专利名称：简化的五相三电平电压源逆变器及其矢量控制方法
技术领域：
本发明属于电力电子变换器技术领域。
背景技术：
目前单从经济性和技术成熟度方面考虑，三相逆变器和三相电机所组成的交流调速系统最具代表性，应用最广泛。然而随着社会和经济的发展，在工业、民用和军事等领域对交流调速系统提出了更高的要求，特别是在大功率，高转矩密度，高功率密度和高可靠性方面，而且现今中大功率交流传动系统的用电量占所有电气传动系统用电量的70%。尽管传统的三相电机及其调速技术已经相当成熟，但由于其自身的限制，无法完全满足应用要求。多相交流电机(多于三相)相比三相电机而言，提高了转矩脉动频率，降低转矩脉动幅值以及对功率器件的容量要求，能在供电电压有限的场合实现大功率运行。另外，增加的相数还有利于提高低速区的调速特性，振动和噪音大大减小。容错性能较好也是多相电机的特点，当多相中的一相或几相发生故障时，通过适当的容错策略，电机仍可以降额继续运行，无需停机或系统重组，这大大提高了驱动系统的可靠性。大容量多相交流电机为了减小谐波损耗，多采用多电平逆变器供电。多电平逆变器输出具有谐波含量低，共模电压幅值小等优点，同时可应用于高压领域。目前，主流的多电平逆变器按主电路拓扑结构可以分为:二极管中点箝位型式(NPC)、飞跨电容型和具有独立直流电源的级联型逆变器。前两种分别需要较多的二极管和电容，且均需要较多的功率开关器件，这将会带来成本较高，开关引起的能量损耗较大，控制复杂等问题；而第三种需要较多的独立直流电源，实际中通过不同的独立电源加上逆变电路并联而成，产生N电平需要N-1个独立电源和4(N-1)个开关管，其中N为自然数，但此种逆变电路会出现每个电源的利用率不同的情况，不利于逆变器长期稳定运行。随着进一步减少了电机的谐波损耗的需求，在中低压领域中应用的多相交流电机系统也采用可应用于高压领域的多电平逆变技术。针对多电平逆变器功率开关数量多的问题，研究适用于中低压场合的新型多电平逆变器拓扑，减少多电平逆变器中功率开关器件的数量，降低多电平逆变器的成本，减少开关损耗，降低控制复杂度具有重要意义。
发明内容
本发明为了解决现有的五相三电平电压源逆变器有较多功率开关器件导致能量损耗较大，控制复杂的问题，提出了简化的五相三电平电压源逆变器及其矢量控制方法。简化的五相三电平电压源逆变器，它由三电平双Buck级电路、两电平电压型逆变级电路、直流电源、电容C1和电容C2组成。电容C1和电容C2串联后与直流电源的两个输出端并联，所述电容C1和电容C2的电容值相同，三电平双Buck级电路的第一输入端与直流电源的正极相连，三电平双Buck级电路的第二输入端与电容C1和电容C2的连接端相连，三电平双Buck级电路的第三输入端与直流电源的负极相连，三电平双Buck级电路的第一输出端与两电平电压型逆变级电路的第一输入端相连，三电平双Buck级电路的第二输出端与两电平电压型逆变级电路的第二输入端相连，两电平电压型逆变级电路输出端输出参考电压。基于简化的五相三电平电压源逆变器的矢量控制方法，所述方法的具体过程为:步骤1:判断当前时刻参考电压矢量所处的扇区，记该扇区为第i扇区，i为I到10之间的自然数；步骤2:根据最近三矢量原则将第i扇区划分为5个区域，分别记为I区，II区，III区，IV区，V区，判断当前时刻参考电压矢量所属的区域，并记该区域为j区，j为1、11、m、iv 或 V;步骤3:根据最近三矢量原则，由步骤2确定的j区选择对应的三个基本合成矢量;步骤4:计算步骤3得到三个基本合成矢量的作用时间；步骤5:根据步骤4得到的三个基本合成矢量的作用时间和三个基本合成矢量的作用顺序对简化的五相三电平电压源逆变器的7组开关进行矢量控制。本发明所述的简化的五相三电平电压源逆变器与传统的五相三电平电压型逆变器相比，其开关频率可以较高，保留了输入输出电流脉动频率高的优点，且由于采用空间矢量PWM技术，并利用冗余矢量来控制中点电位的波动，以减小逆变器输出谐波，保持了输出谐波小的优点。但现有的二极管箝位式的五相三电平逆变器需要20个开关器件和10个二极管，成本较高，总体开关损耗较大，控制比较复杂，可靠性较低，而简化结构的五相三电平逆变器只需要14个开关器件，不需要二极管，成本更低，总体开关损耗较小，控制相对简单，可靠性较高。综上，本发明所述的逆变器保留了传统多电平逆变器输出谐波少的优点，同时能减少开关器件的数量。因此，该简化结构的五相三电平逆变器在中低压、大功率的交流传动场合有良好的应用前景。
图1是简化的五相三电平电压源逆变器的简化主电路拓扑结构；图2是五相电压合成矢量空间分布图；图3是有效工作矢量空间分布图；图4是第I扇区参考电压合成矢量图；图5是简化的五相三电平电压源逆变器的基本结构示意图；图6为矢量控制方法的流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一:参见图1和图5说明本实施方式，本实施方式所述的简化的五相三电平电压源逆变器，它由三电平双Buck级电路1、两电平电压型逆变级电路2、直流电源
3、电容C1和电容C2组成，电容C1和电容C2串联后与直流电源3的两个输出端并联，所述电容C1和电容C2的电容值相同，三电平双Buck级电路I的第一输入端P与直流电源3的正极相连，三电平双Buck级电路I的第二输入端与电容C1和电容C2的连接端O相连，三电平双Buck级电路I的第三输入端N与直流电源3的负极相连，三电平双Buck级电路I的第一输出端P_vin与两电平电压型逆变级电路2的第一输入端相连，三电平双Buck级电路I的第二输出端N_vin与两电平电压型逆变级电路2的第二输入端相连，两电平电压型逆变级电路2输出端输出参考电压。本实施方式所述的简化的五相三电平电压源逆变器是简化结构的中点箝位式电压型逆变器，电路拓扑结构图如图1所示，这种逆变器的拓扑与传统的二极管箝位式的逆变器拓扑所不同的是，前者只用到14个开关器件，后者则需要20个开关器件。
具体实施方式
二:本实施方式与具体实施方式
一所述的简化的五相三电平电压源逆变器的进一步限定，所述三电平双Buck级电路I由四个IGBT开关Sp S2、S3和S4组成，所述第一 IGBT开关S1的集电极作为三电平双Buck级电路I的第一输入端P，第一 IGBT开关S1的发射极与第二 IGBT开关S2的集电极相连后作为三电平双Buck级电路I的第一输出端P_vin，第二 IGBT开关S2的发射极与第三IGBT开关S3的集电极相连，且该连接端作为三电平双Buck级电路I的第二输入端，第三IGBT开关S3的发射极与第四IGBT开关S4的集电极相连作为三电平双Buck级电路I的第二输出端N_vin，所述第四IGBT开关S4的发射极作为三电平双Buck级电路I的第三输入端。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式
二所述的简化的五相三电平电压源逆变器的进一步限定，所述三电平双Buck级电路I的四个IGBT开关Sp S2、S3和S4的状态与所述三电平双Buck级电路I的两个输出端输出的两个电平Vp inv和Vn inv之间的关系如表一所不:表一
权利要求
1.简化的五相三电平电压源逆变器，其特征在于，它由三电平双Buck级电路(I)、两电平电压型逆变级电路(2)、直流电源(3)、电容C1和电容C2组成， 电容C1和电容C2串联后与直流电源3的两个输出端并联，所述电容C1和电容C2的电容值相同，三电平双Buck级电路⑴的第一输入端⑵与直流电源(3)的正极相连，三电平双Buck级电路(I)的第二输入端与电容C1和电容C2的连接端(O)相连，三电平双Buck级电路⑴的第三输入端(N)与直流电源(3)的负极相连，三电平双Buck级电路⑴的第一输出端(P_vin)与两电平电压型逆变级电路⑵的第一输入端相连，三电平双Buck级电路(I)的第二输出端(N_vin)与两电平电压型逆变级电路(2)的第二输入端相连，两电平电压型逆变级电路(2)输出端输出参考电压。
2.根据权利要求1所述的简化的五相三电平电压源逆变器，其特征在于，所述三电平双Buck级电路⑴由四个IGBT开关61、32、53和54)组成，所述第一 IGBT开关(S1)的集电极作为三电平双Buck级电路(I)的第一输入端(P)，第一 IGBT开关(S1)的发射极与第二 IGBT开关(S2)的集电极相连后作为三电平双Buck级电路(I)的第一输出端(P_vin)，第二 IGBT开关(S2)的发射极与第三IGBT开关(S3)的集电极相连，且该连接端作为三电平双Buck级电路(I)的第二输入端，第三IGBT开关(S3)的发射极与第四IGBT开关(S4)的集电极相连作为三电平双Buck级电路(I)的第二输出端(N_vin)，所述第四IGBT开关(S4)的发射极作为三电平双Buck级电路(I)的第三输入端。
3.根据权利要求2所述的简化的五相三电平电压源逆变器，其特征在于，所述三电平双Buck级电路(I)的四个IGBT开关(SpS2、S3和S4)的状态与所述三电平双Buck级电路(I)的两个输出端输出的两个电平Vp—inv和VN—inv之间的关系如表一所不: 表一
4.根据权利要求1所述的简化的五相三电平电压源逆变器，其特征在于，所述两电平电压型逆变级电路(2)为五相逆变器电路。
5.基于权利要求1所述的简化的五相三电平电压源逆变器的矢量控制方法，其特征在于，所述方法的具体过程为: 步骤1:判断当前时刻参考电压矢量所处的扇区，记该扇区为第i扇区，i为I到10之间的自然数； 步骤2:根据最近三矢量原则将第i扇区划分为5个区域，分别记为I区，II区，III区，IV区，V区，判断当前时刻参考电压矢量所属的区域，并记该区域为j区，j为1、I1、II1、IV或V ; 步骤3:根据最近三矢量原则，由步骤2确定的j区选择对应的三个基本合成矢量； 步骤4:计算步骤3得到三个基本合成矢量的作用时间； 步骤5:根据步骤4得到的三个基本合成矢量的作用时间和三个基本合成矢量的作用顺序对简化的五相三电平电压源逆变器的7组开关进行矢量控制。
6.根据权利要求5所述的矢量控制方法，其特征在于，所述步骤I所述的扇区的形成方法为:将五相逆变器电路的93个基本合成矢量按照幅值分为7组，分别为O矢量、幅值为0.2472Vdc的矢量、幅值为0.4Vdc的矢量、幅值为0.4944VDC的矢量、幅值为0.6472VDC的矢量、幅值为0.8Vdc的矢量和幅值为1.2944Vdc的矢量， 将O矢量、幅值为0.6472VD。的矢量和幅值为1.2944VD。的矢量作为有效工作矢量，进行空间矢量合成， 有效工作矢量将空间分成10个36°扇区，分别编号为1，2，…，10，每个扇区均有幅值为0.6472Vdc的矢量和幅值为1.2944Vdc的矢量，相邻矢量之间的幅角差为36°。
7.根据权利要求6所述的矢量控制方法，其特征在于，所述步骤I所述的判断参考电压矢量所处的扇区的方法为:通过当前参考电压矢量的直角坐标分量对参考电压所处的扇区进行判断。
8.根据权利要求7所述的矢量控制方法，其特征在于，所述通过当前时刻参考电压矢量的直角坐标分量对参考电压所处的扇区进行判断的方法为:通过直角坐标分解或者直接给出参考电压矢量的直 角坐标分量Va和卩0，然后根据A0 = Ve cot (36° )-να A1 = V0CotW )_VaA2 = -V0 cot (36° ) -VaA3 = -V0 cot (72° )-Va 计算并判断参考电压矢量所处的扇区， 当Ve > O时，参考电压矢量所处的扇区号为N = l+A0+ai+A2+A3 ； 当Ve < O时，参考电压矢量所处的扇区号为N = 6-(A3+A2+A1+A0)。
9.根据权利要求5所述的矢量控制方法，其特征在于，所述步骤2所述的判断参考电压矢量位于所属的区域的方法为: 以幅值0.6472Vdc为单位对参考电压矢量进行归一化，设归一化后参考电压矢量的幅值为VMf，相角为Θ，ZACG为α， 根据几何关系有tana = 3tanl8° ,且有以下4个条件组合 判断条件1:记10= Θ -18。
Itl > O为真，否则为假； 判断条件2:记11= Vrefcosl0- cosl8° I1X)为真，否则为假； 判断条件3:记
10.根据权利要求5所述的矢量控制方法，其特征在于，所述步骤5所述的三个基本合成矢量的作用顺序为:奇数号扇区内不同区域的矢量作用顺序，如表二所示，偶数号扇区内不同区域的矢量作用顺序，如表三所示，
全文摘要
简化的五相三电平电压源逆变器及其矢量控制方法，属于电力电子变换器技术领域。本发明解决了现有的五相三电平电压源逆变器需要较多功率开关器件的问题，提出了简化的五相三电平电压源逆变器及其矢量控制方法。简化的五相三电平电压源逆变器的电容C1和电容C2串联后与直流电源的两个输出端并联，三电平双Buck级的第一输入端与直流电源的正极相连，三电平双Buck级的第二输入端与电容C1和电容C2的连接端相连，三电平双Buck级的第三输入端与直流电源的负极相连，三电平双Buck级的第一输出端与两电平电压型逆变级的第一输入端相连，三电平双Buck级的第二输出端与两电平电压型逆变级的第二输入端相连。本发明适用于中低压、大功率的应用场合。
文档编号H02M7/483GK103117668SQ20131006012
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者刘洪臣, 王国立, 于海龙 申请人:哈尔滨工业大学