一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法
2023-05-25 06:57:16
一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法
【專利摘要】本發明公開一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，將複平面分為六個扇區，在每個扇區內，利用距離空間矢量最近的三個基本矢量等效合成空間矢量，根據伏秒平衡原理計算出基本矢量的作用時間；對第一小矢量和第二小矢量對應的開關狀態分配作用時間因子k，利用k實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓平衡；然後判斷k的取值是否滿足0≤k≤1，如果k不滿足0≤k≤1，將中矢量的作用時間乘以一個比例因子dm，重新計算k，如果k仍然超出範圍，將中矢量的作用時間再次乘以一個dm直到k的取值滿足0≤k≤1；最後確定每個扇區內各個開關狀態的作用時間。本發明能夠在保持空間矢量圖不變的情況下實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓平衡的方法。
【專利說明】-種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及驅動電機的功率變換器領域，特別涉及中點鉗位型三電平逆變器中點 電壓控制方法。
【背景技術】
[0002] 在中高功率場合，多電平逆變器由於開關器件承受的電壓低、等效開關頻率高、輸 出諧波含量少等優點得到了越來越廣泛的應用。中點鉗位型三電平逆變器是多電平逆變器 的一種，它只需要一個直流電壓源，對硬體的要求低。
[0003] 中點鉗位型三電平逆變器存在一個固有的缺點，即中點電壓不平衡問題。目前常 用的控制中點電壓平衡的方法是在NTV (Nearest Three Vectors)調製中利用利用小矢 量對應的冗餘開關狀態的時間分配來控制中點電壓平衡，以及利用NTV2 (Nearest Three Virtual Vectors)控制中點電壓平衡。前者由於冗餘開關狀態的調節能力有限，在高調製 度和低功率因數條件下，中點電壓不能得到有效控制；後者雖然在任意調製度和任意功率 因數條件下可以控制中點電壓平衡，但是對空間矢量圖進行了重新劃分，使得判斷條件變 得複雜，同時也增加了開關頻率。
【發明內容】
[0004] 為了克服現有技術的上述不足，本發明提出了一種能夠在保持空間矢量圖不變的 情況下實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓平衡的方法，本發明通過將中矢量VM的作 用時間乘以一個大於0小於1的比例因子，同時將中矢量作用時間的剩餘部分平均分配給 第一大矢量VL1和第二大矢量VL2,使得中點鉗位型三電平逆變器中點電壓達到平衡狀態， 即中點電壓無波動狀態。
[0005] 本發明通過下述方法實現上述目的。
[0006] -種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其包括如下步驟：第一步，將 複平面上逆時針順序〇° -60扇區定義為第一扇區，60° -120°扇區定義為第二扇區， 120° -180°扇區定義為第三扇區，180° -240°扇區定義為第四扇區，240° -300°扇區 定義為第五扇區，300° -360°扇區定義為第六扇區；第二步，在第一扇區內，利用距離空 間矢量最近的三個基本矢量等效合成空間矢量，根據伏秒平衡原理計算出基本矢量的作 用時間佔空比；第三步，在第一扇區內，對第一小矢量和第二小矢量對應的開關狀態分配 作用時間因子k，利用作用時間因子k實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓無波動；第 四步，判斷第三步計算出來的k的取值是否滿足0 < k < 1，如果不滿足，將中矢量的作用 時間佔空比乘以一個比例因子七dm為大於0小於1的常數，重新計算k，如果k仍然不滿 足0 < k < 1，將中矢量的作用時間佔空比再次乘以一個比例因子dm直到k的取值滿足 1，實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓無波動，最終的比例因子為Λ，η為自 然數；第五步，確定第一扇區內各個開關狀態的作用時間；第六步，採用第二步至第五步的 方法對其他5個扇區進行同樣的操作，確定其他五個扇區各個開關狀態的作用時間。
[0007] 進一步的，所述空間矢量是指給定a、b、c三相電壓
【權利要求】
1. 一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其特徵在於包括如下步驟：第一 步，將複平面上逆時針順序0° -60扇區定義為第一扇區，60° -120°扇區定義為第二扇 區，120° -180°扇區定義為第三扇區，180° -240°扇區定義為第四扇區，240° -300° 扇區定義為第五扇區，300° -360°扇區定義為第六扇區；第二步，在第一扇區內，利用距 離空間矢量最近的三個基本矢量等效合成空間矢量，根據伏秒平衡原理計算出基本矢量的 作用時間佔空比；第三步，在第一扇區內，對第一小矢量和第二小矢量對應的開關狀態分配 作用時間因子k，利用作用時間因子k實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓無波動；第 四步，判斷第三步計算出來的k的取值是否滿足0 < k < 1，如果不滿足，將中矢量的作用 時間佔空比乘以一個比例因子七dm為大於0小於1的常數，重新計算k，如果k仍然不滿 足0 < k < 1，將中矢量的作用時間佔空比再次乘以一個比例因子dm直到k的取值滿足 0彡k彡1，實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓無波動，最終的比例因子為Λ，η為自 然數；第五步，確定第一扇區內各個開關狀態的作用時間；第六步，採用第二步至第五步的 方法對其他5個扇區進行同樣的操作，確定其他五個扇區各個開關狀態的作用時間。
2. 根據權利要求1所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其特徵 在於，所述空間矢量是指給定a、b、c三相電壓
，
表示幅值，
表示角速度，由a、b、c三相電壓在複平面確定 三個電壓矢量
，由三個電壓矢量確定空間矢量
3. 根據權利要求1所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法， 其特徵在於，所述基本矢量是指：中點鉗位型三電平逆變器直流側電壓為E，每一 相的輸出電壓為E/2、0或者-E/2,中點鉗位型三電平逆變器三相的輸出電壓V a、 Vb、V。在複平面上確定三個電壓矢量
由上述三個電壓矢量
確定矢量
，共確定19個不同 的基本矢量〇、
，定義第一扇區的零矢量為〇、第一小矢量為
、第二小矢量為
中矢量為
、第一大矢量為
、第一大矢量為
，將第一扇區的零矢量、第一 小矢量、第二小矢量、中矢量、第一大矢量、第二大矢量分別同時乘以
.
即得到第二扇區、第三扇區、第四扇區、第五扇區、第六扇區的零矢量、第一小矢 量、第二小矢量、中矢量、第一大矢量、第二大矢量。
4. 根據權利要求1所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其特徵在 於，所述根據伏秒平衡原理計算出基本矢量的作用時間佔空比是指若距離空間矢量f最近 的三個基本矢量為
，三個基本矢量作用的時間佔空比分別為ti、t2、t 3，佔空比即 作用時間與採樣周期的比值，則根據
的取值。
5. 根據權利要求1所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其特徵在 於，所述開關狀態指的是中點鉗位型三電平逆變器在某一時刻三相電壓的輸出狀態，中點 鉗位型三電平逆變器直流側電壓為E，每一相的輸出電壓為E/2、0或者-E/2,用數字2代表 電壓E/2,用數字1代表電壓0,用數字0代表電壓-E/2,用連續的三個數字代表中點鉗位型 三電平逆變器在某一時刻三相電壓的輸出狀態，如012代表在某一時刻中點鉗位型三電平 逆變器U、V、W三相分別輸出電壓-E/2、電壓0、電壓E/2。
6. 根據權利要求1所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其特徵在 於，所述對第一小矢量和第二小矢量對應的開關狀態分配作用時間因子k是指：第一小矢 量VS1對應兩個開關狀態211和100,第二小矢量小矢量VS2對應兩個開關狀態221和110， 如果規定流向負載的電流方向為正方向，中點鉗位型三電平逆變器U、V、W三相輸出電流分 別為i a、ib、i。，開關狀態為211時，流向中點鉗位型三電平逆變器中點的電流為ia，開關狀 態為100時，流向中點鉗位型三電平逆變器中點的電流為-i a，開關狀態為221時，流向中點 鉗位型三電平逆變器中點的電流為-i。，開關狀態為110作用時，流向中點鉗位型三電平逆 變器中點的電流為i。，開關狀態為210作用時，流向中點鉗位型三電平逆變器中點的電流 為_i b，其餘開關狀態對中點鉗位型三電平逆變器中點電壓無影響，如果根據伏秒平衡原理 計算出零矢量VZ、第一小矢量VS1、第二小矢量VS2、第一大矢量VL1、中矢量VM、第二大矢量 VL2作用的時間佔空比分別為^^^令開關狀態100作用的時間佔空比為1^2， 令開關狀態211作用的時間佔空比為（l-k)t 2，令開關狀態110作用的時間佔空比為kt3，令 開關狀態221作用的時間為（l-k)t 3。
7. 根據權利要求1所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其特徵在 於，所述利用作用時間因子k實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓無波動是指：通過作 用時間因子的作用使每一個採樣周期內流向中點鉗位型三電平逆變器中點的平均電流都 為0,從而實現中點鉗位型三電平逆變器中點電壓無波動， 當空間矢量立於零矢量終點、第一小矢量終點、第二小矢量終點確定的三角形1中， 一個採樣周期內流向中點鉗位型三電平逆變器中點的平均電流為：
當空間矢量立於第一小矢量終點、第一大矢量終點、中矢量終點確定的三角形2中， 一個採樣周期內流向中點鉗位型三電平逆變器中點的平均電流為：
當空間矢量？位於第一小矢量終點、第二小矢量終點、中矢量終點確定的三角形3中， 一個採樣周期內流向中點鉗位型三電平逆變器中點的平均電流為：
當空間矢量P位於第二小矢量終點、中矢量終點、第二大矢量終點確定的三角形4中， 一個採樣周期內流向中點鉗位型三電平逆變器中點的平均電流為：
由於採樣周期很短，如果一個採樣周期內流向中點鉗位型三電平逆變器中點的平均電 流為〇,則中點鉗位型三電平逆變器直流側中點電壓基本無波動，每一採樣周期內均令i = 〇,計算作用時間因子k。
8. 根據權利要求6所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其特徵 在於，第四步的具體內容是：作用時間因子k只有滿足0 < k < 1才有實際意義，所述的一 個採樣周期內流向中點鉗位型三電平逆變器的中點的平均電流i的表達式分為含有作用 時間因子k的表達式和不含作用時間因子k的表達式，當0 < k < 1時，含有作用時間因 子k的表達式取值在一個以0為中心的對稱區間Q內，如果不含作用時間因子k的表達式 取值也在這個對稱區間Q內，則可以通過改變作用時間因子k的取值使i = 0,從而實現中 點鉗位型三電平逆變器直流側中點電壓基本無波動；如果計算出的作用時間因子k不滿足 0彡k彡1，意味著不含作用時間因子k的表達式取值不在對稱區間Q內，將t 5換成dmt5，dm 為大於〇小於1的常數，此時不含作用時間因子k的表達式取值向對稱區間Q內靠攏，如果 中矢量VM的作用時間佔空比乘以比例因子d m後，作用時間因子k仍然不滿足0彡k彡1， 再次將中矢量VM的作用時間佔空比乘以比例因子七，如此進行，直到作用時間因子k滿足 1，最後將中矢量VM作用時間〖5的剩餘部分
分別平均分配給第一大矢量 VL1和第二大矢量VL2，n為自然數，表示乘以比例因子七的次數，由於
是一個等比數列且 數值趨向於〇,故根據數學知識知道必有一個η使0 < k < 1，即必有一個η使得中點鉗位 型三電平逆變器中點電壓無波動且由於第一大矢量與第二大矢量之和等於兩倍的中矢量。
9. 根據權利要求1所述的一種中點鉗位型三電平逆變器中點電壓控制方法，其 特徵在於，第五步的具體內容是若在一個採樣周期Ts內得到零矢量、第一小矢量、第 二小矢量、第一大矢量、中矢量、第二大矢量的作用時間佔空比分別為A、t 2、t3、t4、 t5、t6以及作用時間因子k和比例因子
則開關狀態000、111、100、211、110、221、 200、210、220的作用時間分別為
【文檔編號】H02M7/487GK104158422SQ201410369855
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】康龍雲, 馮自成 申請人:華南理工大學