一種三相三電平逆變器的NP互補型SVPWM控制方法與流程

2023-07-09 14:15:16 3

本發明涉及一種三相三電平逆變器的控制方法，尤其是一種基於N型和P型SVPWM控制結合的控制方法。

背景技術：

隨著逆變器功率的增大，以及功率開關管的開關頻率的提高，開關管的開關損耗越來越大，已成為制約高功率密度逆變器發展的一個關鍵問題，為此，多電平逆變器已逐漸成為工業應用的主流。其中，三電平逆變器由於特性優良且控制較為簡單，得到了廣泛應用。

空間矢量調製技術(SVPWM)是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的脈寬調製方法,在電力電子調製中已經被廣泛應用。它的核心思想就是將變換器的不同開關狀態作為基本作用矢量，根據所選擇的基本矢量及其特定的作用時間來合成參考矢量。相比普通的PWM調製算法，它有很多突出的優點：電壓的利用率高,易於數位化實現,輸出波形質量好,接近正弦,合理安排空間矢量,可以降低開關頻率,減少開關損耗。SVPWM調製下，三電平逆變器三相橋臂每相有三個(2-1-0)開關狀態，整個系統就有27種開關狀態，分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢量和中矢量沒有冗餘開關狀態，而零矢量和小矢量存在冗餘狀態；對於中點電流而言，零矢量和大矢量對應的中點電流為零，中矢量雖然能夠對中點電位產生影響，然而由於並不存在冗餘狀態，因此中矢量並不能參與中點平衡控制。為此考慮利用多餘的小矢量來控制，一般採用改變作用次序的方法使波形在一個控制周期內對稱。由於傳統空間電壓矢量調製模式都是基於七段式調製模式的方法，是利用冗餘小矢量對中點電位平衡的作用，對中點電位的控制仍舊有限，且控制策略非常複雜。

技術實現要素：

本發明的目的在於簡化傳統七段式三電平SVPWM控制策略，而提出一種基於三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法，具體技術方案如下。

一種三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法，其通過將三電平三相逆變器24個工作模態進行劃分，通過分離三電平三相逆變器N型小矢量和P型小矢量，N型小矢量與6個大矢量和6個中矢量構成N型控制方法，P型小矢量與6個大矢量和6個中矢量構成P型SVPWM控制方法，並將兩種控制方法作為獨立控制策略，僅依靠中點電位的需要聯繫起來，兩種控制方法在不同工作區間的不同組合和切換控制實現。

進一步地，三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法具體包括以下步驟：

1)由三相三電平逆變器需要輸出的電壓矢量的相角確定其所在大扇區，進一步分析參考矢量的長度及相角關係得到所處小三角形區域；

2)根據所處的小三角形區域，選擇對應的三相三電平逆變器的三個工作模態，確定各個工作模態的工作時間；

3)根據所述各個工作模態的工作時間生成三個工作模態的切換序列，按照切換序列控制三個工作模態合成電壓矢量，使三個工作模態按參考矢量的圓形軌跡旋轉輸出三相三電平逆變器的正弦線電壓；

4)通過對中點電位以及各相電流的採樣檢測，決定當前時刻需採用N型還是P型SVPWM控制方法。

進一步地，上述方法中，在線性工作區間，N型SVPWM控制方法工作模態僅有6個大矢量即(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量即(210,120，021,012,102,201)，6個N型小矢量即(100，110,010，011,001，101)，該工作區間能劃分為6大扇區，包括：扇區S1，對應0°～60°；扇區S2，對應60°～120°；扇區S3，對應120°～180°；扇區S4，對應180°～240°；扇區S5，對應240°～300°；扇區S6，對應300°～360°；6大扇區又能為4個小三角形區，劃分依據由該工作區間的各矢量末端點連線構成，各個大扇區劃分方式一致，且呈中心對稱，具體區域劃分情況如圖3所示。

P型SVPWM控制方法工作模態僅有6個大矢量即(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量即(210,120，021,012,102,201)，6個P型小矢量即(211，221,121，122,112，212)，該工作區間能劃分為6大扇區，包括：包括：扇區S1，對應0°～60°；扇區S2，對應60°～120°；扇區S3，對應120°～180°；扇區S4，對應180°～240°；扇區S5，對應240°～300°；扇區S6，對應300°～360°；6大扇區又能為4個小三角形區，劃分依據由由該工作區間的各矢量末端點連線構成，各個大扇區劃分方式一致，且呈中心對稱，具體區域劃分情況如圖4所示。

兩種控制方法差別僅在小矢量的差異，因此，所述步驟1,2在兩種控制方法中均一致，不同僅在開關序列的差異。

進一步地，上述方法步驟2)中，參考電壓矢量為Uref，θ是Uref與SVPWM中α軸的實際位置角，θ0是Uref的相對位置角，逆變器直流母線電壓為Udc，參考矢量所在大扇區的判斷方法如下：

1)當時，Uref∈S1，Uref所在三角大扇區的相對位置角θ0＝θ；

2)當時，Uref∈S2，Uref所在三角大扇區的相對位置角

3)當時，Uref∈S3，Uref所在三角大扇區的相對位置角

4)當時，Uref∈S4，Uref所在三角大扇區的相對位置角θ0＝θ-π；

5)當時，Uref∈S5，Uref所在三角大扇區的相對位置角

6)當時，Uref∈S6，Uref所在三角大扇區的相對位置角

參考矢量所在小三角形區域能由相對位置角θ0以及參考矢量的長度共同確定：

判斷規律如下表1所示，表中Y表示式中對應規則成立，N表示式中對應規則不成立，-表示無關；

表1

進一步地，上述方法步驟2)中，選擇所使用的空間電壓矢量時，由於N型或者P型SVPWM控制方法都僅使用了一半的小矢量，因此選擇矢量時僅需根據參考電壓矢量所在三角形區域，選擇臨近的三個電壓矢量來擬合參考電壓矢量，具體的矢量選擇方案如圖3、圖4所示。

按照選擇出的空間電壓矢量，由參考電壓矢量的長度以及相對位置角能確定各空間矢量的作用時間：

1)當參考電壓矢量處於小三角形1時，參考電壓矢量由小矢量U1、小矢量U2及零矢量U0合成，各矢量具體作用時間如下所示：

2)當參考電壓矢量處於小三角形2時，參考電壓矢量由小矢量U1、小矢量U2及中矢量U3合成，各矢量具體作用時間如下所示：

3)當參考電壓矢量處於小三角形3時，參考電壓矢量由小矢量U1、中矢量U2及大矢量U3合成，各矢量具體作用時間如下所示：

4)當參考電壓矢量處於小三角形4時，參考電壓矢量由小矢量U1、中矢量U2及大矢量U3合成，各矢量具體作用時間如下所示：

進一步地，上述方法所述步驟3)中，考慮開關序列的連續性以及對稱性，各大扇區的開關序列確定如下：

對於N型SVPWM控制方法，其切換序列為:

表2

對於P型SVPWM控制方法，其切換序列為:

表3

進一步地，上述方法中，對於N型或者P型SVPWM控制方法，每一種都只採用18個工作模態進行切換控制；NP互補型SVPWM控制方式相比於傳統SVPWM控制策略，在一個輸出電壓周期內開關次數減少1/3。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：

本方法通過N、P型兩種SVPWM控制方法的結合，簡化了傳統SVPWM控制策略的切換序列，與現有技術相比，本發明具有如下優點：1.對於同樣的載波頻率，其功率管開關次數比SVPWM控制減少1/3；2.單一一種控制方法的實現均較SVPWM簡單，且思路清晰，對中點電位的調控反應迅速。

附圖說明

圖1是三電平三相逆變器的電路拓撲結構圖；

圖2是三電平三相逆變器的N型與P型SVPWM控制方法矢量分布圖；

圖3是三電平三相逆變器N型SVPWM控制方法在各個區域作用矢量示意圖；

圖4是三電平三相逆變器P型SVPWM控制方法在各個區域作用矢量示意圖；

圖5是三電平三相逆變器在N型SVPWM控制下的中點電壓波形；

圖6是三電平三相逆變器在P型SVPWM控制下的中點電壓波形；

圖7是三電平三相逆變器在NP互補型SVPWM控制下的線電壓波形；

圖8是三電平三相逆變器在NP互補型SVPWM控制下中點電位波形；

圖9是三電平三相逆變器在NP互補型SVPWM控制下單相突加雙倍負載時中點電位波動情況。

具體實施方法

以下是結合三電平三相逆變器NP互補型SVPWM控制方法對本發明技術方案的具體實施作進一步詳細說明，但本發明的實施和保護範圍不限於此。需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或參數，均是本領域技術人員可參照現有技術(SVPWM)中理解或實現的。

圖1是三電平三相逆變器的電路拓撲結構圖，電路構成並非本發明設計，因此在此無需贅述，其中的元件符號也是通用的規範符號。三電平三相逆變器電路拓撲各相電平狀態對應的開關狀態如表4所示。

表4

如圖2所示，在線性工作區間，N型SVPWM控制方法工作模態僅有6個大矢量(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量(210,120，021,012,102,201)，6個N型小矢量(100，110,010，011,001，101)。P型SVPWM控制方法工作模態僅有6個大矢量(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量(210,120，021,012,102,201)，6個P型小矢量(211，221,121，122,112，212)。根據中點電位以及三相電流在每個開關周期Ts內選擇的合適的SVPWM控制方法，由參考電壓所在三角形區域頂點所代表的三個電壓矢量組合出逆變器的參考電壓矢量，並使其按圓形軌跡旋轉，從而獲得如圖7所示的三相正弦線電壓輸出。

假設參考電壓矢量為Uref，三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法實現步驟如下：

1.參考電壓矢量所在區間確定

①參考電壓矢量所在大扇區的判斷

矢量包括幅值與相角，因此參考電壓矢量所在扇區可由相角確定。具體實現如下：

其中，θ是Uref與α軸的實際位置角，S1，S2，S3，S4，S5和S6分別代表大扇區1～6，θ0是Uref的相對位置角。

②參考電壓矢量所在小三角形區域的判斷

確定參考電壓矢量所在大扇區之後，小區域的判斷需要藉助Uref和θ0來進行判斷。參考電壓矢量所處的小三角形區域可由參考電壓矢量的長度以及其相對位置角θ0通過如下規則判斷：

判斷規律如表1所示，表中「Y」表示對應規則成立，「N」表示對應規則不成立，「-」表示無關。

1、工作模態的工作時間確定：

結合N型、P型SVPWM控制方法的矢量分布圖的對稱性，各大扇區的時間僅需要由參考矢量的長度以及相對位置角θ0即可確定，具體分析如下：

如圖3、圖4三角形列1所示，當參考矢量即參考電壓矢量處於小三角形區域1，參考電壓矢量由兩個小矢量即模態U1和模態U2跟隨，則有UrefTs＝U1T1+U2T2，其中T1是模態U1工作時間；T2是模態U2工作時間，且有Ts＝T1+T2+T0，T0是模態U1、U2不工作時，逆變器三相橋臂均處於零電位的工作時間。設Uref的相對位置角為θ0，逆變器直流母線電壓為Udc則有：

由上式可確定模態U1、U2及U0的時間如下所示：

如圖3、圖4三角形列2所示，若參考電壓矢量Uref位於小三角形區域2時，參考電壓矢量由兩個小矢量U1，U2與一個中矢量U3合成，其工作時間可由下式確定：

求解得到：

如圖3、圖4三角形列3所示，若參考電壓矢量Uref位於小三角形區域3時，參考電壓矢量由一個小矢量U1，一個中矢量U2與一個大矢量U3合成，其工作時間可由下式確定：

求解可得：

如圖3、圖4三角形列4所示。若參考電壓矢量Uref位於小三角形區域4時，參考電壓矢量由一個小矢量U1，一個中矢量U2與一個大矢量U3合成，其工作時間可由下式確定：

求解可得：

2、工作模態的切換序列生成

確定小三角形區域各矢量工作時間之後，各區間的開關序列隨著確定，具體如下：

對於N型SVPWM控制方法，其切換序列為:

大扇區S1：1)三角形區1，開關序列為:

100(T1/2)-110(T2/2)-111(T0)-110(T2/2)-100(T1/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

100(T1/2)-110(T2/2)-210(T3)-110(T2/2)-110(T1/2)

3)三角形區3，開關序列為:

110(T1/2)-210(T2/2)-220(T3)-210(T2/2)-110(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

100(T1/2)-200(T3/2)-210(T2)-200(T3/2)-100(T1/2)

大扇區S2：1)三角形區1，開關序列為:

010(T2/2)-110(T1/2)-111(T0)-110(T1/2)-010(T2/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

010(T2/2)-110(T1/2)-120(T3)-110(T1/2)-010(T2/2)

3)三角形區3，開關序列為:

010(T1/2)-020(T3/2)-120(T2)-020(T3/2)-010(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

110(T1/2)-120(T2/2)-220(T3)-120(T2/2)-110(T1/2)

大扇區S3：1)三角形區1，開關序列為:

010(T1/2)-011(T2/2)-011(T0)-011(T2/2)-010(T1/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

010(T1/2)-011(T2/2)-021(T3)-011(T2/2)-010(T1/2)

3)三角形區3，開關序列為:

011(T1/2)-021(T2/2)-022(T3)-021(T2/2)-011(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

010(T1/2)-020(T3/2)-021(T2)-020(T3/2)-010(T1/2)

大扇區S4：1)三角形區1，開關序列為:

001(T2/2)-011(T1/2)-111(T0)-011(T1/2)-001(T2/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

001(T2/2)-011(T1/2)-012(T3)-011(T1/2)-001(T2/2)

3)三角形區3，開關序列為:

001(T1/2)-002(T3/2)-012(T2)-002(T3/2)-001(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

011(T1/2)-012(T2/2)-022(T3)-012(T2/2)-022(T1/2)

大扇區S5：1)三角形區1，開關序列為:

001(T1/2)-101(T2/2)-111(T0)-101(T2/2)-001(T1/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

001(T1/2)-101(T2/2)-102(T3)-101(T2/2)-001(T1/2)

3)三角形區3，開關序列為:

101(T1/2)-102(T2/2)-202(T3)-102(T2/2)-101(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

001(T1/2)-002(T3/2)-102(T2)-002(T3/2)-001(T1/2)

大扇區S6：1)三角形區1，開關序列為:

100(T2/2)-101(T1/2)-111(T0)-101(T1/2)-100(T2/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

100(T2/2)-101(T1/2)-201(T3)-101(T1/2)-100(T2/2)

3)三角形區3，開關序列為:

100(T1/2)-200(T3/2)-201(T2)-200(T3/2)-100(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

101(T1/2)-201(T2/2)-202(T3)-201(T2/2)-101(T1/2)

對於P型SVPWM控制方法，其切換序列為:

大扇區S1：1)三角形區1，開關序列為:

221(T2/2)-211(T1/2)-111(T0)-211(T1/2)-221(T2/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

221(T2/2)-211(T1/2)-210(T3)-211(T1/2)-221(T2/2)

3)三角形區3，開關序列為:

221(T1/2)-220(T3/2)-210(T2)-220(T3/2)-221(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

211(T1/2)-210(T2/2)-220(T3)-210(T2/2)-211(T1/2)

大扇區S2：1)三角形區1，開關序列為:

221(T1/2)-121(T2/2)-111(T0)-121(T2/2)-221(T1/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

221(T1/2)-121(T2/2)-120(T3)-121(T2/2)-221(T1/2)

3)三角形區3，開關序列為:

121(T1/2)-120(T2/2)-220(T3)-120(T2/2)-121(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

221(T1/2)-220(T3/2)-120(T2)-220(T3/2)-221(T1/2)

大扇區S3：1)三角形區1，開關序列為:

122(T2/2)-121(T1/2)-111(T0)-121(T1/2)-122(T2/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

122(T2/2)-121(T1/2)-021(T3)-121(T1/2)-122(T2/2)

3)三角形區3，開關序列為:

122(T1/2)-022(T3/2)-021(T2)-022(T3/2)-122(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

121(T1/2)-021(T2/2)-020(T3)-021(T2/2)-121(T1/2)

大扇區S4：1)三角形區1，開關序列為:

122(T1/2)-112(T2/2)-111(T0)-112(T2/2)-122(T1/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

122(T1/2)-112(T2/2)-012(T3)-112(T2/2)-122(T1/2)

3)三角形區3，開關序列為:

112(T1/2)-012(T2/2)-002(T3)-012(T2/2)-112(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

122(T1/2)-022(T3/2)-012(T2)-022(T3/2)-122(T1/2)

大扇區S5：1)三角形區1，開關序列為:

212(T2/2)-112(T1/2)-111(T0)-112(T1/2)-212(T2/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

212(T2/2)-112(T1/2)-102(T3)-112(T1/2)-212(T2/2)

3)三角形區3，開關序列為:

212(T1/2)-202(T3/2)-102(T2)-202(T3/2)-212(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

112(T1/2)-102(T2/2)-002(T3)-102(T2/2)-112(T1/2)

大扇區S6：1)三角形區1，開關序列為:

212(T1/2)-211(T2/2)-111(T0)-211(T2/2)-212(T1/2)；

2)三角形區2，開關序列為:

212(T1/2)-211(T2/2)-201(T3)-211(T2/2)-212(T1/2)

3)三角形區3，開關序列為:

211(T1/2)-201(T2/2)-200(T3)-201(T2/2)-211(T1/2)

4)三角形區4，開關序列為:

212(T1/2)-202(T3/2)-201(T2)-202(T3/2)-212(T1/2)。

前述表2是三電平三相逆變器N型SVPWM控制方法在各個區域的開關序列；表3是三電平三相逆變器P型SVPWM控制方法在各個區域的開關序列。

3、確定當前時刻所選用的SVPWM控制方法

單獨使用N型SVPWM控制方法時，由於中點電位不加以控制，會發生嚴重的偏移，具體如圖5所示；單獨使用P型SVPWM控制方法時，由於中點電位未加控制，也會發生嚴重偏移，具體如圖6所示。

為了保證中點電位的穩定，將兩種控制方法結合使用，具體實施如下.

表5

如表5所示，參考電壓矢量Uref處於扇區S1和S4時，中點平衡電流為Ia。當直流側上側電容的電壓Udc1高於直流側下側電容的電壓Udc2時，即Udc1>Udc2，若Ia>0，則應該選用P型SVPWM控制以升高中點電位，若Ia<0，則應該選用N型SVPWM控制以降低中點電位；當Udc1Udc2，若Ib>0，則應該選用P型SVPWM控制以升高中點電位，若Ib<0，則應該選用N型SVPWM控制以降低中點電位；當Udc1Udc2，若Ic>0，則應該選用P型SVPWM控制以升高中點電位，若Ic<0，則應該選用N型SVPWM控制以降低中點電位；當Udc1<Udc2，則相反。

相應的NP互補型SVPWM控制方法控制下輸出線電壓在濾波後波形如圖7所示，非常接近標準正弦波。Udc＝600V時，調製係數M＝0.8，帶功率因素為0.67的感性負載18kVA條件下，中點電位波形如圖8所示，波動範圍為：3/600＝0.5％。突加單相負載時，即三相負載不平衡時中點電位波動較大，但仍舊處於平衡狀態，且撤去突加負載後，中點電位迅速恢復原先狀態，具體如圖9所示。

對於NP互補型SVPWM控制方法控制的三相逆變器，在每個小三角形區域內，在一個周期內逆變器工作狀態切換4次，對應地，開關管總共開關4次；而逆變器由SVPWM方法控制時，在每個小三角形區域內，逆變器在一個周期內工作狀態切換6次，對應地，功率管開關6次，因此在相同的載波頻率以及相同的線電壓輸出情況下，NP互補型SVPWM控制方法相比SVPWM控制其開關次數減少1/3。