CN1271778C - 一种用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法，属于电气设备自动化技术领域。本方法首先将用于控制多电平逆变器的三相参考电压进行分解，得到偏移电压分量和两电平电压分量；根据逆变器的输出电压与参考电压之间的等效原则，上述偏移电压分量即为逆变器当前控制周期内每相电路的前、后两个开关函数；将两电平电压分量乘以逆变器的控制周期，得到逆变器每相电路前、后开关函数的作用时间；将前、后开关函数与各开关函数的作用时间进行合成，得到多电平逆变器的控制脉冲。本发明的方法，不受逆变器电路结构和电平数的限制，是一种通用的多电平脉宽调整算法，其原理简单，数字实现容易。

Description

一种用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法

技术领域    本发明涉及一种用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法，属于电气设备自动化技术领域。

背景技术    多电平逆变器的脉宽调制控制方法(以下简称PWM)是实现逆变器变压变频功能的关键技术问题。文[A new multilevel PWM method：a theoretical analysis.Carrara，G.；Gardella，S.；Marchesoni，M.；Salutari，R.；Sciutto，G.；IEEE Transactions onPower Electronics，1992，7(3)：497-505]提出了一种基于载波错位调制的多电平PWM算法，该方法是将三相参考电压分别与若干个相互错开位置的三角波比较得到多电平逆变器的PWM触发脉冲，算法原理如图1所示。其缺点是三角波的个数随着逆变器输出的最大电平数的增加而增加，因此随着逆变器输出电平数目的增加，基于载波错位调制的PWM脉冲生成方法计算的复杂程度增加，不易于数字实现。

发明内容    本发明的目的是提出一种用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法，为多电平逆变器变压变频的电能转换和传输提供一种简单实用的PWM控制方法。

本发明提出的用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法，包括以下各步骤：

(1)将用于控制多电平逆变器的三相参考电压进行分解，得到偏移电压分量和两电平电压分量；

(2)根据逆变器的输出电压与参考电压之间的等效原则，上述偏移电压分量即为逆变器当前控制周期内每相电路的前、后两个开关函数；

(3)将上述两电平电压分量乘以逆变器的控制周期，得到逆变器每相电路前、后开关函数的作用时间；

(4)将上述前、后开关函数与各开关函数的作用时间进行合成，得到多电平逆变器的控制脉冲。

上述方法中所述的对三相参考电压进行分解的方法包括如下步骤：

(1)对参考电压进行取整，得到参考电压的偏移电压分量；

(2)从参考电压中减去偏移电压分量，得到参考电压的两电平电压分量。

上述方法中所述的将开关函数及其作用时间进行合成的方法包括以下步骤：

(1)根据上一控制周期末端输出的开关函数，使两个相邻控制周期内开关函数的变化量最小，由此确定当前控制周期内开关函数的变化方向；

(2)根据逆变器的输出脉冲，建立相应的开关函数与逆变器各功率器件开关状态之间的映射表，从映射表中根据逆变器当前控制周期的开关函数确定逆变器当前控制周期内各功率器件的开关状态；

(3)在当前控制周期内，各功率器件处于上述开关状态的持续时间等于相应前、后开关函数的作用时间，由功率器件的开关状态及其持续时间构成了逆变器的控制脉冲。

本发明提出的用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法，基于三相参考电压分解和等面积法则实现，是一种多电平的直接PWM算法，因此称之为多电平直接PWM方法，将三相参考电压分解为偏移电压分量和两电平电压分量，接着由偏移电压分量得到逆变器三相开关函数，再由两电平电压分量计算开关函数的作用时间，最后合成逆变器的PWM控制脉冲。本发明的方法，不受逆变器电路结构和电平数的限制，是一种通用的多电平PWM算法，其原理简单，数字实现容易。

附图说明

图1是已有的基于载波错位的多电平PWM算法原理示意图。

图2是本发明方法的流程框图。

图3为多电平逆变器的PWM功能等效图。

图4为多电平逆变器PWM算法原理示意图。

具体实施方式

本发明提出的用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法，其流程框图如图2所示，首先将用于控制多电平逆变器的三相参考电压进行分解，得到偏移电压分量和两电平电压分量；

                 V_refx＝V_refx(OFF)+V_refx(TWL)

上式中V_refx为三相参考电压，x＝A，B，C三相，V_refx(OFF)为参考电压的偏移电压分量，V_refx(TWL)为参考电压的两电平电压分量；

然后根据逆变器的输出电压与参考电压之间的等效原则，上述偏移电压分量即为逆变器当前控制周期内每相电路的前、后两个开关函数；

                 S_x，N＝V_refx(OFF)以及S_x，N+1＝V_refx(OFF)+1

上式中，S_x，N和S_x，N+1均为当前控制周期内多电平逆变器的三相开关函数，x＝A，B，C；

将上述两电平电压分量乘以逆变器的控制周期，得到逆变器每相电路前、后开关函数的作用时间；

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{Sx}1}=T_S\·V_{\mathrm{refx}\left(\mathrm{TWL}\right)}\\ T_{\mathrm{Sx}0}=T_S-T_{\mathrm{Sx}1}=T_S-T_S\·V_{\mathrm{refx}\left(\mathrm{TWL}\right)}\end{array}\right.$

上式中T_Sx1是开关函数S_x，N+1的作用时间，T_Sx0是开关函数S_x，N的作用时间，T_S是逆变器的控制周期；

最后将上述前、后开关函数与各开关函数的作用时间进行合成，得到多电平逆变器的控制脉冲。

上述方法中对三相参考电压进行分解的方法为：首先对参考电压进行取整，得到参考电压的偏移电压分量：

                          V_refx(OFF)＝int(V_refx)

其中下标“OFF”表示偏移分量，int()表示趋向于零的取整函数；然后从参考电压中减去偏移电压分量，得到参考电压的两电平电压分量；

                         V_refx(TWL)＝V_refx-V_refx(OFF)

其中下标“TWL”表示两电平电压分量。

上述方法中将开关函数及其作用时间进行合成的方法为：首先根据上一控制周期末端输出的开关函数，使两个相邻控制周期内开关函数的变化量最小，由此确定当前控制周期内开关函数的变化方向；然后根据逆变器的输出脉冲，建立相应的开关函数与逆变器各功率器件开关状态之间的映射表，从映射表中根据逆变器当前控制周期的开关函数确定逆变器当前控制周期内各功率器件的开关状态；最后在当前控制周期内，各功率器件处于上述开关状态的持续时间等于相应前、后开关函数的作用时间，由功率器件的开关状态及其持续时间构成了逆变器的控制脉冲。

本发明各部分的原理和功能的详细介绍如下。

1)逆变器三相参考电压的分解方法

多电平逆变器的基本思想是用若干个直流电压合成一个交流电压输出，因此在原理上可以用如图3所示的多电平逆变器功能等效图表示，其中N为多电平逆变器可输出的最大电平数目，E为每个电平所对应的直流电压，则等效的直流侧总电压为

E_dc＝(N-1)·E                                                      (1)

定义S_x，N为N电平逆变器三相电路的开关函数，于是每相的输出电压可以表示为v_x，N＝S_x，N·E，其中开关函数S_x，N＝0，1，2，…，N-1，x＝a，b，c。若以E为基值，则输出电压可写为

V_x，N＝S_x，N                                                       (2)

一般多电平逆变器的参考电压由上层控制算法产生，且通常是三相正序参考电压。设正弦载波调制时的三角波幅值为1，则三相正弦参考电压可写为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{refa}1}=M\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ V_{\mathrm{refb}1}=M\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ V_{\mathrm{refc}1}=M\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中M为调制比。对于三相三线制的变频调速系统，作为控制自由度，三相参考电压中可以含有实现逆变器性能优化控制的综合指令信号，即零序电压分量v₀。于是，逆变器三相参考电压为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{refa}}=M\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+v_0\\ V_{\mathrm{refb}}=M\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+v_0\\ V_{\mathrm{refc}}=M\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)+v_0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中参考电压瞬时值必须满足

|V_refx|≤1.0                                                        (5)

式(4)是逆变器三相参考电压的标么值模型，基值为直流侧电压幅值的一半。对于图3所示的N电平逆变器，式(4)的基值等于E_dc/2。因此以直流电压E为基值，式(4)的参考电压可改写为

$V_{\mathrm{REF}}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{refa}}\\ V_{\mathrm{refb}}\\ V_{\mathrm{refc}}\end{array}\right]=\frac{(N-1)}{2}\left[\begin{array}{c}M\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+v_0\\ M\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+v_0\\ M\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)+v_0\end{array}\right]$

以图3中直流侧0点为参考点，得到

$V_{\mathrm{REF}}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{refa}}\\ V_{\mathrm{refb}}\\ V_{\mathrm{refc}}\end{array}\right]=\frac{(N-1)}{2}\left[\begin{array}{c}M\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+v_0+1\\ M\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)+v_0+1\\ M\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)+v_0+1\end{array}\right]---\left(6\right)$

式(6)中参考电压的取值范围为0≤V_refx≤N-1。

在(6)式的参考电压标么值模型的基础上可将逆变器的三相参考电压分解为两个分量：偏移电压分量和两电平电压分量，计算方法如下

a)偏移电压分量V_refx(OFF)＝int(V_refx)，其中下标“OFF”表示为偏移分量，int()表示趋向于零的取整函数。

b)两电平电压分量V_refx(TWL)＝V_refx-V_refx(OFF)，其中下标“TWL”表示为两电平分量。

2)逆变器三相电路开关函数的确定

图4为N电平逆变器的PWM算法原理示意图，其中V_refx(tk)为t_k时刻的参考电压采样的标么值。如图4(a)所示，设在t_k时刻采样的参考电压值位于电平区间[n，n+1]之中，其中 $n=\mathrm{int}\left(V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)}\right).$

下面，根据图4(b)分析图中椭圆虚线框内的参考电压值与逆变器输出开关函数之间的关系。如图4(b)所示，其中两块阴影部分的长方形边长参数分别为 $\mathrm{ab}=V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)}-n,$ bc＝T_n0和 $\mathrm{fg}=n+1-V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)},$ ef＝T_n1。令图4(b)中两块阴影部分的面积相等，可得到

$V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)}\·T_S=n\·T_{n0}+(n+1)\·T_{n1}---\left(7\right)$

其中T_S为逆变器的控制周期。

将(7)式改写为

$n=V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)}-T_{n1}/T_S---\left(8\right)$

定义在一个控制周期内开关函数S_x，N+1的作用时间为T_Sx1，S_x，N的作用时间为T_Sx0。按照逆变器PWM算法在伏秒平均意义上的等效原则，有

$V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)}\·T_S=S_{x,N}\·T_{\mathrm{Sx}0}+(S_{x,N}+1)\·T_{\mathrm{Sx}1}---\left(9\right)$

同样(9)式可改写为

$S_{x,N}=V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)}-T_{\mathrm{Sx}1}/T_S---\left(10\right)$

对于多电平逆变器，为了减小输出的dv/dt，开关函数的变化一般只能变化一个电平，因此选择与参考电压采样值距离最近的电平状态，即n或n+1。而且由图4(b)可知，式(8)中有0≤T_n1/T_S≤1，式(10)中有0≤T_Sx1/T_S≤1，并且由S_x，N和n的定义可知，两者的取值都为正整数，因此在图4所示的控制周期内有

$S_{x,N}=n=\mathrm{int}\left(V_{\mathrm{refx}\left(t_k\right)}\right)---\left(11\right)$

由(11)式可知，逆变器的三相开关函数是分别根据三相参考电压确定的，相互之间并不关联。于是，对于多电平逆变器的任一相逆变电路，在当前控制周期内逆变器的前、后开关函数分别为

S_x，N＝V_refx(OFF)以及S_x，N+1＝V_refx(OFF)+1                          (12)

3)前、后开关函数作用时间的计算

上述说明只是确定了在当前控制周期内的前、后开关函数。由(7)可知，要得到当前控制周期内多电平逆变器的PWM脉冲波形，还需要计算前、后开关函数的作用时间。由(8)式，在当前控制周期内，三相开关函数的作用时间由各相参考电压的两电平电压分量决定，其中开关函数S_x，N+1的作用时间与两电平电压分量大小成正比，于是得到前、后开关函数对应的作用时间为

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{Sx}1}=T_S\·V_{\mathrm{refx}\left(\mathrm{TWL}\right)}\\ T_{\mathrm{Sx}0}=T_S-T_{\mathrm{Sx}1}=T_S-T_S\·V_{\mathrm{refx}\left(\mathrm{TWL}\right)}\end{array}\right.---\left(13\right)$

4)逆变器控制脉冲的合成

在确定了逆变器在当前控制周期内的前、后开关函数及其作用时间之后，下面就将得到的前、后开关函数和作用时间合成逆变器的控制脉冲输出。

首先确定在当前控制周期内开关函数的变化方向。有两种方向可供选择：S_x，N到S_x，N+1和S_x，N+1到S_x，N。通常，为了尽量降低逆变器功率器件的开关频率，减小损耗，在当前控制周期内起始的开关函数与前一控制周期末端的开关函数相同。也就是说，在当前控制周期内开关函数的变化方向取决于前一控制周期末端的开关函数，设前一控制周期末端开关函数为S_x，N，则当前控制周期开关函数的变化方向是S_x，N到S_x，N+1，反之，开关函数的变化方向则是S_x，N+1到S_x，N。每相开关函数的变化方向由各自前一控制周期末端的开关函数值独立确定的。

以上只考虑了参考电压波形连续的情况，在实际应用中，还有可能出现参考电压波形跳变的情况，这时上述的开关函数变化方向的判定方法就不适用了。因此综合考虑参考电压波形连续和跳变两种情况，按照逆变器相邻控制周期内开关函数变化最小的原则，确定开关函数变化方向的判定方法。以变量vos表示开关函数的变化方向，取值设定为

于是当前控制周期内开关函数的变化方向的判定方法为

其中S_x，N(k-1)表示为前一控制周期末端的开关函数。

然后根据逆变器的前、后开关函数确定各功率器件在当前控制周期内的前、后开关状态。首先，根据逆变器的输出电压与各功率器件开关状态之间的关系，建立一个开关函数与各功率器件开关状态之间的映射表，然后分别按照逆变器每相电路在当前控制周期内的前、后开关函数查询映射表，得到逆变器各功率器件在当前控制周期内的前、后开关状态。

功率器件处于上述前、后开关状态的持续时间即为当前控制周期内对应开关函数的作用时间。例如，某个功率器件处于导通状态时，其对应的开关函数为S_x，N，则该功率器件处于导通状态的持续时间就是T_Sx0。最后按照(15)式的方法判断得到的当前控制周期内开关函数的变化方向，由各功率器件的前、后开关状态及其持续时间构成逆变器的控制脉冲。

Claims (1)

1、一种用于多电平逆变器的脉宽调制控制方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)将用于控制多电平逆变器的三相参考电压进行分解，得到偏移电压分量和两电平电压分量，其中对三相参考电压进行分解的方法包括如下步骤：

(a)对参考电压进行取整，得到参考电压的偏移电压分量；

(b)从参考电压中减去偏移电压分量，得到参考电压的两电平电压分量；

(2)根据逆变器的输出电压与参考电压之间的等效原则，上述偏移电压分量即为逆变器当前控制周期内每相电路的前、后两个开关函数；

(3)将上述两电平电压分量乘以逆变器的控制周期，得到逆变器每相电路前、后开关函数的作用时间；

(4)将上述前、后开关函数与各开关函数的作用时间进行合成，得到多电平逆变器的控制脉冲，其过程包括以下步骤：

(a)根据上一控制周期末端输出的开关函数，使两个相邻控制周期内开关函数的变化量最小，由此确定当前控制周期内开关函数的变化方向；

(b)根据逆变器的输出脉冲，建立相应的开关函数与逆变器各功率器件开关状态之间的映射表，从映射表中根据逆变器当前控制周期的开关函数确定逆变器当前控制周期内各功率器件的开关状态；

(c)在当前控制周期内，各功率器件处于上述开关状态的持续时间等于相应前、后开关函数的作用时间，由功率器件的开关状态及其持续时间构成了逆变器的控制脉冲。

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