广义三电平SVPWM调制算法的制作方法

本发明涉及一种新的调制算法，尤其涉及一种广义三电平SVPWM新调制算法，应用于三相三电平逆变器拓扑，在光伏逆变器、风电变流器、UPS、变频器、有源滤波器、整流器等高压大功率领域得到广泛应用。

背景技术：

针对三相三电平变换器，调制策略有SPWM和SVPWM。SVPWM调制策略有更高的BUS电压利用率，更小的谐波而得到广泛应用。由于三电平逆变器开关器件众多，存在更多的空间电压矢量，特别是冗余空间电压矢量的存在，使得三电平逆变器的零序分量具有其特殊性和灵活性。同一参考矢量可以选择不同的电压矢量达成，因此有多种矢量调制算法。但各种算法特性不同。对于光伏逆变器，要求THDI小，BUS利用率高、共模电压小、BUS中点平衡。

综合这些性能要求，最常用的SVPWM矢量调制算法是采用最近三个矢量合成参考矢量。该方法THDI小，但是共模电压较高，漏电流较大。漏电流过大可能会引起电网电流畸变、系统损耗增加及安全隐患的问题。尤其是高压调制比很小的情况，共模电压波动很大，产生很大漏电流。

为减小共模电压，一般采用SVPWM调制方法一般采用共模小的矢量来合成参考矢量，该方法能减小共模电压，但THDI差，中点平衡难调节。公开号为CN101917132A的发明专利，涉及一种三相三线三电平逆变器新矢量调制方法，该方法能改善一定调制深度范围内(K＞0.577)的共模，但对调制深度更小的情况不起作用。而随着应用系统电压升高，对调制深度更小的情况下共模改善提出了要求。

技术实现要素：

本发明主要针对高压系统调制比小的时候共模严重的问题，减小系统共模电压，同时保证较小的THDI。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种广义三电平SVPWM调制算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将三电平逆变器系统的三相矢量图按60°区间分成6个大扇区，每个大扇区为一个正三角形，将正三角形按30°方向分成2个小三角形，每个小三角形对应一个小扇区；

步骤2、对任意小扇区而言，用相应小扇区的一个大矢量V₃、一个中矢量V₂及一个小矢量V₁去合成参考矢量V_ref，计算小矢量V₁、中矢量V₂、大矢量V₃的作用时间t_a、t_b、t_c，则有：

式中，K为调至深度，E为整Bus电压，T_s为参考矢量V_ref作用时间，T_s＝t_a+t_b+t_cVref为参考矢量的幅值，θ为参考矢量的角度，；

步骤3、对每个大扇区的大矢量V₃、中矢量V₂及小矢量V₁的作用顺序进行排序，根据各大扇区各矢量的作用顺序及步骤2得到的作用时间分解得到三电平逆变器系统中各管子的占空比。

优选地，在所述步骤3中，先对6个大扇区中的第1个大扇区的各矢量的作用顺序进行排序，再根据对称性推算得到其余5个扇区的各矢量的作用顺序。

优选地，对6个大扇区中的第1个大扇区的各矢量的作用顺序按照顺时针进行排序。

优选地，对各矢量的作用顺序进行排序时遵循以下原则：

原则一：首发矢量都是正小矢量；

原则二：每个开关周期，每相仅会开一次和关一次；

原则三：每相开关状态仅有P和O之间、O和N之间的切换。

本发明提供的算法主要针对高压系统调制比小的时候共模严重的问题，减小系统共模电压，同时保证较小的THDI。本发明提供的算法对小扇区判断简化为两个小扇区，优化了程序代码，矢量计算过程更简单。采用本发明提供的算法后，全电压调制度范围内的共模都得到改善，有效降低EMI，同时保证THDI较小。

附图说明

图1为二极管箝位三电平逆变器拓扑结构；

图2为矢量合成图；

图3为旧调制策略在K＝0.49仿真波形，图中，位于最顶部的第一条通道为inverter current，位于第一条通道下方的第二条通道为：共模电压，位于第二条通道下方的第三条通道为：调制波形；

图4为本发明提供的调制方法在K＝0.49的仿真波形，图中，位于最顶部的第一条通道为inverter current，位于第一条通道下方的第二条通道为：共模电压，位于第二条通道下方的第三条通道为：调制波形；

图5为旧调制策略在K＝0.53实验波形，图中的三条通道分别为BUSN共模电压、BUSN反馈电容电压及BUSN反馈电容电流；

图6为本发明提供的调制方法在K＝0.53实验波形，图中的三条通道分别为BUSN共模电压、BUSN反馈电容电压及BUSN反馈电容电流。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

共模电压与三相逆变器拓扑结构、调制方式有关。如图1所示三电平逆变器系统结构，共模电压V_cm的大小可用式(1)描述。

V_cm＝(u_ao+u_bo+u_co)/3 (1)

式(1)中，u_xO，x＝a，b，c为三相逆变器输出对BUS中点的电压。

定义开关变量S_a、S_b、S_c表示三个桥臂的输出状态，以O点为参考电位，则各相电压表示为式(2)：

式(2)中，E为整BUS电压，x＝a，b，c。

由图1容易得到式(3)：

式(3)中，v_xN，x＝a，b，c为图1中三相输出a/b/c到电网N点电压，v_xo，x＝a，b，c为图1中三相输出a/b/c到BUS中o的电压，v_oN，x＝a，b，c为图1中BUS中点o到电网N点的电压。

结合三相三线系统特性：v_aN+v_bN+v_cN＝0，可得式(4)：

v_oN＝-(v_ao+v_bo+v_co)/3 (4)

式(4)与式(1)仅差一个符号，由此可知，逆变器三相输出对BUS中点输出电压零序分量即共模电压。根据共模电压定义式(1)～(4)可知，共模电压与调制方式有很大关系：当采用SPWM调制时，v_xo，x＝a，b，c为正弦波，则共模电压等于0；若采用SVPWM方式，则v_xo，x＝a，b，c为正弦波叠加零序分量。对于三相无中线的三电平逆变器系统，零序分量不会对线电压造成影响，但叠加不同的零序分量，会演变出不同的矢量调制方式，对于系统的控制性能会有不同的效果。

《基于矢量分区的三电平SVPWM模式零序分量分析》(宋文祥，《电工技术学报》，2009，24(12))分析了不同调制深度K时(定义V_ref为参考矢量)，零序分量的变化。如图2所示的三相矢量图，K为1时，矢量只B&D区域变化，其零矢量相同，调制波形不会出现突变，扫过下一个区域时，零矢量变化一次，因此整个周期变化6次，且数值连续，呈3倍频的三角波形，其调制波是马鞍形波。而随着调制深度K的减小，0.577＜K＜1时，在每一个扇区零序分量要经历四次波形变化C2&D&B&C1，因此整个周期变化24次，而且数值跳动较大。在调制深度处于0.5＜K＜0.577时，等效调制波同样也要经历四个变化C2&A2&A1&C1。当0＜K＜0.5时，在每一个扇区零序分量要经历两次波形变化A2&A1，因此整个周期变化12次，而且此时零序分量数值跳动较大。从《基于矢量分区的三电平SVPWM模式零序分量分析》的仿真波形可见，K越小，其零序波形跳动非常大，极大增加了共模。

本发明提出的解决上述问题的方案是：将A&C区域转换到B&D区域进行处理，等效于统一选择B&D区间的零序电压处理，避免出现调制不连续现象，改善调制波为平滑的马鞍形波，减小共模。具体而言，本发明提供了一种广义三电平SVPWM调制算法，包括以下步骤：

步骤1、根据参考电压矢量判断所处大扇区小扇区

如图2所示，将三相矢量图按60°区间分成6个大扇区，每个大扇区为一个正三角形。对小扇区划分时，不需要再细化为A1/A2/C1/C2/B/D，只需要将大扇区对应的正三角形按30°方向分成2个小三角形。

步骤2、选择矢量计算合成矢量的作用时间

对参考矢量V_ref，用相应小扇区的一个大矢量V₃、一个中矢量V₂及一个小矢量V₁去合成，则有式(5)：

式(5)中，t_a、t_b、t_c分别为小矢量V₁、中矢量V₂、大矢量V₃的作用时间，T_s为参考矢量V_ref作用时间，令解得式(6)：

式(6)中，θ为参考矢量的角度。

步骤3、安排矢量序列，计算占空比

矢量排序参考以下原则：

(1)首发矢量都是正小矢量，这样可以避免扇区切换过程中发生矢量突变；

(2)每个开关周期，每相仅会开(动作)一次和关(动作)一次，开关损耗较小；

(3)每相开关状态仅有P和O之间、O和N之间的切换，不存在P和N之间的切换。

按照上述的三个原则先对第1个大扇区的的大矢量V₃、中矢量V₂及小矢量V₁的作用顺序按照顺时针进行排序，再根据对称性推算得到其余5个扇区的各矢量的作用顺序。根据各大扇区各矢量的作用顺序及步骤2得到的作用时间分解得到三电平逆变器系统中各管子的占空比。

对图1所示的三电平逆变器进行MATLAB仿真。逆变器BUS电压控制在600V，电网线电压有效值208V，同样仿真条件分别用修改前和修改后两种调制方式。图3图4是其仿真比较结果。由波形可见，旧算法调制波形在波峰附近有突变，共模电压最大有100V且震荡。而新算法调制波形是平滑的马鞍形波，共模电压最大50V，逆变电流波形谐波也较小。

对该三电平逆变器进行实验。BUS电压控制在550V/1A，电网线电压有效值208V。实验结果如图5图6所示：旧算法共模电压有效值约50V，高频分量大而且振荡，导致共模电流很大而且振荡。本发明提供的算法共模电压有效值约30V，高频分量较小，共模电流很较小而且无振荡。

可见本发明的c算法能有效改善共模电压，优化调制波形，电流THDI也较小。