专利名称：一种能够降低输出共模电压的三相电压型pwm变换器及其调制方法
技术领域：
本发明涉及一种能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器及其调制方法。
背景技术：
三相电压型PWM变换器在太阳能、风能、燃料电池等可再生能源并网发电系统及三相交流电机的控制系统中得到广泛应用。但传统三相电压型PWM变换器也带来了许多负面效应，输出高频共模电压就是其中之一。它会在电动机转轴上感应出高幅值轴电压，并形成轴承电流，使电动机的轴承在短期内损坏，缩短电动机使用寿命；或者引起并网漏电流，影响可再生能源并网发电系统的可靠运行。
现有的抑制三相电压型PWM变换器输出共模电压的方法主要可以分为两类，一是采用合理的PWM方式；二是改变主电路结构，并选择合适的PWM方式。
(1)采用合理PWM方式可以减少变换器输出的共模电压。其基本思想是不采用零矢量，即在变换器输出的8个开关组合中，不使用(111)和(000)这两个零矢量，只用六个有效电压空间矢量与其作用时间的线性组合去逼近期望的输出电压。三相PWM变换器8个输出的电压空间矢量及其对直流母线中点O点的共模电压如表1所示。由表可见，当变换器输出两个零矢量时，其共模电压最高，是6个有效电压空间矢量的3倍，如果使变换器不输出零矢量，而只用6个有效电压空间矢量，可以取得一定的抑制共模输出电压的效果，但输出差模电压的质量变差，输出电流波形也较差。
表1三相PWM变换器的8个电压空间矢量的它们相应的共模电压
(2)采用三相四桥臂的结构和不使用零矢量的方法。三桥臂的结构永远无法使输出共模电压为零，但四桥臂的结构可以使变换器在输出六个有效电压空间矢量时共模电压为零。其方法是通过多加的那一个桥臂输出的电压抵消另外三个桥臂输出的共模电压。其不足①增加了成本，不仅仅增加一个桥臂的开关器件，还要增加滤波元件，成本较高；②因不采用零矢量，输出差模电压的质量变差，输出电流波形也较差。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器及其调制方法，该方法在降低变换器输出共模电压的同时不影响输出的差模电压和电流的质量，且硬件电路结构简单、成本低、调制方法易于实现。
本发明涉及的能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器包括正直流母线(P)、负直流母线(N)和传统的PWM变换器(8)，在正直流母线(P)或负直流母线(N)与传统PWM变换器(8)之间加一个双向全控开关(7)，所述的双向全控开关由IGBT、MOSFET或其它电力电子器件组合而成，或者直接是一个双向的全控电力电子器件。当PWM变换器输出电压空间矢量时，合理地控制这个双向全控开关7的开通和关断，就可以降低PWM变换器输出的共模电压。双向全控开关7的开通和关断取决于PWM变换器输出的零矢量。
本发明涉及的能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器的调制方法，包括以下方法 PWM变换器(8)的采用单一零矢量的电压空间矢量调制(Space Vector Pulse WidthModulation)，对于图1(a)所示的电路结构，PWM变换器(8)输出的单一零矢量为(111)，对于图1(b)所示的电路结构，PWM变换器8输出的单一零矢量为(000)；当PWM变换器(8)输出零矢量时，双向全控开关(7)关断，当PWM变换器(8)输出有效矢量时，双向全控开关开通。
本发明较详细的调制方法，包括以下方法 PWM变换器(8)采用单一零矢量的电压空间矢量调制，即在一个开关周期内用两个有效矢量和一个零矢量与其作用时间的线性组合去逼近期望输出电压在一个开关周期的作用效果；当双向全控开关管(7)在正直流母线(P)与PWM变换器(8)之间时，变换器只输出6个有效电压空间矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(111)，而当变换器输出零矢量(111)时，双向全控开关管(7)关断，当变换器输出有效电压空间矢量时，双向全控开关管(7)开通；当双向全控开关管(7)在负直流母线(N)与PWM变换器(8)之间时，变换器只输出6个有效电压空间矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(000)，而当变换器输出零矢量(000)时，双向全控开关管(7)关断，当变换器输出有效电压空间矢量时，双向全控开关管(7)开通。
本发明的有益效果是硬件电路结构简单，成本较低，双向全控开关及传统PWM变换器可用MOSFET、IGBT以及其它全控半导体功率器件构成，双向全控开关与PWM变换器的其他开关(1～6)之间的开关逻辑关系简单，易于编程实现；本发明通过改进传统PWM变换器的电路结构，并提出相应的调制方法，实现了降低三相电压型PWM变换器输出共模电压进而降低其输出共模电流的目的。可以应用于三相太阳能、风力、燃料电池等可再生能源并网发电系统中，也可以用于三相变频器系统，用来削弱共模电压带来的危害。
四
附图1(a)和(b)是本发明提出的变换器硬件结构图； 附图2是开关管1～7的调制方法流程图； 附图3(a)是变换器输出的8个电压空间矢量的矢量图； 附图3(b)是用两个有效矢量和零矢量合成期望电压矢量的示意图； 附图4是与图3(b)相对应的三相桥臂的开关函数与开关管7的开关函数图； 附图5(a)是传统PWM变换器采用单一零矢量SVPWM时的共模电压和频谱图； 附图5(b)是传统PWM变换器采用均分零矢量SVPWM时的共模电压和频谱图； 附图5(c)是本发明输出的共模电压和频谱图。
五具体实施例方式 结合附图，对本发明作进一步的描述 1、硬件电路结构，由IGBT、MOSFET等全控电力电子器件与二极管构成双向开关，或者直接采用商品化的双向半导体功率开关。按图1(a)或图1(b)所示构成两种电路结构。在正直流母线(P)或负直流母线(N)与传统PWM变换器(8)之间加一个双向全控开关(7)，所述的双向全控开关由IGBT、MOSFET或其它电力电子器件组合而成，或者直接是一个双向的全控电力电子器件。当PWM变换器输出电压空间矢量时，合理地控制这个双向全控开关7的开通和关断，就可以降低PWM变换器输出的共模电压。双向全控开关7的开通和关断取决于PWM变换器输出的零矢量。
2、三相PWM变换器的调制方式 当硬件电路结构采用图1(a)所示的电路结构时，变换器采用单一零矢量SVPWM方式，而且这个零矢量应选择(111)。当硬件电路结构采用图1(b)所示的电路结构时，变换器也采用单一零矢量SVPWM方式，而这时，零矢量应选择(000)。
有效矢量和零矢量在一个开关周期内分配的作用时间取决于直流母线电压Ud、期望输出电压Vα、Vβ和开关周期TPWM。其计算流程的框图如图2所示。下面将结合附图3，对具体的基于DSP的实施过程进行说明。
(1)判断期望的电压矢量
所在的扇区 引入三个中间变量A、B、C IFVβ＞0，Then A＝1，Else A＝0； IF
Then B＝1，Else B＝0； IF
Then C＝1，Else C＝0； 则扇区SectorNum＝A+2B+4C (2)计算扇区的有效电压空间矢量和零矢量的作用时间Tx、Ty和T0 引入三个中间变量X、Y和Z 对于不同的扇区，Tx、Ty按表2取值 表2 Tx、Ty取值 进行饱和判断 IFTx+Ty＞TPWM， THENTxsat＝TxTPWM/(Tx+Ty)； Tysat＝TyTPWM/(Tx+Ty)； Tx＝Txsat； Ty＝Tysat 计算零电压矢量作用时间 T0＝TPWM-Tx-Ty (3)比较时间分配 在不同的扇区内按表3将TL、TM和TH分别赋给CMPR1、CMPR2和CMPR3三个比较器。比较器与三角波相比较，即得到相应的三相桥臂的PWM信号。
表3比较器的赋值表
3、双向开关管7的调制方式 当硬件电路结构采用图1(a)所示的电路时，三相电压型PWM变换器输出有效矢量时，开关管7应开通，输出零矢量时，开关管7应关断，如图4所示。
当硬件电路结构采用图1(b)所示的电路时，三相电压型PWM变换器输出有效矢量时，开关管7应导通，输出零矢量时，开关管7应关断。
由图5(a)(b)(c)可以看出，本发明的PWM变换器及其调制方式对输出的共模电压有较好的抑制作用。共模电压的低频和高频分量显著降低。
权利要求
1.一种能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器，包括正直流母线(P)、负直流母线(N)和传统的PWM变换器(8)，其特征是在正直流母线(P)或负直流母线(N)与传统PWM变换器(8)之间加一个双向全控开关(7)，所述的双向全控开关由IGBT、MOSFET或其它电力电子器件组合而成，或者直接是一个双向的全控电力电子器件。
2.一种能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器的调制方法，其特征是包括以下方法
PWM变换器(8)采用单一零矢量的电压空间矢量调制，一种电路结构是，PWM变换器(8)输出的单一零矢量为(111)，另一种电路结构是，PWM变换器(8)输出的单一零矢量为(000)；当PWM变换器(8)输出零矢量时，双向全控开关(7)关断，当PWM变换器(8)输出有效矢量时，双向全控开关(7)开通。
3.根据权利要求2所述的能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器的调制方法，其特征是包括以下方法
PWM变换器(8)采用单一零矢量的电压空间矢量调制，即在一个开关周期内用两个有效矢量和一个零矢量与其作用时间的线性组合去逼近期望输出电压在一个开关周期的作用效果；当双向全控开关管(7)在正直流母线(P)与PWM变换器(8)之间时，变换器只输出6个有效电压空间矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(111)，而当变换器输出零矢量(111)时，双向全控开关管(7)关断，当变换器输出有效电压空间矢量时，双向全控开关管(7)开通；当双向全控开关管(7)在负直流母线(N)与PWM变换器(8)之间时，变换器只输出6个有效电压空间矢量(100、110、010、011、001、101)和零矢量(000)，而当变换器输出零矢量(000)时，双向全控开关管(7)关断，当变换器输出有效电压空间矢量时，双向全控开关管(7)开通。
全文摘要
本发明涉及一种能够降低输出共模电压的三相电压型PWM变换器及其调制方法。这种电路有两种类型，其电路结构在正直流母线或负直流母线N与传统PWM变换器之间加一个双向全控开关。其调制方法是对于图1(a)所示的电路，PWM变换器在输出零矢量时全部采用(111)，而且当其输出零矢量时，双向全控开关关断，输出有效矢量时，双向全控开关开通；对于图1(b)所示的电路，变换器在输出零矢量时全部采用(000)，而且当变换器输出零矢量时，双向全控开关关断，输出有效矢量时，双向全控开关开通。本发明可以用于三相太阳能、风力、燃料电池等可再生能源并网发电系统中，也可用于三相变频器系统，用来削弱共模电压带来的危害。
文档编号H02M7/48GK101771359SQ201010110630
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者赵仁德, 王永军, 刘星, 马帅, 许强 申请人:中国石油大学(华东)