矢量和零矢量的作用时间；同时分开设计三电平SNPC逆变器耦合部分和独立部分的开关序列；其中，所述大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量；基于所述作用时间和开关序列控制三电平SNPC逆变器中的功率开关管的通断，以控制三电平逆变器的运行。本发明有效抑制了共模电压并实现了中点电位的平衡。

Description

一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法及系统
技术领域
本发明涉及三电平逆变器矢量调制技术领域，尤其涉及一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
三电平逆变器具有输出波形接近正弦波、电流谐波小的优点，广泛应用于高速铁路、新能源发电、电机控制等领域，如NPC型逆变器和级联型逆变器。而这些三电平逆变器的三相桥臂之间是相互独立的，因此至少需要12个开关。现有技术提出了一种新的三电平SNPC逆变器，三相共享四个有源开关。这种耦合结构将开关数量减少到10个，不需要二极管和电容器的辅助，大大降低了系统成本，具有很大的发展潜力。
在三电平逆变器的运行中，高共模电压会导致电磁干扰、共模电流大等问题，甚至影响系统的正常运行。而中点电压偏移会显著增加输出波形的总畸变率和功率器件的电压应力，甚至损坏功率器件。因此，同时实现共模电压的抑制和中点电压的平衡对三电平逆变器的正常工作非常必要。
由于三电平SNPC逆变器的耦合结构，该逆变器的空间矢量缺少了中矢量，这给拓扑的控制和调制方法带来了挑战。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种抑制共模电压的三电平SNPC逆变器矢量调制方法及系统，能够同时实现共模电压的抑制、中点平衡的控制和开关损耗的降低。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，其特征在于，包括：
采样三相电流，经过电流闭环控制和坐标变换后，得到αβ坐标系下的参考电压矢量，根据其相角的值判断所述参考电压矢量所在的扇区；
根据所述参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间；
基于用大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四个矢量合成参考电压矢量的矢量调制原则，计算得到大矢量、虚拟中矢量和零矢量的作用时间；同时分别设计三电平SNPC逆变器耦合部分和独立部分的开关序列；其中，所述大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量；
基于所述作用时间和开关序列控制三电平SNPC逆变器中的功率开关管的通断，以控制三电平逆变器的运行。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制系统，包括：
用于采样三相电流，经过电流闭环控制和坐标变换后，得到αβ坐标系下的参考电压矢量，根据其相角的值判断所述参考电压矢量所在的扇区的模块；
用于根据所述参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间的模块；
用于基于用大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四个矢量合成参考电压矢量的调制原则，计算得到大矢量、虚拟中矢量和零矢量的作用时间；同时分别设计三电平SNPC逆变器耦合部分和独立部分的开关序列；其中，所述大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量的模块；
用于基于所述作用时间和开关序列控制三电平SNPC逆变器中的功率开关管的通断，以控制三电平逆变器的运行的模块。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明三电平SNPC逆变器减少了两个IGBT管，降低了系统成本；与传统空间矢量调制方法相比，降低了系统的电磁干扰；大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量，共模电压的幅值减至直流侧电源电压的六分之一，减小了50％。
(2)本发明根据参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间，有效实现了中点电位的平衡；当异常情况导致中点电位发生偏移时，能够恢复中点平衡。
(3)本发明引入了虚拟中矢量，并采用四个矢量来合成参考电压矢量，提高了调制精度，改善了电流波形。同时，分开设计三电平SNPC逆变器耦合部分和独立部分的开关序列，不产生额外的开关切换，也并未额外增加开关损耗。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明的三电平SNPC逆变器系统的拓扑结构；
图2为本发明的三电平SNPC逆变器的空间矢量图；
图3为本发明的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法控制框图；
图4(a)-(b)分别为本发明的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法的P型开关序列和N型开关序列；
图5为本发明的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法的仿真结果图；
图6为本发明的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法的中点平衡恢复能力的仿真图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，该方法针对三电平SNPC逆变器，结合图1，三电平SNPC逆变器的拓扑结构图，包括耦合部分和独立部分两部分。耦合部分中四个功率开关管串联，所述四个开关管的中点与直流侧两个滤波电容的中性点相连。独立模块包括A相、B相和C相桥臂，每相桥臂包括两个功率开关管，共六个功率开关管，各相桥臂中点经滤波器与交流负载连接。
本实施例中，开关管可以选用IGBT管。
耦合部分通过不同的开关组合产生三种电平，但在同一时刻只能产生两种电平，独立模块的三相桥臂对这种两种电平进行选择，如表1所示。这三种电平为分别记作P、O、N；其中，Vdc为直流电源的幅值。
表1本发明方法的三电平SNPC逆变器的电压矢量与开关序列的关系
进一步地，耦合部分不同的开关组合与输出电压的关系具体为：
表2本发明方法的三电平SNPC逆变器耦合部分的开关组合与输出电压的关系
进一步地，独立部分开关状态Sx＝1(x＝a，b，c)表示，x相上桥臂导通，选择V1为该相的输出电压；Sx＝0(x＝a，b，c)表示，x相下桥臂导通，选择V2为该相的输出电压。
本实施例提供了一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，包括以下过程：
(1)采样三相电流，经过电流闭环控制和坐标变换后，得到αβ坐标系下的参考电压矢量，根据其相角的值判断所述参考电压矢量所在的扇区；
(2)根据所述参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间；
(3)基于用大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四个矢量合成参考电压矢量的调制原则，计算得到大矢量、虚拟中矢量和零矢量的作用时间；同时设计三电平SNPC逆变器的开关序列；
(4)基于所述作用时间和开关序列控制三电平SNPC逆变器中的功率开关管的通断，以控制三电平逆变器的运行。
具体地，本实施例采用的基本矢量共13个，据幅值的不同，分为大矢量、小矢量和零矢量。其中，大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量，低共模矢量是指共模电压的值小于或等于Vdc/6的矢量。本实施例通过选取低共模矢量，使得共模电压的幅值减至直流侧电源电压的六分之一，减小了50％。
表3列出了本发明方法选用的低共模的基本电压矢量及对应的共模电压幅值。
共模电压定义为三电平SNPC逆变器三相输出电压的平均值。
表3本发明方法选用的基本电压矢量及对应的共模电压幅值
本实施例中，为了提高调制精度，我们引入了虚拟中矢量。虚拟中矢量是由相邻的两个大矢量作用相同时间来合成的，因此其共模电压也较低。
其中，V13,V14,V15,V16,V17,V18为6个虚拟中矢量。
图2为三电平SNPC逆变器系统的基本空间矢量图，是在αβ坐标系下对三电平SNPC逆变器的三相输出电压Ua，Ub，Uc进行建模。其中，根据αβ坐标系中的两相电压可以定义参考电压矢量为：Vref＝Uα+jUβ.；本实施例采用四个矢量(大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量)来合成参考电压矢量Vref，四个矢量根据占比各作用一段时间，等效于一个采样周期TS内参考电压矢量Vref的作用效果。
本实施例中，将空间矢量图划分为12个扇区，每个扇区占30度。采用低共模的大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四矢量调制方法，合成参考电压矢量Vref，得到伏秒平衡方程：
其中，TB、TM、TSM和TZ分别是大矢量VB、虚拟中矢量VM、小矢量VSM和零矢量VZ的作用时间。
本实施例中，充分考量三电平SNPC逆变器的耦合特点，分开设计耦合部分和独立部分的开关序列。
三电平SNPC逆变器是一个三相耦合的拓扑，所以直接由电压矢量代表各相开关状态的传统发波方式难以直接应用。
本实施例中，根据中点电位的正负，确定三电平SNPC逆变器耦合部分的开关序列；根据中点电位的正负以及参考电压矢量所在的扇区，确定三电平SNPC逆变器独立部分的开关序列。
如表1所示，耦合部分决定了矢量类型，独立部分像两电平拓扑一样工作，决定三相电压。对于耦合部分而言，所有P型小矢量的电压状态V1V2都是P和O，差别只在于每一相选择的是P还是O作为输出。同样地，所有P型小矢量的电压状态V1V2都是O和N，所有大矢量的电压状态V1V2都是P和N。而虚拟中矢量是由两个大矢量合成的，所以虚拟中矢量耦合部分的电压状态V1V2也都是P和N。耦合部分的电压状态V1V2都是O和O的小矢量共模电压低，是我们的不二选择。不管P型小矢量还是N型小矢量和零矢量或者大矢量之间只需要一个开关的切换。因此，零矢量-小矢量-大矢量-虚拟中矢量-大矢量-小矢量-零矢量的序列，在一个开关周期内每个功率开关管只通断一次，这对于减少开关损耗是最优的选择。
低共模矢量调制方法中用到零矢量、小矢量、大矢量和虚拟中矢量，虚拟中矢量是两个大矢量作用合成的，因此实际作用的是一个零矢量、一个小矢量和两个大矢量。V0的独立部分开关状态[Sa Sb Sc]共有七个状态，完全可以设计得和小矢量的相同。而小矢量的独立部分开关状态必然会和其中一个大矢量相同，所以只有一个大矢量和其余三个矢量的独立部分开关状态不同。因此，在一个开关周期内，独立部分开关状态只改变一位是完全可行的。
最终，本实施例设计的耦合部分和独立部分的开关序列如表4和表5所示。
表4耦合部分的开关序列
表5独立部分的开关序列
图3为本发明的低共模矢量调制方法的控制框图，主要有电流闭环控制、中点电压平衡、作用时间的计算和开关序列的设计四大功能共同作用，产生驱动功率管的PWM信号。
采样三相电流，经电流闭环控制和坐标变换后，得到αβ坐标系下的参考电压量Vref，根据Uα和Uβ的值便可判断参考电压矢量所在的扇区，记为S，S取值为1-12的整数。
NPC三电平变流器中点电位等于两个电容电压的差值，即ΔU＝VP-VN。以参考电压矢量在第1扇区时为例，分析该发明方法的中点电压平衡、矢量作用时间和开关序列设计。
1)当ΔU大于0时，选取大矢量V7、中矢量V13、小矢量V1和零矢量V0合成参考电压矢量，耦合部分的开关序列为OO-PO-PN-PN-PN-PO-OO，独立部分的开关序列为100-100-100-110-100-100-100，根据上述的伏秒平衡方程，四矢量的作用时间为：
为了保证各矢量的作用时间非负，小矢量V1的作用时间y1满足
2)当ΔU小于0时，选取大矢量V7、中矢量V13、小矢量V2和零矢量V0合成参考电压矢量，耦合部分的开关序列为OO-ON-PN-PN-PN-ON-OO，独立部分的开关序列为110-110-110-100-110-110-110，根据上述的伏秒平衡方程，四矢量的作用时间为：
为了保证各矢量的作用时间非负，小矢量V2的作用时间y2满足
其中，Ts为采样周期，m为调制度。
对于参考电压矢量在其它扇区的情形，可以采用与第1扇区类似的方法，结合空间矢量图的对称性进行分析。
图4(a)-(b)为本发明实施例的低共模矢量调制方法的开关序列设计，以扇区1为例，图4(a)为ΔU大于0时，选用的P型开关序列；图4(b)为ΔU小于0时，选用的N型开关序列。其中，P型开关序列具体为：零矢量—P型小矢量—大矢量—虚拟中矢量—大矢量—P型小矢量—零矢量；
N型开关序列具体为：零矢量—N型小矢量—大矢量—虚拟中矢量—大矢量—N型小矢量—零矢量。
本实施例中，虚拟中矢量[PON]是由两个大矢量V7[PNN]和V8[PPN]各作用一半的时间来等效的。得益于低共模矢量的选用，共模电压的值被降低到直源电压幅值的六分之一。一个周期内开关动作六次，与传统的NPC三电平逆变器相比，并没有增加额外的开关切换。而由于两个功率开关管的减少，十开关三电平逆变器的系统成本有所降低。
图5为本发明的四矢量调制方法的仿真结果图，从上往下分别记录了三相电流、线电压、直流侧电容电压和共模电压的仿真波形。显然，所提出的四矢量调制方法的共模电压幅值为直流侧电源电压的1/6，降低到了传统SVPWM的共模电压的一半。此外，低共模矢量调制的电压幅值在0到Vdc之间变化，电压利用率高。直流侧上下电容电压相等，平衡在直流侧电源电压的一半。
图6为本发明的四矢量调制方法在中点偏移时中点平衡的仿真恢复图。当中点电压偏移时，PI控制器实时调节小矢量的作用时间，增大P型或N型小矢量的作用时间，使得相应的电容进行充放电，在0.02s秒内恢复中点电压平衡。上述仿真结果很好地验证了所提出的低共模矢量调制方法大大抑制了共模电压，并具有很好的中点平衡控制能力。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制系统，包括：
用于采样三相电流，经过电流闭环控制和坐标变换后，得到αβ坐标系下的参考电压矢量，根据其相角的值判断所述参考电压矢量所在的扇区的模块；
用于根据所述参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间的模块；
用于基于用大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四个矢量合成参考电压矢量的调制原则，计算得到大矢量、虚拟中矢量和零矢量的作用时间；同时设计三电平SNPC逆变器的开关序列；其中，所述大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量的模块；
用于基于所述作用时间和开关序列控制三电平SNPC逆变器中的功率开关管的通断，以控制三电平逆变器的运行的模块。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例四
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，其特征在于，包括：
采样三相电流，经过电流闭环控制和坐标变换后，得到αβ坐标系下的参考电压矢量，根据其相角的值判断所述参考电压矢量所在的扇区；
根据所述参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间；
基于用大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四个矢量合成参考电压矢量的调制原则，计算得到大矢量、虚拟中矢量和零矢量的作用时间；同时分别设计三电平SNPC逆变器耦合部分和独立部分的开关序列；其中，所述大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量；
基于所述作用时间和开关序列控制三电平SNPC逆变器中的功率开关管的通断，以控制三电平逆变器的运行；
其中，所述同时分别设计三电平SNPC逆变器耦合部分和独立部分的开关序列，具体包括：
根据中点电位的正负，确定三电平SNPC逆变器耦合部分的开关序列；
根据中点电位的正负以及参考电压矢量所在的扇区，确定三电平SNPC逆变器独立部分的开关序列；
其中，耦合部分决定矢量类型，独立部分决定三相电压。
2.如权利要求1所述的一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，其特征在于，所述虚拟中矢量由相邻的两个大矢量作用相同时间来合成。
3.如权利要求1所述的一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，其特征在于，NPC三电平变流器中点电位等于两个电容电压的差值，所述差值大于零时，选用P型小矢量；所述差值小于零时，选用N型小矢量。
4.如权利要求1所述的一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，其特征在于，NPC三电平变流器中点电位大于零时，所述小矢量的作用时间满足：
其中，Ts为采样周期，m为调制度。
5.如权利要求1所述的一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，其特征在于，NPC三电平变流器中点电位小于零时，所述小矢量的作用时间满足：
其中，Ts为采样周期，m为调制度。
6.如权利要求1所述的一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法，其特征在于，采用大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四矢量调制方法，合成参考电压矢量，得到每个矢量的作用时间，具体为：
其中，TB、TM、TSM和TZ分别是大矢量VB、虚拟中矢量VM、小矢量VSM和零矢量VZ的作用时间。
7.一种三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制系统，其特征在于，包括：
用于采样三相电流，经过电流闭环控制和坐标变换后，得到αβ坐标系下的参考电压矢量，根据其相角的值判断所述参考电压矢量所在的扇区的模块；
用于根据所述参考电压矢量所在的扇区和中点电位情况选择小矢量，并通过PI控制器来调节小矢量的作用时间的模块；
用于基于用大矢量、虚拟中矢量、小矢量和零矢量四个矢量合成参考电压矢量的调制原则，计算得到大矢量、虚拟中矢量和零矢量的作用时间；同时设计三电平SNPC逆变器的开关序列；其中，所述大矢量、小矢量和零矢量均为低共模矢量的模块；
用于基于所述作用时间和开关序列控制三电平SNPC逆变器中的功率开关管的通断，以控制三电平逆变器的运行的模块；
其中，所述同时分别设计三电平SNPC逆变器耦合部分和独立部分的开关序列，具体包括：
根据中点电位的正负，确定三电平SNPC逆变器耦合部分的开关序列；
根据中点电位的正负以及参考电压矢量所在的扇区，确定三电平SNPC逆变器独立部分的开关序列；
其中，耦合部分决定矢量类型，独立部分决定三相电压。
8.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法。
9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的三电平SNPC逆变器的低共模矢量调制方法。
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