CN113890403A - 非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法 - Google Patents

Abstract

非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法。定义持续时间低于最小脉宽时间MinP的脉冲为窄脉冲，当采样方式为非对称规则采样时，所述方法首先检测三相电压的绝对值；定义零序电压为U_z，载波频率为f_c，在三相电压绝对值均小于(MinP×f_c)时，所述方法令U_z为(3×MinP×f_c)；定义三相电压的最大值为U_max，三相电压的最小值为U_min，在三相电压任意两相绝对值小于(2×MinP×f_c)时，所述方法依据相角令U_z分别为(‑U_min+2×MinP×f_c)和(‑U_max‑2×MinP×f_c)；在三相电压任意两相绝对值大于(2×MinP×f_c)时，所述方法依据载波方向和三相电压绝对值在线计算U_z；通过将U_z注入三相电压来得到三相调制波，并利用调制波与载波比较实现调制。本发明方法可在任意调制比下消除窄脉冲，其可准确输出线电压，且其易于实现。

Description

非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法

技术领域

本发明涉及一种窄脉冲消除方法，尤其涉及一种非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法。

背景技术

三电平中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)变流器是最常用的三电平变流器，其主电路拓扑如图1。三电平NPC变流器具备开关器件电压应力低、结构和控制简单、可实现能量回馈等优点，因此在新能源发电、冶金采矿、电网无功补偿等领域得到了广泛应用。

当三电平变流器应用于大功率场合时，其开关器件需选用最大关断电流和断态重复峰值电压较高的大功率开关器件。文献《A novel multilevel crrier-based PWMcontrol method for GTO inverter in low index modulation region》(Lazhar Ben-Brahim.[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2006,42(1):121-127.)指出，大功率开关器件如GTO、IGCT存在固有的开通和关断时间，而能够保证开关器件顺利开通和关断并安全运行的最短时间为最小脉宽时间。各开关器件脉冲信号的持续时间均需大于最小脉宽时间，否则将导致开关器件无法正常开通和关断，严重时甚至会损坏开关器件。故为提高系统的可靠性，三电平变流器在使用大功率开关器件时需注意消除持续时间低于最小脉宽时间的窄脉冲。

文献《A narrow pulse compensation method for neutral-point-clampedthree-level converters considering neutral-point balance》(Bo Guan.[C].ICPE-ECCE Asia,Seoul,2015,2770-2775.)总结并提出了共四种窄脉冲消除方法，分别为：

1)直接窄脉冲消除法：通过检测并调整脉冲的宽度，直接将窄脉冲消除或将其作用时间拓展至最小脉宽时间。该方法会导致输出线电压幅值畸变；

2)零序电压注入法：通过在三相正弦波上同时注入零序电压来避免窄脉冲。该方法的优点是可以准确输出线电压，缺点是无法完全消除窄脉冲，其在消除一相窄脉冲的同时可能导致另外两相出现窄脉冲；

3)改进零序电压注入法一：该方法在零序电压注入法的基础上修改零序电压表达式，从而可以完全消除窄脉冲，但会对中点电位产生不良影响；

4)改进零序电压注入法二：该方法首先判断可完全消除窄脉冲的零序电压范围，从中选择对中点电位影响最小的零序电压注入三相正弦波。其优点是可在对中点电位影响最小的情况下消除窄脉冲，缺点是实现较为复杂。

以上四种窄脉冲消除方法均是针对三电平变流器使用对称规则采样作为采样方式的情况。文献《大功率三电平逆变器脉宽调制及磁场定向控制的研究》(殷正刚，[D].北京:中国科学院大学,2012)指出，除对称规则采样外，三电平变流器还可以使用非对称规则采样作为采样方式。两种采样方式分别如图2a和图2b所示，其中，对称规则采样只在三角载波的零值时刻对参考电压进行取样，采样值在一个三角载波周期内保持恒定；非对称规则采样则是在三角载波的零值时刻和峰值时刻均对参考电压进行采样，采样值在一个三角载波周期内变化两次。两种采样方式对应的开关动作次数相同，但非对称规则采样可以更及时地反映参考电压的变化情况，从而降低输出电压谐波。由于大功率变流器的开关次数较少，故其更适合选用非对称规则采样作为采样方式。

在非对称规则采样下，由于采样频率增加了一倍，三相电压在过零点附近的采样值变化情况更为复杂，以上四种传统窄脉冲消除方法均无法完全消除窄脉冲。因此，为提高三电平变流器在非对称规则采样下的可靠性，研究适用于非对称规则采样的窄脉冲消除方法具有重要的应用意义。

发明内容

针对传统窄脉冲消除方法在非对称规则采样下无法完全消除窄脉冲的缺陷，本发明提出一种非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法。当三电平变流器的采样方式为非对称规则采样时，本发明通过向三相电压中注入特定零序电压，可在任意调制比下完全消除窄脉冲，从而提高了三电平变流器的可靠性。此外，本发明可准确输出线电压，且其计算简单，易于工程推广和应用。

定义持续时间低于最小脉宽时间MinP的脉冲为窄脉冲，当三电平变流器的采样方式为非对称规则采样时，本发明首先检测三相电压的绝对值；定义零序电压为U_z，载波频率为f_c，在三相电压绝对值均小于(MinP×f_c)时，本发明令U_z为(3×MinP×f_c)；定义三相电压的最大值为U_max，三相电压的最小值为U_min，在三相电压任意两相绝对值小于(2×MinP×f_c)时，本发明依据相角令U_z分别为(-U_min+2×MinP×f_c)和(-U_max-2×MinP×f_c)；在三相电压任意两相绝对值大于(2×MinP×f_c)时，本发明依据载波方向和三相电压绝对值在线计算U_z；通过将U_z注入三相电压来得到三相调制波，本发明利用调制波与载波比较实现调制。

本发明非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法具体如下：

1、检测三相电压绝对值

定义A相电压为U_a，A相电压绝对值为absU_a，B相电压为U_b，B相电压绝对值为absU_b，C相电压为U_c，C相电压绝对值为absU_c，本发明检测三相电压绝对值的方法如下：

当U_a≥0时，令absU_a＝U_a；当U_a＜0时，令absU_a＝-U_a；

当U_b≥0时，令absU_b＝U_b；当U_b＜0时，令absU_b＝-U_b；

当U_c≥0时，令absU_c＝U_c；当U_c＜0时，令absU_c＝-U_c。

2、制定三相电压绝对值均小于(MinP×f_c)时的零序电压计算方法

定义载波频率为f_c，最小脉宽时间为MinP，在三相电压绝对值均小于(MinP×f_c)时，本发明对零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a＜(MinP×f_c)且absU_b＜(MinP×f_c)且absU_c＜(MinP×f_c)时，令U_z＝3×MinP×f_c；

上述计算方法中，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值。

3、制定三相电压任意两相绝对值小于(2×MinP×f_c)时的零序电压计算方法

定义三相电压的最大值为U_max，三相电压的最小值为U_min，在三相电压任意两相绝对值小于(2×MinP×f_c)时，本发明对零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a＜(2×MinP×f_c)且absU_b＜(2×MinP×f_c)，或absU_a＜(2×MinP×f_c)且absU_c＜(2×MinP×f_c)，或absU_b＜(2×MinP×f_c)且absU_c＜(2×MinP×f_c)时：

若相角位于0度到30度、60度到90度、120度到150度、180度到210度、240度到270度、300度到330度区域，令U_z＝(-U_min+2×MinP×f_c)；

若相角位于30度到60度、90度到120度、150度到180度、210度到240度、270度到300度、330度到360度区域，令U_z＝(-U_max-2×MinP×f_c)；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值。

4、制定B相电压绝对值和C相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时的零序电压计算方法

定义A相调制波在上一采样周期的值为U_{a2_pre}，在B相电压绝对值和C相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时，本发明对零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_b≥(2×MinP×f_c)且absU_c≥(2×MinP×f_c)时：

对于absU_a＜(0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_{a2_pre}＝(-MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；

2)当U_{a2_pre}＝(MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；

3)当U_{a2_pre}＝0时，令U_z＝-U_a；

对于absU_a≥(0.5×MinP×f_c)且absU_a＜(MinP×f_c)的情况：

1)当U_{a2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_a＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；

2)当U_{a2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_a＜0时，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；

3)当U_{a2_pre}＝(MinP×f_c)且U_a＞0时，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；

4)当U_{a2_pre}＝(MinP×f_c)且U_a＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_a；

5)当U_{a2_pre}＝0且U_a＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；

6)当U_{a2_pre}＝0且U_a＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_a；

对于absU_a≥(MinP×f_c)且absU_a≤(1-MinP×f_c)的情况，令U_z＝0；

对于absU_a＞(1-MinP×f_c)且absU_a＜(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_a＞0时，令U_z＝(1-U_a-MinP×f_c)；

2)当U_a＜0时，令U_z＝(-1-U_a+MinP×f_c)；

对于absU_a≥(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_a＞0时，令U_z＝(1-U_a)；

2)当U_a＜0时，令U_z＝(-1-U_a)；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值，U_a为A相电压，U_{a2_pre}为A相调制波在上一采样周期的值。其中，本发明对U_{a2_pre}的赋值方法如下：

在当前采样周期开始处，在计算更新A相调制波值之前，先令U_{a2_pre}＝U_a2；对U_{a2_pre}进行赋值之后再计算更新U_a2的值。

5、制定A相电压绝对值和C相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时的零序电压计算方法

定义B相调制波在上一采样周期的值为U_{b2_pre}，在A相电压绝对值和C相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时，本发明对零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a≥(2×MinP×f_c)且absU_c≥(2×MinP×f_c)时：

对于absU_b＜(0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_{b2_pre}＝(-MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；

2)当U_{b2_pre}＝(MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；

3)当U_{b2_pre}＝0时，令U_z＝-U_b；

对于absU_b≥(0.5×MinP×f_c)且absU_b＜(MinP×f_c)的情况：

1)当U_{b2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_b＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；

2)当U_{b2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_b＜0时，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；

3)当U_{b2_pre}＝(MinP×f_c)且U_b＞0时，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；

4)当U_{b2_pre}＝(MinP×f_c)且U_b＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_b；

5)当U_{b2_pre}＝0且U_b＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；

6)当U_{b2_pre}＝0且U_b＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_b；

对于absU_b≥(MinP×f_c)且absU_b≤(1-MinP×f_c)的情况，令U_z＝0；

对于absU_b＞(1-MinP×f_c)且absU_b＜(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_b＞0时，令U_z＝(1-U_b-MinP×f_c)；

2)当U_b＜0时，令U_z＝(-1-U_b+MinP×f_c)；

对于absU_b≥(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_b＞0时，令U_z＝(1-U_b)；

2)当U_b＜0时，令U_z＝(-1-U_b)；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值，U_b为B相电压，U_{b2_pre}为B相调制波在上一采样周期的值。其中，本发明对U_{b2_pre}的赋值方法如下：

在当前采样周期开始处，在计算更新B相调制波值之前，先令U_{b2_pre}＝U_b2；对U_{b2_pre}进行赋值之后再计算更新U_b2的值。

6、制定A相电压绝对值和B相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时的零序电压计算方法

定义C相调制波在上一采样周期的值为U_{c2_pre}，在A相电压绝对值和B相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时，本发明对零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a≥(2×MinP×f_c)且absU_b≥(2×MinP×f_c)时：

对于absU_c＜(0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_{c2_pre}＝(-MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；

2)当U_{c2_pre}＝(MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；

3)当U_{c2_pre}＝0时，令U_z＝-U_c；

对于absU_c≥(0.5×MinP×f_c)且absU_c＜(MinP×f_c)的情况：

1)当U_{c2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_c＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；

2)当U_{c2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_c＜0时，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；

3)当U_{c2_pre}＝(MinP×f_c)且U_c＞0时，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；

4)当U_{c2_pre}＝(MinP×f_c)且U_c＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_c；

5)当U_{c2_pre}＝0且U_c＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；

6)当U_{c2_pre}＝0且U_c＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_c；

对于absU_c≥(MinP×f_c)且absU_c≤(1-MinP×f_c)的情况，令U_z＝0；

对于absU_c＞(1-MinP×f_c)且absU_c＜(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_c＞0时，令U_z＝(1-U_c-MinP×f_c)；

2)当U_c＜0时，令U_z＝(-1-U_c+MinP×f_c)；

对于absU_c≥(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_c＞0时，令U_z＝(1-U_c)；

2)当U_c＜0时，令U_z＝(-1-U_c)；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值，U_c为C相电压，U_{c2_pre}为C相调制波在上一采样周期的值。其中，本发明对U_{c2_pre}的赋值方法如下：

在当前采样周期开始处，在计算更新C相调制波值之前，先令U_{c2_pre}＝U_c2；对U_{c2_pre}进行赋值之后再计算更新U_c2的值。

7、将零序电压注入三相电压，得到三相调制波

本发明将零序电压U_z注入三相电压来得到三相调制波的方法如下：

式(1)中，U_a为A相电压，U_a2为A相调制波，U_b为B相电压，U_b2为B相调制波，U_c为C相电压，U_c2为C相调制波，U_z为零序电压。

8、利用调制波与载波比较实现调制

定义C_up代表频率为f_c且取值在0到1之间的载波，C_dn代表频率为f_c且取值在-1到0之间的载波，三电平变流器由高到低输出的三种电平分别为2E、E、0，本发明利用调制波与载波比较实现调制的方法如下：

当U_a2≥C_up且U_a2≥C_dn时，A相输出电平为2E；当U_b2≥C_up且U_b2≥C_dn时，B相输出电平为2E；当U_c2≥C_up且U_c2≥C_dn时，C相输出电平为2E；

当U_a2≤C_up且U_a2≤C_dn时，A相输出电平为0；当U_b2≤C_up且U_b2≤C_dn时，B相输出电平为0；当U_c2≤C_up且U_c2≤C_dn时，C相输出电平为0；

当U_a2＜C_up且U_a2＞C_dn时，A相输出电平为E；当U_b2＜C_up且U_b2＞C_dn时，B相输出电平为E；当U_c2＜C_up且U_c2＞C_dn时，C相输出电平为E；

上述方法中，U_a2为A相调制波，U_b2为B相调制波，U_c2为C相调制波。

附图说明

图1三电平变流器主电路拓扑图；

图2a、图2b对称规则采样和非对称规则采样示意图，其中：图2a对应对称规则采样，图2b对应非对称规则采样；

图3本发明非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法的具体实施流程图；

图4a、图4b实施例中调制比为0.02且不使用窄脉冲消除方法时的仿真结果，其中：图4a为不使用窄脉冲消除方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图4b为不使用窄脉冲消除方法时的三相间线电压的基波幅值；

图5a、图5b实施例中调制比为0.02且使用传统直接窄脉冲消除法时的仿真结果，其中：图5a为使用传统直接窄脉冲消除法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图5b为使用传统直接窄脉冲消除法时的三相间线电压的基波幅值；

图6a、图6b实施例中调制比为0.02且使用传统零序电压注入法时的仿真结果，其中：图6a为使用传统零序电压注入法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图6b为使用传统零序电压注入法时的三相间线电压的基波幅值；

图7a、图7b实施例中调制比为0.02且使用本发明方法时的仿真结果，其中：图7a为使用本发明方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图7b为使用本发明方法时的三相间线电压的基波幅值；

图8a、图8b实施例中调制比为1且不使用窄脉冲消除方法时的仿真结果，其中：图8a为不使用窄脉冲消除方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图8b为不使用窄脉冲消除方法时的三相间线电压的基波幅值；

图9a、图9b实施例中调制比为1且使用本发明方法时的仿真结果，其中：图9a为使用本发明方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图9b为使用本发明方法时的三相间线电压的基波幅值；

图10a、图10b实施例中调制比为0.03、最小脉宽时间设置为20us、载波频率为1000Hz、采样频率为2000Hz、基波频率为20Hz，不使用窄脉冲消除方法时的仿真结果，其中：图10a为不使用窄脉冲消除方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图10b为不使用窄脉冲消除方法时的三相间线电压的基波幅值；

图11a、图11b实施例中调制比为0.03、最小脉宽时间设置为20us、载波频率为1000Hz、采样频率为2000Hz、基波频率为20Hz，使用本发明方法时的仿真结果，其中：图11a为使用本发明方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图11b为使用本发明方法时的三相间线电压的基波幅值。

具体实施方式

下面结合具体实施流程图和实施例对本发明作进一步说明。

定义持续时间低于最小脉宽时间MinP的脉冲为窄脉冲，当三电平变流器的采样方式为非对称规则采样时，本发明首先检测三相电压的绝对值；定义零序电压为U_z，载波频率为f_c，在三相电压绝对值均小于(MinP×f_c)时，本发明令U_z为(3×MinP×f_c)；定义三相电压的最大值为U_max，三相电压的最小值为U_min，在三相电压任意两相绝对值小于(2×MinP×f_c)时，本发明依据相角令U_z分别为(-U_min+2×MinP×f_c)和(-U_max-2×MinP×f_c)；在三相电压任意两相绝对值大于(2×MinP×f_c)时，本发明依据载波方向和三相电压绝对值在线计算U_z；通过将U_z注入三相电压来得到三相调制波，本发明利用调制波与载波比较实现调制。

本发明非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法的具体实施流程如图3所示。

针对传统窄脉冲消除方法在非对称规则采样下无法完全消除窄脉冲的缺陷，本发明提出一种非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法。当三电平变流器的采样方式为非对称规则采样时，本发明通过向三相电压中注入特定零序电压，可在任意调制比下完全消除窄脉冲，从而提高了三电平变流器的可靠性。此外，本发明可准确输出线电压，且其计算简单，易于工程推广和应用。

本发明非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法的具体实施例如下：

本发明实施例借助PSIM软件搭建三电平变流器模型，利用仿真验证本发明非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法的有效性。实施例仿真条件为：仿真步长1us，直流侧电压5000V，直流侧电容16.2mF，载波频率600Hz，采样频率1200Hz，对应采样方式为非对称规则采样，基波频率50Hz，最小脉宽时间设置为50us，输出负载为1Ω电阻串联10mH电感。

图4a、图4b为实施例中调制比为0.02且不使用窄脉冲消除方法时的仿真结果，其中：图4a为不使用窄脉冲消除方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图4b为不使用窄脉冲消除方法时的三相间线电压的基波幅值。当调制比为0.02且采样方式为非对称规则采样时，对应低调制比区域。由图4a可知，若不使用窄脉冲消除方法，三电平变流器输出脉冲中存在持续时间为6us的脉冲，其为小于最小脉宽时间的窄脉冲。窄脉冲将导致开关器件无法正常开通和关断，严重时甚至会损坏开关器件。为提高系统的可靠性，三电平变流器必须消除窄脉冲。

图5a、图5b为实施例中调制比为0.02且使用传统直接窄脉冲消除法时的仿真结果，其中：图5a为使用传统直接窄脉冲消除法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图5b为使用传统直接窄脉冲消除法时的三相间线电压的基波幅值。分析图5a，当调制比为0.02且采样方式为非对称规则采样时，在传统直接窄脉冲消除法作用下，三电平变流器输出脉冲中存在持续时间为25us的脉冲，其为小于最小脉宽时间的窄脉冲。因此，传统直接窄脉冲消除法无法在非对称规则采样下完全消除窄脉冲。此外，对比图5b和图4b可知，传统直接窄脉冲消除法会导致三电平变流器输出线电压基波幅值畸变，从而无法准确输出线电压。

图6a、图6b为实施例中调制比为0.02且使用传统零序电压注入法时的仿真结果，其中：图6a为使用传统零序电压注入法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图6b为使用传统零序电压注入法时的三相间线电压的基波幅值。对比图6b和图5b，传统零序电压注入法不会导致三电平变流器的输出线电压基波幅值畸变，从而可以准确输出线电压。但图6a表明，当调制比为0.02且采样方式为非对称规则采样时，在传统零序电压注入法作用下，三电平变流器输出脉冲中存在持续时间为2us的脉冲，其为小于最小脉宽时间的窄脉冲。因此，传统零序电压注入法无法在非对称规则采样下完全消除窄脉冲。

图7a、图7b为实施例中调制比为0.02且使用本发明方法时的仿真结果，其中：图7a为使用本发明方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图7b为使用本发明方法时的三相间线电压的基波幅值。对比图7a与图4a、图5a和图6a，当调制比为0.02且采样方式为非对称规则采样时，在本发明方法作用下，三电平变流器输出脉冲的最小持续时间为50us。相比传统窄脉冲消除方法，本发明方法可以在低调制比区域完全消除窄脉冲，从而提高了三电平变流器的可靠性。此外，对比图7b和图5b，本发明方法不会导致三电平变流器的输出线电压基波幅值畸变，从而可以准确输出线电压。

图8a、图8b为实施例中调制比为1且不使用窄脉冲消除方法时的仿真结果，其中：图8a为不使用窄脉冲消除方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图8b为不使用窄脉冲消除方法时的三相间线电压的基波幅值。当调制比为1且采样方式为非对称规则采样时，对应高调制比区域。由图8a可知，若不使用窄脉冲消除方法，三电平变流器输出脉冲中存在持续时间为12us的脉冲，其为小于最小脉宽时间的窄脉冲，威胁开关器件的正常运行。

图9a、图9b为实施例中调制比为1且使用本发明方法时的仿真结果，其中：图9a为使用本发明方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图9b为使用本发明方法时的三相间线电压的基波幅值。对比图9a与图8a，当调制比为1且采样方式为非对称规则采样时，在本发明方法作用下，三电平变流器输出脉冲的最小持续时间为50us。因此，本发明方法可以在高调制比区域完全消除窄脉冲，从而提高了三电平变流器的可靠性。此外，对比图9b和图8b，本发明方法不会导致三电平变流器的输出线电压基波幅值畸变，从而可以准确输出线电压。

图10a、图10b为实施例中调制比为0.03、最小脉宽时间设置为20us、载波频率为1000Hz、采样频率为2000Hz、基波频率为20Hz，不使用窄脉冲消除方法时的仿真结果，其中：图10a为不使用窄脉冲消除方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图10b为不使用窄脉冲消除方法时的三相间线电压的基波幅值。由图10a可知，在不同调制比、载波频率、采样频率和基波频率下，若不使用窄脉冲消除方法，三电平变流器输出脉冲中存在持续时间为2us的脉冲，其为小于最小脉宽时间的窄脉冲，会导致开关器件无法正常开通和关断。

图11a、图11b为实施例中调制比为0.03、最小脉宽时间设置为20us、载波频率为1000Hz、采样频率为2000Hz、基波频率为20Hz，使用本发明方法时的仿真结果，其中：图11a为使用本发明方法时的A相电压、A相B相间线电压、调制波与载波，图11b为使用本发明方法时的三相间线电压的基波幅值。对比图11a与图10a，在不同调制比、载波频率、采样频率和基波频率下，在本发明方法作用下，三电平变流器输出脉冲的最小持续时间为20us。因此，本发明方法可以在不同调制比、载波频率、采样频率和基波频率下完全消除窄脉冲，其具备优越的窄脉冲消除性能。此外，对比图11b和图10b，在不同调制比、载波频率、采样频率和基波频率下，本发明方法不会导致三电平变流器的输出线电压基波幅值畸变，从而可以准确输出线电压。

进一步分析图7a、图9a和图11a，本发明方法通过向三相电压中注入特定零序电压得到调制波，并利用调制波与载波比较完全消除窄脉冲。因此，本发明方法还具备计算简单、实现方便的优点。

如图4a、图4b到图11a、图11b所示，实施例的结果验证了本发明非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法的有效性。当三电平变流器的采样方式为非对称规则采样时，本发明通过向三相电压中注入特定零序电压，可在不同调制比、载波频率、采样频率和基波频率下完全消除窄脉冲，从而提高了三电平变流器的可靠性。此外，本发明可准确输出线电压，且其计算简单，易于工程推广和应用。

Claims (10)

1.非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法。定义持续时间低于最小脉宽时间MinP的脉冲为窄脉冲，当三电平变流器的采样方式为非对称规则采样时，所述方法首先检测三相电压的绝对值；定义零序电压为U_z，载波频率为f_c，在三相电压绝对值均小于(MinP×f_c)时，所述方法令U_z为(3×MinP×f_c)；定义三相电压的最大值为U_max，三相电压的最小值为U_min，在三相电压任意两相绝对值小于(2×MinP×f_c)时，所述方法依据相角令U_z分别为(-U_min+2×MinP×f_c)和(-U_max-2×MinP×f_c)；在三相电压任意两相绝对值大于(2×MinP×f_c)时，所述方法依据载波方向和三相电压绝对值在线计算U_z；通过将U_z注入三相电压来得到三相调制波，所述方法利用调制波与载波比较实现调制。

2.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义A相电压为U_a，A相电压绝对值为absU_a，B相电压为U_b，B相电压绝对值为absU_b，C相电压为U_c，C相电压绝对值为absU_c，所述检测三相电压绝对值的方法如下：

当U_a≥0时，令absU_a＝U_a；当U_a＜0时，令absU_a＝-U_a；

当U_b≥0时，令absU_b＝U_b；当U_b＜0时，令absU_b＝-U_b；

当U_c≥0时，令absU_c＝U_c；当U_c＜0时，令absU_c＝-U_c。

3.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义载波频率为f_c，最小脉宽时间为MinP，在三相电压绝对值均小于(MinP×f_c)时，所述零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a＜(MinP×f_c)且absU_b＜(MinP×f_c)且absU_c＜(MinP×f_c)时，令U_z＝3×MinP×f_c；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值。

4.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义三相电压的最大值为U_max，三相电压的最小值为U_min，在三相电压任意两相绝对值小于(2×MinP×f_c)时，所述零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a＜(2×MinP×f_c)且absU_b＜(2×MinP×f_c)，或absU_a＜(2×MinP×f_c)且absU_c＜(2×MinP×f_c)，或absU_b＜(2×MinP×f_c)且absU_c＜(2×MinP×f_c)时：

若相角位于0度到30度、60度到90度、120度到150度、180度到210度、240度到270度、300度到330度区域，令U_z＝(-U_min+2×MinP×f_c)；

若相角位于30度到60度、90度到120度、150度到180度、210度到240度、270度到300度、330度到360度区域，令U_z＝(-U_max-2×MinP×f_c)；

上述计算方法中，U_max代表三相电压的最大值，U_min代表三相电压的最小值，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值。

5.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义A相调制波在上一采样周期的值为U_{a2_pre}，在B相电压绝对值和C相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时，所述零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_b≥(2×MinP×f_c)且absU_c≥(2×MinP×f_c)时：

对于absU_a＜(0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_{a2_pre}＝(-MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；

2)当U_{a2_pre}＝(MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；

3)当U_{a2_pre}＝0时，令U_z＝-U_a；

对于absU_a≥(0.5×MinP×f_c)且absU_a＜(MinP×f_c)的情况：

1)当U_{a2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_a＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；

2)当U_{a2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_a＜0时，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；

3)当Ua2_pre＝(MinP×fc)且Ua＞0时，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；

4)当U_{a2_pre}＝(MinP×f_c)且U_a＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_a；

5)当U_{a2_pre}＝0且U_a＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_a；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_a+MinP×f_c)；

6)当U_{a2_pre}＝0且U_a＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_a-MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_a；

对于absU_a≥(MinP×f_c)且absU_a≤(1-MinP×f_c)的情况，令U_z＝0；

对于absU_a＞(1-MinP×f_c)且absU_a＜(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_a＞0时，令U_z＝(1-U_a-MinP×f_c)；

2)当U_a＜0时，令U_z＝(-1-U_a+MinP×f_c)；

对于absU_a≥(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_a＞0时，令U_z＝(1-U_a)；

2)当U_a＜0时，令U_z＝(-1-U_a)；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值，U_a为A相电压，U_{a2_pre}为A相调制波在上一采样周期的值。

6.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义B相调制波在上一采样周期的值为U_{b2_pre}，在A相电压绝对值和C相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时，所述零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a≥(2×MinP×f_c)且absU_c≥(2×MinP×f_c)时：

对于absU_b＜(0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_{b2_pre}＝(-MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；

2)当U_{b2_pre}＝(MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；

3)当U_{b2_pre}＝0时，令U_z＝-U_b；

对于absU_b≥(0.5×MinP×f_c)且absU_b＜(MinP×f_c)的情况：

1)当U_{b2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_b＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；

2)当U_{b2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_b＜0时，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；

3)当U_{b2_pre}＝(MinP×f_c)且U_b＞0时，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；

4)当U_{b2_pre}＝(MinP×f_c)且U_b＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_b；

5)当U_{b2_pre}＝0且U_b＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_b；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_b+MinP×f_c)；

6)当U_{b2_pre}＝0且U_b＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_b-MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_b；

对于absU_b≥(MinP×f_c)且absU_b≤(1-MinP×f_c)的情况，令U_z＝0；

对于absU_b＞(1-MinP×f_c)且absU_b＜(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_b＞0时，令U_z＝(1-U_b-MinP×f_c)；

2)当U_b＜0时，令U_z＝(-1-U_b+MinP×f_c)；

对于absU_b≥(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_b＞0时，令U_z＝(1-U_b)；

2)当U_b＜0时，令U_z＝(-1-U_b)；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值，U_b为B相电压，U_{b2_pre}为B相调制波在上一采样周期的值。

7.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义C相调制波在上一采样周期的值为U_{c2_pre}，在A相电压绝对值和B相电压绝对值均大于(2×MinP×f_c)时，所述零序电压U_z的计算方法如下：

当absU_a≥(2×MinP×f_c)且absU_b≥(2×MinP×f_c)时：

对于absU_c＜(0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_{c2_pre}＝(-MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；

2)当U_{c2_pre}＝(MinP×f_c)时，若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；

3)当U_{c2_pre}＝0时，令U_z＝-U_c；

对于absU_c≥(0.5×MinP×f_c)且absU_c＜(MinP×f_c)的情况：

1)当U_{c2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_c＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；

2)当U_{c2_pre}＝(-MinP×f_c)且U_c＜0时，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；

3)当U_{c2_pre}＝(MinP×f_c)且U_c＞0时，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；

4)当U_{c2_pre}＝(MinP×f_c)且U_c＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_c；

5)当U_{c2_pre}＝0且U_c＞0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝-U_c；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝(-U_c+MinP×f_c)；

6)当U_{c2_pre}＝0且U_c＜0时，若当前采样周期三角载波为上升方向，令U_z＝(-U_c-MinP×f_c)；若当前采样周期三角载波为下降方向，令U_z＝-U_c；

对于absU_c≥(MinP×f_c)且absU_c≤(1-MinP×f_c)的情况，令U_z＝0；

对于absU_c＞(1-MinP×f_c)且absU_c＜(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_c＞0时，令U_z＝(1-U_c-MinP×f_c)；

2)当U_c＜0时，令U_z＝(-1-U_c+MinP×f_c)；

对于absU_c≥(1-0.5×MinP×f_c)的情况：

1)当U_c＞0时，令U_z＝(1-U_c)；

2)当U_c＜0时，令U_z＝(-1-U_c)；

上述计算方法中，f_c为载波频率，MinP为最小脉宽时间，absU_a为A相电压绝对值，absU_b为B相电压绝对值，absU_c为C相电压绝对值，U_c为C相电压，U_{c2_pre}为C相调制波在上一采样周期的值。

8.根据权利要求5、6、7所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义A相调制波在上一采样周期的值为U_{a2_pre}，A相调制波为U_a2，B相调制波在上一采样周期的值为U_{b2_pre}，B相调制波为U_b2，C相调制波在上一采样周期的值为U_{c2_pre}，C相调制波为U_c2，所述U_{a2_pre}、U_{b2_pre}和U_{c2_pre}的赋值方法如下：

在当前采样周期开始处，在计算更新三相调制波值之前，先令U_{a2_pre}＝U_a2，U_{b2_pre}＝U_b2，U_{c2_pre}＝U_c2；对U_{a2_pre}、U_{b2_pre}和U_{c2_pre}进行赋值之后再计算更新U_a2、U_b2和U_c2的值。

9.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，所述将零序电压U_z注入三相电压来得到三相调制波的方法如下：

上式中，U_a为A相电压，U_a2为A相调制波，U_b为B相电压，U_b2为B相调制波，U_c为C相电压，U_c2为C相调制波，U_z为零序电压。

10.根据权利要求1所述的非对称规则采样下基于零序注入的窄脉冲消除方法，其特征在于，定义C_up代表频率为f_c且取值在0到1之间的载波，C_dn代表频率为f_c且取值在-1到0之间的载波，三电平变流器由高到低输出的三种电平分别为2E、E、0，所述利用调制波与载波比较实现调制的方法如下：

当U_a2≥C_up且U_a2≥C_dn时，A相输出电平为2E；当U_b2≥C_up且U_b2≥C_dn时，B相输出电平为2E；当U_c2≥C_up且U_c2≥C_dn时，C相输出电平为2E；

当U_a2≤C_up且U_a2≤C_dn时，A相输出电平为0；当U_b2≤C_up且U_b2≤C_dn时，B相输出电平为0；当U_c2≤C_up且U_c2≤C_dn时，C相输出电平为0；

当U_a2＜C_up且U_a2＞C_dn时，A相输出电平为E；当U_b2＜C_up且U_b2＞C_dn时，B相输出电平为E；当U_c2＜C_up且U_c2＞C_dn时，C相输出电平为E；

上述方法中，U_a2为A相调制波，U_b2为B相调制波，U_c2为C相调制波。

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