一种三相三电平逆变器的NP互补型SVPWM控制方法与流程

本发明涉及一种三相三电平逆变器的控制方法，尤其是一种基于N型和P型SVPWM控制结合的控制方法。

背景技术：

随着逆变器功率的增大，以及功率开关管的开关频率的提高，开关管的开关损耗越来越大，已成为制约高功率密度逆变器发展的一个关键问题，为此，多电平逆变器已逐渐成为工业应用的主流。其中，三电平逆变器由于特性优良且控制较为简单，得到了广泛应用。

空间矢量调制技术(SVPWM)是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制方法,在电力电子调制中已经被广泛应用。它的核心思想就是将变换器的不同开关状态作为基本作用矢量，根据所选择的基本矢量及其特定的作用时间来合成参考矢量。相比普通的PWM调制算法，它有很多突出的优点：电压的利用率高,易于数字化实现,输出波形质量好,接近正弦,合理安排空间矢量,可以降低开关频率,减少开关损耗。SVPWM调制下，三电平逆变器三相桥臂每相有三个(2-1-0)开关状态，整个系统就有27种开关状态，分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢量和中矢量没有冗余开关状态，而零矢量和小矢量存在冗余状态；对于中点电流而言，零矢量和大矢量对应的中点电流为零，中矢量虽然能够对中点电位产生影响，然而由于并不存在冗余状态，因此中矢量并不能参与中点平衡控制。为此考虑利用多余的小矢量来控制，一般采用改变作用次序的方法使波形在一个控制周期内对称。由于传统空间电压矢量调制模式都是基于七段式调制模式的方法，是利用冗余小矢量对中点电位平衡的作用，对中点电位的控制仍旧有限，且控制策略非常复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于简化传统七段式三电平SVPWM控制策略，而提出一种基于三电平三相逆变器的NP互补型SVPWM控制方法，具体技术方案如下。

一种三电平三相逆变器的NP互补型SVPWM控制方法，其通过将三电平三相逆变器24个工作模态进行划分，通过分离三电平三相逆变器N型小矢量和P型小矢量，N型小矢量与6个大矢量和6个中矢量构成N型控制方法，P型小矢量与6个大矢量和6个中矢量构成P型SVPWM控制方法，并将两种控制方法作为独立控制策略，仅依靠中点电位的需要联系起来，两种控制方法在不同工作区间的不同组合和切换控制实现。

进一步地，三电平三相逆变器的NP互补型SVPWM控制方法具体包括以下步骤：

1)由三相三电平逆变器需要输出的电压矢量的相角确定其所在大扇区，进一步分析参考矢量的长度及相角关系得到所处小三角形区域；

2)根据所处的小三角形区域，选择对应的三相三电平逆变器的三个工作模态，确定各个工作模态的工作时间；

3)根据所述各个工作模态的工作时间生成三个工作模态的切换序列，按照切换序列控制三个工作模态合成电压矢量，使三个工作模态按参考矢量的圆形轨迹旋转输出三相三电平逆变器的正弦线电压；

4)通过对中点电位以及各相电流的采样检测，决定当前时刻需采用N型还是P型SVPWM控制方法。

进一步地，上述方法中，在线性工作区间，N型SVPWM控制方法工作模态仅有6个大矢量即(200,220,020,022,002,202)，6个中矢量即(210,120，021,012,102,201)，6个N型小矢量即(100，110,010，011,001，101)，该工作区间能划分为6大扇区，包括：扇区S₁，对应0°～60°；扇区S₂，对应60°～120°；扇区S₃，对应120°～180°；扇区S₄，对应180°～240°；扇区S₅，对应240°～300°；扇区S₆，对应300°～360°；6大扇区又能为4个小三角形区，划分依据由该工作区间的各矢量末端点连线构成，各个大扇区划分方式一致，且呈中心对称，具体区域划分情况如图3所示。

P型SVPWM控制方法工作模态仅有6个大矢量即(200,220,020,022,002,202)，6个中矢量即(210,120，021,012,102,201)，6个P型小矢量即(211，221,121，122,112，212)，该工作区间能划分为6大扇区，包括：包括：扇区S₁，对应0°～60°；扇区S₂，对应60°～120°；扇区S₃，对应120°～180°；扇区S₄，对应180°～240°；扇区S₅，对应240°～300°；扇区S₆，对应300°～360°；6大扇区又能为4个小三角形区，划分依据由由该工作区间的各矢量末端点连线构成，各个大扇区划分方式一致，且呈中心对称，具体区域划分情况如图4所示。

两种控制方法差别仅在小矢量的差异，因此，所述步骤1,2在两种控制方法中均一致，不同仅在开关序列的差异。

进一步地，上述方法步骤2)中，参考电压矢量为U_ref，θ是U_ref与SVPWM中α轴的实际位置角，θ₀是U_ref的相对位置角，逆变器直流母线电压为U_dc，参考矢量所在大扇区的判断方法如下：

1)当时，U_ref∈S₁，U_ref所在三角大扇区的相对位置角θ₀＝θ；

2)当时，U_ref∈S₂，U_ref所在三角大扇区的相对位置角

3)当时，U_ref∈S₃，U_ref所在三角大扇区的相对位置角

4)当时，U_ref∈S₄，U_ref所在三角大扇区的相对位置角θ₀＝θ-π；

5)当时，U_ref∈S₅，U_ref所在三角大扇区的相对位置角

6)当时，U_ref∈S₆，U_ref所在三角大扇区的相对位置角

参考矢量所在小三角形区域能由相对位置角θ₀以及参考矢量的长度共同确定：

判断规律如下表1所示，表中Y表示式中对应规则成立，N表示式中对应规则不成立，-表示无关；

表1

进一步地，上述方法步骤2)中，选择所使用的空间电压矢量时，由于N型或者P型SVPWM控制方法都仅使用了一半的小矢量，因此选择矢量时仅需根据参考电压矢量所在三角形区域，选择临近的三个电压矢量来拟合参考电压矢量，具体的矢量选择方案如图3、图4所示。

按照选择出的空间电压矢量，由参考电压矢量的长度以及相对位置角能确定各空间矢量的作用时间：

1)当参考电压矢量处于小三角形1时，参考电压矢量由小矢量U₁、小矢量U₂及零矢量U₀合成，各矢量具体作用时间如下所示：

2)当参考电压矢量处于小三角形2时，参考电压矢量由小矢量U₁、小矢量U₂及中矢量U₃合成，各矢量具体作用时间如下所示：

3)当参考电压矢量处于小三角形3时，参考电压矢量由小矢量U₁、中矢量U₂及大矢量U₃合成，各矢量具体作用时间如下所示：

4)当参考电压矢量处于小三角形4时，参考电压矢量由小矢量U₁、中矢量U₂及大矢量U₃合成，各矢量具体作用时间如下所示：

进一步地，上述方法所述步骤3)中，考虑开关序列的连续性以及对称性，各大扇区的开关序列确定如下：

对于N型SVPWM控制方法，其切换序列为:

表2

对于P型SVPWM控制方法，其切换序列为:

表3

进一步地，上述方法中，对于N型或者P型SVPWM控制方法，每一种都只采用18个工作模态进行切换控制；NP互补型SVPWM控制方式相比于传统SVPWM控制策略，在一个输出电压周期内开关次数减少1/3。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本方法通过N、P型两种SVPWM控制方法的结合，简化了传统SVPWM控制策略的切换序列，与现有技术相比，本发明具有如下优点：1.对于同样的载波频率，其功率管开关次数比SVPWM控制减少1/3；2.单一一种控制方法的实现均较SVPWM简单，且思路清晰，对中点电位的调控反应迅速。

附图说明

图1是三电平三相逆变器的电路拓扑结构图；

图2是三电平三相逆变器的N型与P型SVPWM控制方法矢量分布图；

图3是三电平三相逆变器N型SVPWM控制方法在各个区域作用矢量示意图；

图4是三电平三相逆变器P型SVPWM控制方法在各个区域作用矢量示意图；

图5是三电平三相逆变器在N型SVPWM控制下的中点电压波形；

图6是三电平三相逆变器在P型SVPWM控制下的中点电压波形；

图7是三电平三相逆变器在NP互补型SVPWM控制下的线电压波形；

图8是三电平三相逆变器在NP互补型SVPWM控制下中点电位波形；

图9是三电平三相逆变器在NP互补型SVPWM控制下单相突加双倍负载时中点电位波动情况。

具体实施方法

以下是结合三电平三相逆变器NP互补型SVPWM控制方法对本发明技术方案的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术(SVPWM)中理解或实现的。

图1是三电平三相逆变器的电路拓扑结构图，电路构成并非本发明设计，因此在此无需赘述，其中的元件符号也是通用的规范符号。三电平三相逆变器电路拓扑各相电平状态对应的开关状态如表4所示。

表4

如图2所示，在线性工作区间，N型SVPWM控制方法工作模态仅有6个大矢量(200,220,020,022,002,202)，6个中矢量(210,120，021,012,102,201)，6个N型小矢量(100，110,010，011,001，101)。P型SVPWM控制方法工作模态仅有6个大矢量(200,220,020,022,002,202)，6个中矢量(210,120，021,012,102,201)，6个P型小矢量(211，221,121，122,112，212)。根据中点电位以及三相电流在每个开关周期T_s内选择的合适的SVPWM控制方法，由参考电压所在三角形区域顶点所代表的三个电压矢量组合出逆变器的参考电压矢量，并使其按圆形轨迹旋转，从而获得如图7所示的三相正弦线电压输出。

假设参考电压矢量为U_ref，三电平三相逆变器的NP互补型SVPWM控制方法实现步骤如下：

1.参考电压矢量所在区间确定

①参考电压矢量所在大扇区的判断

矢量包括幅值与相角，因此参考电压矢量所在扇区可由相角确定。具体实现如下：

其中，θ是U_ref与α轴的实际位置角，S₁，S₂，S₃，S₄，S₅和S₆分别代表大扇区1～6，θ₀是U_ref的相对位置角。

②参考电压矢量所在小三角形区域的判断

确定参考电压矢量所在大扇区之后，小区域的判断需要借助U_ref和θ₀来进行判断。参考电压矢量所处的小三角形区域可由参考电压矢量的长度以及其相对位置角θ₀通过如下规则判断：

判断规律如表1所示，表中“Y”表示对应规则成立，“N”表示对应规则不成立，“-”表示无关。

1、工作模态的工作时间确定：

结合N型、P型SVPWM控制方法的矢量分布图的对称性，各大扇区的时间仅需要由参考矢量的长度以及相对位置角θ₀即可确定，具体分析如下：

如图3、图4三角形列1所示，当参考矢量即参考电压矢量处于小三角形区域1，参考电压矢量由两个小矢量即模态U₁和模态U₂跟随，则有U_refT_s＝U₁T₁+U₂T₂，其中T₁是模态U₁工作时间；T₂是模态U₂工作时间，且有T_s＝T₁+T₂+T₀，T₀是模态U₁、U₂不工作时，逆变器三相桥臂均处于零电位的工作时间。设U_ref的相对位置角为θ₀，逆变器直流母线电压为U_dc则有：

由上式可确定模态U₁、U₂及U₀的时间如下所示：

如图3、图4三角形列2所示，若参考电压矢量U_ref位于小三角形区域2时，参考电压矢量由两个小矢量U₁，U₂与一个中矢量U₃合成，其工作时间可由下式确定：

求解得到：

如图3、图4三角形列3所示，若参考电压矢量U_ref位于小三角形区域3时，参考电压矢量由一个小矢量U₁，一个中矢量U₂与一个大矢量U₃合成，其工作时间可由下式确定：

求解可得：

如图3、图4三角形列4所示。若参考电压矢量U_ref位于小三角形区域4时，参考电压矢量由一个小矢量U₁，一个中矢量U₂与一个大矢量U₃合成，其工作时间可由下式确定：

求解可得：

2、工作模态的切换序列生成

确定小三角形区域各矢量工作时间之后，各区间的开关序列随着确定，具体如下：

对于N型SVPWM控制方法，其切换序列为:

大扇区S₁：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₂：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₃：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₄：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₅：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₆：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

对于P型SVPWM控制方法，其切换序列为:

大扇区S₁：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₂：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₃：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₄：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₅：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

大扇区S₆：1)三角形区1，开关序列为:

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

2)三角形区2，开关序列为:

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

3)三角形区3，开关序列为:

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

4)三角形区4，开关序列为:

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

前述表2是三电平三相逆变器N型SVPWM控制方法在各个区域的开关序列；表3是三电平三相逆变器P型SVPWM控制方法在各个区域的开关序列。

3、确定当前时刻所选用的SVPWM控制方法

单独使用N型SVPWM控制方法时，由于中点电位不加以控制，会发生严重的偏移，具体如图5所示；单独使用P型SVPWM控制方法时，由于中点电位未加控制，也会发生严重偏移，具体如图6所示。

为了保证中点电位的稳定，将两种控制方法结合使用，具体实施如下.

表5

如表5所示，参考电压矢量U_ref处于扇区S₁和S₄时，中点平衡电流为Ia。当直流侧上侧电容的电压U_dc1高于直流侧下侧电容的电压U_dc2时，即U_dc1>U_dc2，若Ia>0，则应该选用P型SVPWM控制以升高中点电位，若Ia<0，则应该选用N型SVPWM控制以降低中点电位；当U_dc1<U_dc2时，则相反。参考电压矢量U_ref处于扇区S₂和S₅时，中点平衡电流为Ib。当U_dc1>U_dc2，若Ib>0，则应该选用P型SVPWM控制以升高中点电位，若Ib<0，则应该选用N型SVPWM控制以降低中点电位；当U_dc1<U_dc2，则相反。参考电压矢量U_ref处于扇区S₃和S₆时，中点平衡电流为Ic。当U_dc1>U_dc2，若Ic>0，则应该选用P型SVPWM控制以升高中点电位，若Ic<0，则应该选用N型SVPWM控制以降低中点电位；当U_dc1<U_dc2，则相反。

相应的NP互补型SVPWM控制方法控制下输出线电压在滤波后波形如图7所示，非常接近标准正弦波。U_dc＝600V时，调制系数M＝0.8，带功率因素为0.67的感性负载18kVA条件下，中点电位波形如图8所示，波动范围为：3/600＝0.5％。突加单相负载时，即三相负载不平衡时中点电位波动较大，但仍旧处于平衡状态，且撤去突加负载后，中点电位迅速恢复原先状态，具体如图9所示。

对于NP互补型SVPWM控制方法控制的三相逆变器，在每个小三角形区域内，在一个周期内逆变器工作状态切换4次，对应地，开关管总共开关4次；而逆变器由SVPWM方法控制时，在每个小三角形区域内，逆变器在一个周期内工作状态切换6次，对应地，功率管开关6次，因此在相同的载波频率以及相同的线电压输出情况下，NP互补型SVPWM控制方法相比SVPWM控制其开关次数减少1/3。