CN1585252A - 中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法 - Google Patents
中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：将对应三相开关27种组合状态的逆变器交流输出电压的空间电压矢量按其大小在α、β坐标系中排列成一个由24个正三角形组成的正六边形的矢量分布图，然后根据不同调制深度的参考电压矢量所处正三角形三个结点所代表的电压矢量和其对应的开关状态进行选择优化次序的调制，这一优化次序只许可相邻开关状态切换时，只有一个开关的状态发生改变。本发明解决逆变器在PWM调制切换过程中输出电压实现平滑过渡、降低谐波含量，避免开关器件承受过大应力而损坏，提高其运行的可靠性的技术问题。
Description
技术领域：
本发明是关于变电，特别是关于三电平逆变装置的控制方法。
背景技术：
进年来，随着电能在各领域的扩大运用，大功率三电平逆变器的使用范围也逐渐扩大。如何控制逆变器可靠运行也显得日益重要。目前对由PWM调制的多电平逆变器已知的控制方法多为对逆变器中性点电压波动的控制，例如ZL96199540.8中国发明专利公开了一种通过控制整流装置来控制中性点电压，除了要电压控制装置外，尚需设置修正装置，用中性点电压点检测的偏差信号对中性点的电压进行控制。这一用电压控制装置和修正装置通过控制整流装置来控制逆变器中性点电压波动的方法不仅所用设备结构复杂，而且显得烦琐。由于设有解决逆变器在PWM调制过程中的矢量优化和最小脉冲宽度处理的技术问题，致使逆变器在调制切换过程中，出现输出电压从+E到-E的突然波动和谐波含量过大，工作不平稳，开关器件应力过大易损坏。
发明内容：
本发明旨在提供一种中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，解决逆变器在PWM调制切换过程中输出电压实现平滑过渡、降低谐波含量，避免开关器件承受过大应力而损坏，提高其运行的可靠性的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：将对应三相开关27种组合状态的逆变器交流输出电压的空间电压矢量按其大小在α、β坐标系中排列成一个由24个正三角形组成的正六边形的矢量分布图，然后根据不同调制深度的参考电压矢量所处正三角形三个结点所代表的电压矢量和其对应的开关状态进行选择优化次序的调制，这一优化次序只许可相邻开关状态切换时，只有一个开关的状态发生改变。
所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度在低调制区时，该矢量优化次序采用O、N或O、P两电平的N型矢量或P型矢量作用次序的矢量调制方案。
所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度在高调制区时，该矢量优化次序采用P、O、N三电平的矢量调制方案。
所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：用程序软件判别和处理在PWM周期Ts内存在的窄脉冲，其程序如下：
1)根据调制深度确定所在的调制区；
2)若处在低调制区，采用两电平矢量优化方案不发生窄脉冲；
3)若不在低调制区，判断所采用的三电平矢量优化方案是否会存在窄脉冲；
4)若不存在窄脉冲，则不作调整；
5)若存在窄脉冲，则强制改变该窄脉冲持续时间td以消除窄脉冲。
所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：判断会有窄脉冲存在，则按下述处理：
(1)td＜开关器件所允许的最小脉宽时间tmin/2时，强制td＝0；
(2)tmin/2＜td＜tmin时，强制td＝tmin；
(3)Ts-tmin＜td＜Ts-tmin/2，强制td＝Ts-tmin；
(4)Ts-tmin/2＜td＜Ts，强制Td＝Ts。
所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度处于低调制区时，若逆变器中性点电压波动，采用P型矢量和N型矢量作用次序交互使用的矢量调制方案，使中性点电压基本平衡。
所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度处于高调制区时，若逆变器中性点电压波动，采用在一个PWM周期内改变P型小矢量或N型小矢量的持续时间来保持中性点电压的平衡。
本发明的优点在于：
经过矢量优化后，可使相邻开关器件之间在状态切换时，只有一个桥臂的开关器件动作，降低了输出电压中的谐波含量，提供了运行性能。
每相开关状态的变化均在E、O或O、-E之间变化，不存在E到-E的直接变化，大大减小了开关器件所受的应力，有效地避免开关器件的损坏，提高了运行的可靠性。
可方便地对最小脉宽进行处理，保证在任何PWM周期内，脉冲宽度都大于开关器件所必需的最小脉宽，使开关器件能够可靠工作。
使逆变器本身直接控制来抑制中性点的电压波动，省去了对整流装置控制的一套设备。
附图说明：
图1是本发明的三电平空间电压矢量分布图。
图2是图1中O扇区的矢量和时间分配图。
图3是低调制区矢量时间分配图。
图4是高调制区矢量时间分配图。
图5是三电平逆变器的原理图。
图6是窄脉冲处理程序图。
具体实施方式：
三电平逆变器每相的开关有-1、0、1三种状态，对应这三种状态的交流侧输出电压为-E、O、E(即负电压N、零电压O、正电压P)，对一个三相对称系统来说，共可组合成27种开关状态组合，而每一种开关状态组合则对应一个空间电压矢量，因此对一个相对称的三电平逆变器共有27个不同的空间电压矢量，其中，幅值为2/3E的大矢量有
VPNN、
VPPN、
VNPN、
VNPP、
VNNP、VPNP六个，幅值为1/3E的中矢量有
VPON、
VOPN、
VNPO、
VNOP、
VONP、
VPNO六个，幅值为1/3E的P型小矢量有
VPOO、
VPPO、
VOPO、
VOPP、
VOOP、
VPOP六个，幅值为1/3E的N型小矢量有
VONN、
VOON、
VNON、
VNOO、
VNNO、
VONO六个，幅值为0的零矢量有
VPPP、
VOOO、
VNNN三个。以
VPON矢量为例，表示三电平逆变器交流侧A、B、C三相对于中性点的输出电压分为正、零、负，而对应的逆变器三个桥臂开关器件(参见图5)的状态分别为：A相Sa1、Sa2开通，Sa3、Sa4关断；B相Sb2、Sb3开通，Sb1、Sb4关断；C相Sc1、Sc2关断，Sc3、Sc4开通。
在其直流侧母线P、N电压保持恒定且两个电容C1和C2电压相等，则上述27个不同的空间电压矢量在α、β座标系中的分布如图1所示为一个由24个正三角形组成的正六边形。三个零矢量
VPPP、
VOOO、
VNNN位于六边形中点，六个大矢量
VPNN、
VPPN、
VNPN、
VNPP、
VNNP、
VPNP分居于六边形六个顶点，六个P型和N型小矢量分别对应的处在内中小六边形的六个顶点，而六个中矢量位于六边形每边的中点。以α轴为基准逆时针旋转，可将上述六角形以60°为一区间划分成0～5六个扇区，现以0扇区为例对本发明的矢量优化次序的调制方案作详细说明。
图2中0扇区内共分为7个区域，其中由弧线所围成的小扇区为调制深度k等于或小于设定值(在实际应用中该设定值为0.15)的区域0，也即低调制区，1～6区域为调制深度大于设定值的高调制区。由于任何一个空间电压矢量都是由三个与它最近的矢量组成，所以矢量的任何一种作用次序都是由三个矢量拼成的，而矢量优化就是要使矢量的作用次序应保证相邻开关状态切换时，只有一个状态发生改变。随调制深度的不同，矢量作用次序的方案也不同。当调制深度低时，参考电压矢量Vref(即逆变器实际所对应输出的有效电压)在低调制区区域0内，其矢量优化的作用次序如下：
VOOO——
VPOO——
VPPO——
VPPP——
VPPO——
VPOO——
VOOO(P型)或
VOOO——
VOON——
VONN——
VNNN——
VONN——
VOON——
VOOO(N型)
从上述P型或N型的矢量优化作用次序中可知逆变器三相开关的电平状态仅在O到P再到O(即O-E-O)，或O到N再到O(即O-E-O)之间变化，也即采用两电平作用方案。同时可以看到在低调制区中起始和终止的空间电压矢量均为
VOOO，所以在从一个PWM周期向另一个PWM周期切换过程中逆变器的开关器件无动作。当调制深度高时，按参考电压矢量
Vref所处的区域1～6三角形顶点的N型或P型小矢量为起始矢量，以三角形顶点的同型小矢量为终止矢量，采用三电平作用方案进行矢量优化。例如参考电压矢量
Vref在区域3时，以N型小矢量为起始和终止矢量的优化次序为
VONN——
VOON——
VPON——
VPOO——
VPON——
VOON——
VONN，在这一作用次序中，逆变器三相开关存在有P、O、N(即E、O、-E)三种电平状态，但A相的开关状态仅是由O到P再到O，B、C两相开关状态都是由N到O再到N变化，不存在P到N之间的直接变化；在该作用次序内，相邻开关状态之间切换时，只有一个桥臂的开关器件发生动作。当参考电压矢量Vref在低调制区(区域0)向高调制区(区域1～6)之间切换时，矢量是在
VOO与
VOON或
VNNN与
VONN之间切换，即只有一个桥臂的开关器件在动作。当参考电压矢量
Vref在高调制区之间切换时，以N型小矢量为例，其矢量变化有：VONN——
VONN、
VOON——
VOON、
VONN——
VOON、
VOON——
VONN四种形式，前两种情况在切换过程中逆变器开关器件状态不发生变化，后两种情况在切换过程中同样只有逆变器一个桥臂的开关器件动作。
在图2中所示的各正三角形中各顶点的矢量持续时间分别为：ta＝Ts×ksin(θ-π/3)；tb＝Ts×Ksin(θ)，tc＝1/2Ts[1-2Ksin(θ+2/3)]，式中Ts为一个PWM周期时间，k为调制深度。例如参考电压矢量
Vref在区域0的低调制区中选择P型小矢量的优化作用次序：
VOOO——
VPOO——
VPPO——
VPPP—
VPPO——VPOO——
VOOO，则在一个PWM周期内矢量时间分配及所对应的PWM波如图3所示，其中A相的脉宽时间最小为tc/2，B相和C相的脉宽时间均大于tc/2，由于调制深度k较小，tc远大于开关器件所允许的最小脉宽，所以本发明在调制深度低k小于设定值时采用的两电平矢量优化作用次序避免了最小脉冲的出现。而当调制深度高时，如当参考电压矢量
Vref在区域3时，以N型小矢量为起始和终止矢量的三电平矢量优化作用次序
VONN——
VOON——VPON——
VPOO——
VPON——
VOON——
VONN为例，其在一次PWM周期内矢量时间分配及所对应的PWM波如图4所示，其中B相脉宽时间最小为ta/2，A相和C相的脉宽时间均大于ta/2，由于调制深度高，k值在较大范围内变化ta数值较大范围内变化，ta/2的最小脉宽对系统性能的影响不大。现设ta/2＝td，只有当td小于开关器件所允许的最小脉宽时间tmin(即td＜tmin开关器件的开通时间太短)，或td＞Ts-tmin(开关器件的关断时间太短)时，才会出现窄脉冲，除此外，不存在窄脉冲。当出现窄脉冲时，需针对不同情况对脉冲进行优化，改变脉冲持续时间td：
若td＜tmin/2，强制td＝0；
若tmin/＜td＜tmin，强制td＝tmin；
若Ts-tmin＜td＜Ts-tmin/2，强制td＝Ts-tmin；
若Ts-tmin/2＜td＜Ts，强制td＝Ts-tmin。
上述的窄脉冲处理是通过软件按下述程序(参见图6)进行的：
1.程序开始；
2.判别调制深度是否处于低调制区，判别确处低调制区则采用两平矢电作用方案，然后结束程序；
3.若判别调制深度不在低调制区，则进一步判别是否会有窄脉冲存在，若判断不会有窄脉冲存在，就结束程序；
4.若判别会有窄脉冲存在，按四种不同情况延长窄脉冲持续时间；
5.结束程序。
表1
| P型小矢量 | VPOO | VPPP | VOPO | VOPP | VOOP | VPOP |
| 流入中性点的电流 | -Io | Ic | -Ib | Ia | -Ic | Ib |
| N型小矢量 | VONN | VOON | VNON | VNOO | VNNO | VONO |
| 流入中性点的电流 | Ia | -Ic | Ib | -Ia | Ic | -Ib |
各种P型和N型小矢量流入中性点的电流如表1所示，相对应的P型和N型小矢量流入中性点的电流正好相反。当调制深度处于低调制区时，若逆变器中性点出现电压波动，由于采用的是两电平矢量优化作用次序方案，在一个PWM周期内仅出现P型小矢量或N型小矢量。因此当前一PWM周期采用P型矢量优化作用次序，则下一PWM周期采用对应的N型小矢量优化作用次序，即可保持中性点的电压基本平衡，而不需通过变压器来控制。当调制深度在高调制区时，由于采用的是三电平矢量优化作用次序方案，在一个PWM周期内同时存在P型和N型小矢量，这两种小矢量对输出的电压作用相同，但对中性点电压的作用相反，因此可以在保持矢量持续时间总和不变的条件下，根据需要改变P、N型小矢量的持续时间，来保持中性点的电压衡定。请参阅图5，如果流入中性点电流inp＞0，则电容C2被充电，电容C1放电，也即电容C2的电压Vc2大于电容C1的电压Vc1；采用的是图4所示的三电平矢量优化作用次序，其中P型小矢量
VPOO和对应的N型小矢量
各自流入中性点的电流分别为-Ia和Ia，则可增加P型小矢量
VPOO的持续时间，流入中性点的电流iap＝-Ia＜0，电容C1充电，而电容C2放电，使电压Vc2降低，电压Vc1增加，两者趋于相等，从而保持中性点电压平衡：于此同时，相应减少N型小矢量歹
VONN的持续时间，但总的矢量持续时间不变。相反，若电压Vc1大于电压Vc2，则增加N型小矢量
VONN持续时间，流入中性点的电流inp＝Ia＞0，电容C1放电，电容C2充电，使电压Vc1下降而电压Vc2增加，两者趋于相等。可见本发明可以使逆变器自身控制中性点的电压平衡，而不必借助变压器等外部器件或设备。
Claims (7)
1、一种中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：将对应三相开关27种组合状态的逆变器交流输出电压的空间电压矢量按其大小在α、β坐标系中排列成一个由24个正三角形组成的正六边形的矢量分布图，然后根据不同调制深度的参考电压矢量所处正三角形三个结点所代表的电压矢量和其对应的开关状态进行选择优化次序的调制，这一优化次序只许可相邻开关状态切换时，只有一个开关的状态发生改变。
2、根据权利要求1所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度在低调制区时，该矢量优化次序采用O、N或O、P两电平的N型矢量或P型矢量作用次序的矢量调制方案。
3、根据权利要求1所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度在高调制区时，该矢量优化次序采用P、O、N三电平的矢量调制方案。
4、根据权利要求1、2或3所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：用程序软件判别和处理在PWM周期Ts内存在的窄脉冲，其程序如下：
1)根据调制深度确定所在的调制区；
2)若处在低调制区，采用两电平矢量优化方案不发生窄脉冲；
3)若不在低调制区，判断所采用的三电平矢量优化方案是否会存在窄脉冲；
4)若不存在窄脉冲，则不作调整；
5)若存在窄脉冲，则强制改变该窄脉冲持续时间td以消除窄脉冲。
5、根据权利要求4所述的中压大功率三电平逆交装置的矢量优化控制方法，其特征在于：判断会有窄脉冲存在，则按下述处理：
(1)td＜开关器件所允许的最小脉宽时间tmin/2时，强制td＝0；
(2)tmin/2＜td＜tmin时，强制td＝tmin；
(3)Ts-tmin＜td＜Ts-tmin/2，强制td＝Ts-tmin；
(4)Ts-tmin/2＜td＜Ts，强制Td＝Ts。
6、根据权利要求2所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度处于低调制区时，若逆变器中性点电压波动，采用P型矢量和N型矢量作用次序交互使用的矢量调制方案，使中性点电压基本平衡。
7、根据权利要求3所述的中压大功率三电平逆变装置的矢量优化控制方法，其特征在于：当调制深度处于高调制区时，若逆变器中性点电压波动，采用在一个PWM周期内改变P型小矢量或N型小矢量的持续时间来保持中性点电压的平衡。
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| PB01 | Publication | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: TONGJI UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: SHANGHAI MAGNETIC SUSPENSION COMMUNICATION ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTE Effective date: 20131122 |
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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 201204 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI TO: 200092 YANGPU, SHANGHAI |
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Effective date of registration: 20131122 Address after: 200092 Shanghai City, Yangpu District Siping Road No. 1239 Patentee after: Tongji University Address before: 201204 Pudong New Area, Longyang Road, No. 2520, Patentee before: Shanghai Magnetic Suspension Communication Engineering Technology Research Cente |
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Granted publication date: 20080416 Termination date: 20160526 |