专利名称：三电平变频器控制方法
技术领域：
本发明涉及一种三电平变频器控制方法，尤其涉及基于空间矢量脉宽调制算法计算量的简化，属于电力电子应用技术领域，适用于级联式和二极管钳位式拓扑结构的三电平变频器。
背景技术：
随着电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的发展，多电平变频器正成为功率电源、电机驱动和电力系统变流等应用领域中最为热门的研究方向之一。多电平的变频器输出电平数增多，有利于实现输出电压波形的正弦化，减少谐波分量，降低du/dt和di/dt，从而提高系统运行的可靠性。
实现变频器输出波形正弦化的脉宽调制(简称PWM)控制算法是变频器系统控制的核心算法之一。常用的PWM算法有特定谐波消除法、优化目标函数法、滞环电流控制法、载波调制法以及空间矢量PWM等。空间矢量PWM以其较高的直流电压利用率、低开关频率等优势成为如今变频器主要采用的控制算法。
多电平的空间矢量PWM计算量随着电平数的增多急剧增大，这也限制了多电平变频器的发展。本发明旨在提供一种简化的三电平变频器空间矢量PWM方法，此方法在减少计算量的同时能方便地实现中点电位的调节。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种需要较少计算量的三电平变频器控制方法，将三电平变频器控制方法进行简化，同时利用冗余开关状态实现中点电位的控制。
技术方案本发明的三电平变频器控制方法包括以下步骤 a.确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压空间矢量的幅值和相角； b.根据参考电压空间矢量的幅值|Vref|和相角θ计算出a、b、c三相参考电压 c.三电平电压空间矢量图可视为由六个两电平电压空间矢量构成的小六边形相互叠合而成，判断参考电压矢量所在的位置只需判定参考电压矢量位于的小六边形S， d.计算参考电压空间矢量所在的三角形顶点电压空间矢量的作用时间； e.变频器控制脉冲的产生生成由硬件实现，采用TI公司的TMS320F2812实现算法，并由其内部自带的硬件EV单元实现脉冲的生成，将计算所得的作用时间装载入EV单元后，EV自动根据需要产生控制脉冲， 参考电压矢量位于的小六边形S值的计算方法如下 1)判断三相参考电压的极性，当Va_ref>0时令Fa＝1；当Va_ref＝0时令Fa＝0；当Va_ref<0时令a相符号变量Fa＝-1，同理计算相电压符号变量Fb、Fc， 2)由Fa、Fb、Fc判断S值 ①当Fa＝0或者Fa＝1，Fb＝-1或者Fb＝0，Fc＝-1或者Fc＝0时令S＝1； ②当Fa＝0或者Fa＝1，Fb＝1或者Fb＝0，Fc＝-1或者Fc＝0时令S＝2； ③当Fa＝-1或者Fa＝0，Fb＝1或者Fb＝0，Fc＝-1或者Fc＝0时令S＝3； ④当Fa＝-1或者Fa＝0，Fb＝1或者Fb＝0，Fc＝1或者Fc＝0时令S＝4； ⑤当Fa＝-1或者Fa＝0，Fb＝-1或者Fb＝0，Fc＝1或者Fc＝0时令S＝5； ⑥当Fa＝1或者Fa＝0，Fb＝-1或者Fb＝0，Fc＝1或者Fc＝0时令S＝6； 2)三电平变频器的拓扑有二极管钳位式和级联式两种，对这两种结构的三电平变频器，本方法均适用。在控制二极管钳位式三电平变频器时，由于直流侧存在上、下两个电容上的电压在运行过程中有变动，这就是中点电位的偏差，如果不加以控制，将会对变频器及其所驱动的设备造成损坏；本方法可对中点电位进行控制，具体措施如下 在判断参考电压空间矢量位置时，如果参考电压空间矢量位于两个小六边形的重叠区域，此时S取值不唯一； 当参考电压空间矢量位于S＝1和S＝2的小六边形重叠的区域时，此时可以将参考电压空间矢量由三电平平面化简至S＝1或者S＝2中的任何一个两电平平面。如果选择化简至S＝1的两电平平面，参考电压所确定的矢量作用顺序为 (0-1-1)-(00-1)-(10-1)-(100)-(100)-(10-1)-(00-1)-(0-1-1) V1N V2N V8V1PV1P V8V2N V1N T1N T2N T8T1PT1P T8T2N T1N V1N、V2N分别为开关状态(0-1-1)和(00-1)所对应的电压空间矢量，它们均为正组小矢量；V8为开关状态(10-1)对应的电压空间矢量，为中矢量；V1P为开关状态(1 0 0)所对应的电压空间矢量，为反组小矢量；T1N、T2N、T8、T1P分别为对应矢量的作用时间。V1N、V1P输出的相电压相同，为V1，在对称调制中，V1N、V1P的作用时间是均分的，即T1N＝T1P。在这个作用顺序中，正组小矢量的作用时间多于反组小矢量，上电容被放电，下电容被充电，中点电位将上升；如果选择化简至S＝2的两电平平面，参考电压所确定的矢量作用顺序为 (0 0-1)-(1 0-1)-(1 0 0)-(1 1 0)-(1 1 0)-(1 0 0)-(1 0-1)-(0 0-1) T2N T8 T1P T2P T2P T1P T8 T2N 则正组小矢量的作用时间少于反组小矢量的作用时间，在此矢量作用序列下，上电容被充电，下电容被放电，中点电位将下降。
同理对其他S值的两电平平面进行分析可知道，参考电压空间矢量位于两电平平面重叠区域只需要根据中点电位的波动情况相应地改变S值即可对波动进行有效的抑制。
当变频器结构为级联式时，由于此结构的直流电源均为独立电源供电，此时可以不采用此步骤，而直接进行下一步骤的运算； 3)判定参考电压矢量所在的小六边形之后，经过坐标平移即可将三电平电压矢量平面简化为两电平电压矢量平面，在进行坐标平移时需要对参考电压矢量进行修正，对矢量的平移修正即是对其α、β轴分量进行修正，修正方法如下
为原α、β轴参考电压矢量，
为新的α、β轴参考电压矢量，Vdc为三电平变频器的直流母线电压， 当S＝1时，Vβs_ref＝Vβ； 当S＝2时， 当S＝3时， 当S＝4时，Vβs_ref＝Vβ； 当S＝5时， 当S＝6时， 计算参考电压空间矢量所在的三角形顶点电压空间矢量的作用时间的方法如下 根据伏秒平衡原理，得--式1 t1+t2+t8＝Ts --式2 其中
为修正后的参考电压空间矢量，
为参考电压空间矢量落在的三角形的顶点矢量，Ts为调制周期，t1、t2、t8分别为
的作用时间； 由于已经进行了坐标平移，故将式1改写成直角坐标系下的方程，得 --式3 将式2、3联立求解可得 --式4 --式5 t1＝Ts-t8-t2--式6。
图1为三电平电压空间矢量图的简化示意图。
图2为参考电压空间矢量的修正图。
图3为重叠区域S值的二择性示意图。
图4为三电平变频器的第一种结构图，图5为三电平变频器的第二种结构图。
具体实施例方式 本发明提出的三电平变频器控制方法包括以下步骤 1、确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压空间矢量Vref的幅值和相位； 2、根据参考电压空间矢量的幅值和相位确定参考电压空间矢量的修正值； 3、根据获得的修正值对参考电压空间矢量进行修正； 4、根据修正后的参考电压计算其所在的三角形顶点电压空间矢量的作用时 间； 5、结合中点电位的偏差对计算所得的矢量作用时间进行调整； 6、根据计算所得的作用时间生成变频器控制脉冲。
下面是对关键步骤的详细说明 三电平电压空间矢量图可视为由六个两电平电压空间矢量构成的小六边形相互叠合而成，如附图(1)所示(三电平空间矢量由图a简化至图b) 判断参考电压矢量所在的位置只需判定其所处的小六边形。下面用S表示参考电压矢量位于的小六边形号。表1所示为S值的计算表(其中-1、0、1表示各相瞬时值为小于0、等于0，大于0) 表1
判定参考电压矢量所在的小六边形之后，经过坐标平移即可将三电平电压矢量平面简化为两电平电压矢量平面。在由三电平平面向两电平平面的过渡时，还需对参考电压矢量进行修正。附图2所示为S＝1时候的参考电压矢量修正示意图。
为原参考电压矢量，
为新的参考电压矢量，Vdc为三电平变频器的直流母线电压。表2为参考电压矢量修正值表 表2
在判断参考电压空间矢量位置时，如果参考电压空间矢量位于两个小六边形的重叠区域，此时S取值不唯一，如附图3所示。
此时可以将参考电压空间矢量由三电平平面化简至S＝1或者S＝2中的任何一个两电平平面。如果选择化简至S＝1的两电平平面，参考电压所确定的矢量作用顺序为(由于整个控制周期内调制波形关于中心对称，所以作用顺序仅列出一半) (0-1-1)-(0 0-1)-(1 0-1)-(1 0 0) V1NV2N V8V1P T1N T2N T8 T1P V1N、V2N分别为开关状态(0-1-1)和(00-1)所对应的电压空间矢量，它们均为正组小矢量；V8为开关状态(10-1)对应的电压空间矢量，为中矢量；V1P为开关状态(1 0 0)所对应的电压空间矢量，为反组小矢量。T1N、T2N、T8、T1P分别为对应矢量的作用时间。V1N、V1P输出的相电压相同，为V1，在对称调制中，V1N、V1P的作用时间是均分的，即T1N＝T1P。在这个作用顺序中，正组小矢量的作用时间多于反组小矢量，上电容被放电，下电容被充电，中点电位将上升；如果选择化简至S＝2的两电平平面，参考电压所确定的矢量作用顺序为 (0 0-1)-(1 0-1)-(1 0 0)-(1 1 0) T2NT8 T1P T2P 则正组小矢量的作用时间少于反组小矢量的作用时间，在此矢量作用序列下，上电容被充电，下电容被放电，中点电位将下降。
同理对其他S值的两电平平面进行分析可知道，参考电压空间矢量位于两电平平面重叠区域只需要根据中点电位的波动情况相应地改变S值即可对波动进行有效的抑制。
作用时间的计算方法为(以图3所示的两电平平面为例) 根据伏秒平衡原理，得 t1+t2+t8＝Ts(2) 其中
为修正后的参考电压空间矢量，
为参考电压空间矢量落在的三角形的顶点矢量，Ts为调制周期，t1、t2、t8分别为
的作用时间。
由于已经进行了坐标平移，故将式(1)改写成直角坐标系下的方程，得 将式(2)、(3)联立求解可得 t1＝Ts-t8-t2 (6) 实施例 本发明提出的三电平变频器简化算法实施步骤为 1、确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压空间矢量的幅值和相位； 2、根据参考电压空间矢量的幅值和相位确定参考电压空间矢量的修正值； 3、根据获得的修正值对参考电压空间矢量进行修正； 4、根据修正后的参考电压计算修正后参考电压空间矢量所在的三角形顶点电压空间矢量的作用时间； 5、结合中点电位的偏差对计算所得的矢量作用时间进行调整； 6、根据计算所得的作用时间生成变频器控制脉冲。
权利要求
1、一种三电平变频器控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤
a.确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压空间矢量的幅值和相角；
b.根据参考电压空间矢量的幅值|Vref|和相角θ计算出a、b、c三相参考电压Va_ref＝|Vref|cosθ、
c.三电平电压空间矢量图可视为由六个两电平电压空间矢量构成的小六边形相互叠合而成，判断参考电压矢量所在的位置只需判定参考电压矢量位于的小六边形S，
d.计算参考电压空间矢量所在的三角形顶点电压空间矢量的作用时间；
e.变频器控制脉冲的产生生成由硬件实现，采用TI公司的TMS320F2812实现算法，并由其内部自带的硬件EV单元实现脉冲的生成，将计算所得的作用时间装载入EV单元后，EV自动根据需要产生控制脉冲。
2、根据权利要求1所述的三电平变频器控制方法，其特征在于参考电压矢量位于的小六边形S值的计算方法如下
1)判断三相参考电压的极性，当Va_ref>0时令Fa＝1；当Va_ref＝0时令Fa＝0；当Va_ref<0时令a相符号变量Fa＝-1，同理计算相电压符号变量Fb、Fc，
2)由Fa、Fb、Fc判断S值
①当Fa＝0或者Fa＝1，Fb＝-1或者Fb＝0，Fc＝-1或者Fc＝0时令S＝1；
②当Fa＝0或者Fa＝1，Fb＝1或者Fb＝0，Fc＝-1或者Fc＝0时令S＝2；
③当Fa＝-1或者Fa＝0，Fb＝1或者Fb＝0，Fc＝-1或者Fc＝0时令S＝3；
④当Fa＝-1或者Fa＝0，Fb＝1或者Fb＝0，Fc＝1或者Fc＝0时令S＝4；
⑤当Fa＝-1或者Fa＝0，Fb＝-1或者Fb＝0，Fc＝1或者Fc＝0时令S＝5；
⑥当Fa＝1或者Fa＝0，Fb＝-1或者Fb＝0，Fc＝1或者Fc＝0时令S＝6；
2)三电平变频器的拓扑有二极管钳位式和级联式两种，对这两种结构的三电平变频器，在控制二极管钳位式三电平变频器时，直流侧存在上、下两个电容上的电压在运行过程中有变动，这就是中点电位的偏差，对中点电位进行控制，具体措施如下
在判断参考电压空间矢量位置时，如果参考电压空间矢量位于两个小六边形的重叠区域，此时S取值不唯一；
当参考电压空间矢量位于S＝1和S＝2的小六边形重叠的区域时，此时将参考电压空间矢量由三电平平面化简至S＝1或者S＝2中的任何一个两电平平面；如果选择化简至S＝1的两电平平面，参考电压所确定的矢量作用顺序为
(0-1-1)-(00-1)-(10-1)-(100)-(100)-(10-1)-(00-1)-(0-1-1)
V1N V2N V8 V1P V1P V8 V2N V1N
T1N T2N T8 T1P T1P T8 T2N T1N
V1N、V2N分别为开关状态(0-1-1)和(0 0-1)所对应的电压空间矢量，它们均为正组小矢量；V8为开关状态(1 0-1)对应的电压空间矢量，即为中矢量；V1P为开关状态(1 0 0)所对应的电压空间矢量，为反组小矢量；T1N、T2N、T8、T1P分别为对应矢量的作用时间；V1N、V1P输出的相电压相同，为V1；在对称调制中，V1N、V1P的作用时间是均分的，即T1N＝T1P。在这个作用顺序中，正组小矢量的作用时间多于反组小矢量，上电容被放电，下电容被充电，中点电位将上升；如果选择化简至S＝2的两电平平面，参考电压所确定的矢量作用顺序为
(00-1)-(10-1)-(100)-(110)-(110)-(100)-(10-1)-(00-1)
T2N T8 T1P T2P T2P T1P T8 T2N
则正组小矢量的作用时间少于反组小矢量的作用时间，在此矢量作用序列下，上电容被充电，下电容被放电，中点电位将下降；
同理对其他S值的两电平平面进行分析可知道，参考电压空间矢量位于两电平平面重叠区域只需要根据中点电位的波动情况相应地改变S值即可对波动进行有效的抑制；
当变频器结构为级联式时，由于此结构的直流电源均为独立电源供电，此时可以不采用此步骤，而直接进行下一步骤的运算；
3)判定参考电压矢量所在的小六边形之后，经过坐标平移即可将三电平电压矢量平面简化为两电平电压矢量平面，在进行坐标平移时需要对参考电压矢量进行修正，对矢量的平移修正即是对其α、β轴分量进行修正，修正方法如下
为原α、β轴参考电压矢量，
为新的α、β轴参考电压矢量，Vdc为三电平变频器的直流母线电压，
当S＝1时， Vβs_ref＝Vβ；
当S＝2时，
当S＝3时，
当S＝4时，Vβs_ref＝Vβ；
当S＝5时，
当S＝6时，
3、根据权利要求1所述的三电平变频器控制方法，其特征在于计算参考电压空间矢量所在的三角形顶点电压空间矢量的作用时间的方法如下
根据伏秒平衡原理，得
--式1
t1+t2+t8＝Ts --式2
其中
为修正后的参考电压空间矢量，
为参考电压空间矢量落在的三角形的顶点矢量，Ts为调制周期，t1、t2、t8分别为
的作用时间；
由于已经进行了坐标平移，故将式1改写成直角坐标系下的方程，得
--式3
将式2、3联立求解可得
--式4
--式5
t1＝Ts-t8-t2 --式6。
全文摘要
三电平变频器控制方法属于电力电子应用技术领域，适用于级联式和二极管钳位式三电平变频器控制，具体为a.确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压空间矢量的幅值和相角；b.根据参考电压空间矢量的幅值|Vref|和相角θ计算出a、b、c三相参考电压；c.判断参考电压矢量所在的位置只需判定参考电压矢量位于的小六边形S，d.计算参考电压空间矢量所在的三角形顶点电压空间矢量的作用时间；e.将计算所得的作用时间装载入EV单元后，EV自动根据需要产生控制脉冲。本方法提供控制中点电位的策略，在计算的过程中可根据变频器拓扑结构对中点电位的调节方式进行取舍。
文档编号H02M7/48GK101420185SQ20081015579
公开日2009年4月29日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者谭国俊, 何凤有, 叶宗彬 申请人:徐州中矿大传动与自动化有限公司, 中国矿业大学