一种三电平NPC整流器的SVPWM控制方法与流程

本发明涉及一种pwm控制方法，尤其涉及一种三电平npc整流器的svpwm控制方法。

背景技术：

三电平npc(neutralpointclamped)整流器的拓扑如图1所示，其三相桥臂每相各由四个开关器件串联，四个开关器件的中间连接处作为网侧三相电压的输入端，每相上下两个开关器件的中间连接处各通过一个嵌位二极管连接至直流侧中点用来输出o电平。通过控制12个开关器件的开通与关断时刻，可实现对直流侧电压的实时控制。

三电平npc拓扑相比于电容悬浮型多电平拓扑和级联型多电平拓扑，其体积较小、结构简单，且可以通过采用背靠背结构实现能量双向流动，目前被普遍应用于中高压大功率电机的调速场合。

svpwm(spacevectorpulsewidthmodulation)方法是一种在三电平npc拓扑中得到广泛使用的调制策略。三电平npc整流器在各空间角度区间内的电压空间矢量分布如图2所示，图2中va、vb、vc分别对应a相、b相、c相相电压，诸如0°、30°等角度代表对应度数的空间矢量角，即三相电压dq变化后所得到指令电压vref与a相相电压之间的夹角。定义vref与a相重合时的空间矢量角为0度，360度空间矢量角对应一个电压基波周期。

表1给出了图2中各电压空间矢量的幅值和其对应的开关状态，其中vdc对应直流侧电压，p状态对应上桥臂开关器件t1、t2导通，o状态对应开关器件t2、t3导通，n状态对应下桥臂开关器件t3、t4导通，如电压空间矢量pon，对应a相t1、t2导通，b相t2、t3导通，c相t3、t4导通。各电压空间矢量依据其幅值大小可分为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，小矢量依据其三相对应的电平为p状态或n状态又可分为p型小矢量和n型小矢量。

传统svpwm的调制基于伏秒原理，即由三个电压空间矢量来合成指令电压vref，三个电压空间矢量的选取依据最近三矢量原则。各电压矢量作用时间需满足方程：

公式(1)中，ts为采样周期，v0、v1、v2和t0、t1、t2分别对应合成vref的最近三矢量及其作用时间。

表1svpwm各电压空间矢量及对应的开关状态

svpwm方法在不同空间角度区间内选择不同的电压空间矢量首发对应不同的开关频率和谐波分布。传统小矢量首发svpwm依据首发小矢量类型可划分为全n/p型和np交替型。常用全n/p型、np交替型svpwm方法在各角度区间内的开关序列如图3所示。图3中，各电压空间矢量的定义和表1所示相同，三种传统svpwm方法的region划分如表2所示。

表2传统svpwm方法region划分

svpwm规则采样方法有单采样和双采样，如图4，相比单采样方式，双采样方式在三角载波的零值和峰值时刻均采样，三角载波的上升沿和下降沿各对应一个采样值。为更精确的追踪指令电压vref的变化趋势，选择双采样作为svpwm方法的采样方式。

假定双采样方式下采样频率1200hz，可得出双采样下全n/p型、np交替型svpwm在一个50hz电压基波周期内a相t1、t2的开关动作，如图5。对比图5，全n/p型小矢量首发svpwm的内外管开关频率并不一致，平均开关频率为325hz，其开关频率最低，但其在一个基波周期内的开关波形并不满足半波对称，故其并不具备消除偶次谐波和中点电压自平衡的能力。np交替型小矢量首发svpwm的开关波形则在一个基波周期内均满足半波对称，故其能够消除偶次谐波且具备中点电压自平衡能力。其中，适合双采样的np交替型svpwm开关频为400hz，传统np交替型svpwm开关频率为350hz或400hz，同时可能存在相电压两电平突变问题。传统svpwm方法的性能总结于表2。

表3三种传统svpwm方法性能分析

情况1对应第一个采样点在三角载波上升沿，情况2对应第一个采样点在三角载波下降沿

三电平npc整流器直接连接电网，其交流侧电流谐波分布必须符合公用电网谐波标准，依据gb/t24337-2009电能质量公用电网间谐波，其对偶次谐波限制更为严格。另外，当利用三电平npc拓扑构造背靠背结构用于中高压大功率电机的调速时，直流侧中点电压的稳定要依靠整流侧来控制。除此之外，大功率三电平npc整流器每次开关动作的开关损耗不可忽视，要尽量降低开关器件的开关次数。交流侧电流偶次谐波含量、直流侧中点电压稳定性、开关频率高低是评判三电平npc整流器调制策略性能的关键考虑点。

对比表2三种传统的svpwm方法，传统的全n/p型小矢量首发svpwm方法虽然开关频率较低但偶次谐波含量较高且不具备中点电压自平衡能力，而目前常用的两种np型小矢量交替首发svpwm方法虽然不含偶次谐波且具有中点电压自平衡能力，但开关频率较高。针对三电平npc整流器使用，三种传统svpwm方法均存在一定的不足。

技术实现要素：

为克服传统全n/p型和np交替型小矢量首发svpwm方法应用在三电平npc整流器时的不足，本发明提出一种三电平npc整流器的svpwm控制方法。本发明可以在消除交流侧电流偶次谐波且直流侧具有中点电压自平衡能力的基础上，降低开关器件的开关频率。

三相电压dq变化后可得到指令电压vref，定义指令电压vref与a相相电压之间的夹角为空间矢量角，则指令电压vref与a相重合时的空间角为0度，360度空间角对应一个电压基波周期。为更精确的追踪指令电压vref的变化趋势，选择双采样作为本发明方法的采样方式，即在三角载波的零值和峰值时刻均采样，三角载波的上升沿和下降沿各对应一个采样值。

指令电压vref由最近的三个空间矢量合成，空间矢量依据幅值大小可划分为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，其中，小矢量依据其三相对应的电平状态分为p型小矢量和n型小矢量。

本发明用于三电平npc整流器的svpwm控制方法通过在固定空间角对应的半个基波周期内均使用全n型小矢量首发，在另半个基波周期内均使用全p型小矢量首发的方法来降低a相、b相、c相三相中某一相的开关频率；通过轮换降低一相开关频率的开关序列来降低三相平均开关频率；通过提前检测和利用对偶动作模式的方法来稳定开关频率，并避免相电压两电平突变。

具体如下：

1、降低a、b、c三相中某一相的开关频率

本发明通过在固定空间角对应的半个基波周期内均使用全n型小矢量首发，在另半个基波周期内均使用全p型小矢量首发的方法来降低a相、b相、c相三相中某一相的开关频率：

降低a相开关频率：在90度到270度空间角对应的半个基波周期内，每一采样周期，均采用全p型小矢量首发，在270度到90度对应的另半个基波周期内均采用全n型小矢量首发，称为开关序列a；

降低b相开关频率：在210度到30度空间角对应的半个基波周期内，每一采样周期均采用全p型小矢量首发，在30度到210度对应的另半个基波周期内均采用全n型小矢量首发，称为开关序列b；

降低c相开关频率：在330度到150度空间角对应的半个基波周期内，每一采样周期均采用全p型小矢量首发，而在150度到330度对应的另半个基波周期内均采用全n型小矢量首发，称为开关序列c。

2、降低三相平均开关频率

本发明通过轮换降低一相开关频率的开关序列来降低三相平均开关频率。以基波周期整数倍作为时间单位，即在0度空间角处分别对所述的开关序列a、开关序列b和开关序列c进行循环轮换。如以n倍基波周期作为时间单位对三种开关序列进行轮换，在第n次经过0度空间角前使用开关序列a，在n次到第2n次经过0度空间角前使用开关序列b，在2n次到第3n次经过0度空间角前使用开关序列c，此后依次循环轮转使用开关序列a、开关序列b和开关序列c。n为大于或等于1的整数。

3、稳定开关频率和避免相电压两电平突变

本发明通过提前检测和利用对偶动作模式的方法来稳定开关频率，并避免相电压两电平突变。

在开关序列a作用时，当指令电压在下一采样周期即将跨过90度或270度空间角时进行提前检测，若检测到将发生相电压两电平突变，则采用与开关序列a对偶的开关序列a2，即在90度到270度均采用全n型小矢量首发，在270度到90度均采用全p型小矢量首发；在开关序列b作用时，当指令电压在下一采样周期即将跨过210度或30度空间角时进行提前检测，若检测到将发生相电压两电平突变，则采用与开关序列b对偶的开关序列b2，即在210度到30度均采用全n型小矢量首发，在30度到210度均采用全p型小矢量首发；在开关序列c作用时，当指令电压在下一采样周期即将跨过330度或150度空间角时进行提前检测，若检测到将发生相电压两电平突变，则采用与开关序列c对偶的开关序列c2，即在330度到150度均采用全n型小矢量首发，在150度到330度均采用全p型小矢量首发。

本发明可在中点电压具备自平衡能力，且网侧电流不含偶次谐波的前提下降低开关器件的平均开关频率，并且避免了相电压两电平突变，相比于全n/p型、传统np交替型、适合双采样的np交替型小矢量起始svpwm方法，其更适用于三电平npc整流器。

附图说明

图1是三电平npc整流器拓扑；

图2是三电平npc拓扑下svpwm空间矢量图；

图3是全n/p型、传统np交替型、适合双采样的np交替型小矢量起始svpwm方法开关序列，其中：图3a为全n型小矢量起始svpwm方法开关序列，图3b为全p型小矢量起始svpwm方法开关序列，图3c为传统np交替型小矢量起始svpwm方法开关序列，图3d为适合双采样的np交替型小矢量起始svpwm方法开关序列；

图4是单采样和双采样对比图，其中：图4a为单采样，图4b为双采样；

图5是1200hz采样频率下，全n型、传统np交替型、适合双采样的np交替型小矢量起始svpwm方法在一个基波周期内a相t1、t2的开关动作，其中：图5a为第一个采样点对应三角载波上升沿a相t1、t2的开关动作，图5b为第一个采样点对应三角载波下降沿a相t1、t2的开关动作；

图6是降低一相开关频率的开关序列a、开关序列b、开关序列c，其中：图6a为开关序列a，图6b为开关序列b，图6c为开关序列c；

图7是利用开关序列a、开关序列b、开关序列c的轮换降低三相平均开关频率；

图8是开关序列a、开关序列b、开关序列c的对偶动作模式开关序列a2、开关序列b2、开关序列c2，其中：图8a为开关序列a2，图8b为开关序列b2，图8c为开关序列c2；

图9是稳定开关频率和避免相电压两电平突变的流程图；

图10是1200hz采样频率下，本发明方法在一个基波周期内三相t1、t2的开关动作，其中，图10a为开关序列a作用下的三相开关动作，图10b为开关序列b作用下的三相开关动作，图10c为开关序列c作用下的三相开关动作；

图11是本发明的直流母线上下电压和a相相电压；

图12是本发明开关序列a作用时三相相电压；

图13是本发明开关序列b作用时三相相电压；

图14是本发明开关序列c作用时三相相电压；

图15是本发明开关序列a到开关序列b轮换时三相相电压；

图16是本发明开关序列b到开关序列c轮换时三相相电压；

图17是本发明开关序列c到开关序列a轮换时三相相电压；

图18是本发明a相相电压的fft分析结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明三电平npc整流器的svpwm控制方法通过在固定空间角对应的半个基波周期内均使用全n型小矢量首发，在另半个基波周期内均使用全p型小矢量首发来降低a相、b相、c相三相中某一相的开关频率；通过轮换降低一相开关频率的开关序列来降低三相平均开关频率；通过提前检测和利用对偶动作模式的方法来稳定开关频率，并避免相电压两电平突变。

具体如下：

1、降低某一相开关频率的svpwm方法：通过在固定空间角对应的半个基波周期内均使用全n型小矢量首发，在另半个基波周期内均使用全p型小矢量首发来降低a相、b相、c相三相中某一相的开关频率。如图6所示，三种可分别降低a相、b相、c相开关频率的svpwm开关序列，分别定义为开关序列a、开关序列b和开关序列c。开关序列a、开关序列b和开关序列c中各电压空间矢量的定义和表1所示相同，region划分和各region内起始小矢量类型如表4所示。

表4开关序列a、b、c的region划分和各region内起始小矢量类型

开关序列a、开关序列b和开关序列c具体为：

开关序列a：在270度到90度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用n型小矢量首发，在90度到270度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用p型小矢量首发。在采样方式为双采样时，可以使得开关波形在满足半波对称的前提下将a相内外管开关频率均下降为fs/4，而b相和c相内外管开关频率均为fs/4+50，fs为采样频率。此种开关动作序列降低了a相开关器件的开关频率，称为开关序列a。

开关序列b：在30度到210度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用n型小矢量首发，在210度到30度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用p型小矢量首发。在采样方式为双采样时，可以使得开关波形在满足半波对称的前提下将b相内外管开关频率均下降为fs/4，而a相和c相内外管开关频率均为fs/4+50。此种开关动作序列降低了b相开关器件的开关频率，称为开关序列b。

开关序列c：在150度到330度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用n型小矢量首发，在330度到150度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用p型小矢量首发。在采样方式为双采样时，可以使得开关波形在满足半波对称的前提下将c相内外管开关频率均下降为fs/4，而a相和b相内外管开关频率均为fs/4+50。此种开关动作序列降低了c相开关器件的开关频率，称为开关序列c。

2、本发明通过通过循环轮换降低一相开关频率的开关序列a、开关序列b和开关序列c来降低三相平均开关频率。对开关序列a、开关序列b和开关序列c进行轮换的方式如图7所示，具体轮换规则为：

以基波周期整数倍作为时间单位分别对开关序列a、开关序列b、开关序列c进行循环轮换，即在空间角度为0度时轮转开关序列。如以n倍基波周期作为时间单位对三种开关序列进行轮换，在第n次经过0度空间角前使用开关序列a，在n次到第2n次经过0度空间角前使用开关序列b，在2n次到第3n次经过0度空间角前使用开关序列c，此后依次循环轮转使用开关序列a、开关序列b和开关序列c。其优点一，可以保证在每一个基波周期内，三相的开关波形均满足半波对称，从而可以有效消除偶次谐波并具备一定的中点电压自平衡能力；优点二，开关序列a、b、c进行轮换的时刻应注意三相相电压均不应出现相电压两电平突变，选择在0度空间角轮换开关序列，不存在相电压两电平突变问题。

3、本发明通过提前检测和利用对偶动作模式的方法来稳定开关频率，并避免相电压两电平突变。

开关频率不稳定和相电压两电平突变具体指：

双采样时，若进入n型小矢量首发区域或p型小矢量首发区域的第一个采样点对应三角载波的上升沿时，开关序列a、b、c均可起到降低一相开关频率的作用；若进入n型小矢量首发区域或p型小矢量首发区域的第一个采样点对应三角载波的下降沿时，则当指令电压vref跨越n型小矢量首发区域与p型小矢量首发区域交界处时，开关序列a、b、c均会出现开关频率不稳定和相电压两电平突变问题。表现为：

开关序列a，进入90度或270度的第一个采样点对应三角载波下降沿，则a相相电压会在90度或270度出现相电压两电平突变，且a相开关频率由fs/4上升为fs/4+50，fs为采样频率；

开关序列b，进入30度或210度的第一个采样点对应三角载波下降沿，则b相相电压会在30度或210度出现相电压两电平突变，且b相开关频率由fs/4上升为fs/4+50；

开关序列c，进入150度或330度的第一个采样点对应三角载波下降沿，则c相相电压会在150度或330度出现相电压两电平突变，且c相开关频率由fs/4上升为fs/4+50。

如图8所示，利用与开关序列a、开关序列b、开关序列c对偶的动作模式来防止相电压两电平突变。与开关序列a、开关序列b、开关序列c对偶的动作模式分别定义为开关序列a2、开关序列b2和开关序列c2，开关序列a2、开关序列b2和开关序列c2中各电压空间矢量的定义和表1所示相同，region划分和各region内起始小矢量类型如表5所示。

表5开关序列a2、b2、c2的region划分和各region内起始小矢量类型

开关序列a2、开关序列b2和开关序列c2具体为：

开关序列a2：在270度到90度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用p型小矢量首发，在90度到270度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用n型小矢量首发；

开关序列b2：在30度到210度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用p型小矢量首发，在210度到30度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用n型小矢量首发；

开关序列c2：在150度到330度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用p型小矢量首发，在330度到150度空间角区域对应的半个基波周期内的每一个采样周期均使用n型小矢量首发。

作为开关序列a、b、c对偶的动作模式，开关序列a2、b2、c2在进入n型小矢量首发区域或p型小矢量首发区域的第一个采样点对应三角载波的下降沿时，可起到降低一相开关频率的作用；在进入n型小矢量首发区域或p型小矢量首发区域的第一个采样点对应三角载波的上升沿时，当vref跨越n型小矢量首发区域与p型小矢量首发区域交界处时，会出现开关频率不稳定和相电压两电平突变问题。

如图9所示，本发明稳定开关频率和避免相电压两电平突变的具体实现方式为：

结合开关序列a、b、c和其对偶动作模式a2、b2、c2的特点，在指令电压vref跨越n型小矢量首发区域与p型小矢量首发区域交界处时进行提前检测，检测下一采样点处于三角载波的上升沿或是下降沿，然后依据上升沿或下降沿分别选择相应的开关序列，具体为：

当要降低a相开关频率时，在指令电压vref即将跨越90度或270度空间角时，通过判断三角载波计数器值在递增或是递减来检测下一采样周期的采样点位于三角载波的上升沿还是下降沿。当位于三角载波上升沿时，调用开关序列a，当位于三角载波下降沿时，调用开关序列a2；

当要降低b相开关频率时，在指令电压vref即将跨越30度或210度空间角时，通过判断三角载波计数器值在递增或是递减来检测下一采样周期的采样点位于三角载波的上升沿还是下降沿。当位于三角载波上升沿时，调用开关序列b，当位于三角载波下降沿时，调用开关序列b2；

当要降低c相开关频率时，在指令电压vref即将跨越150度或330度空间角时，通过判断三角载波计数器值在递增或是递减来检测下一采样周期的采样点位于三角载波的上升沿还是下降沿。当位于三角载波上升沿时，调用开关序列c，当位于三角载波下降沿时，调用开关序列c2；

借助提前检测采样点位置和对偶动作模式，无论采样点位于三角载波上升沿或下降沿时，本发明均可以将一相开关频率下降至fs/4且不会出现相电压两电平跳变的问题。

本发明svpwm控制方法可降低开关频率，适用于三电平npc整流器。本发明的实施例为在1200hz采样频率下，轮转使用开关序列a、开关序列b、开关序列c，其三相开关动作如图10所示，对应开关频率如表6所示。

表6开关序列a、开关序列b、开关序列c对应的开关频率

开关序列a可使得a相开关频率降低至fs/4，而b相、c相开关频率保持为fs/4+50，开关序列b可使得b相开关频率降低至fs/4，而a相、c相开关频率保持为fs/4+50，开关序列c可使得c相开关频率降低至fs/4，而b相、a相开关频率保持为fs/4+50。当以基波周期的整数倍作为时间单位轮转使用开关序列a、开关序列b、开关序列c，可使得三相平均开关频率保持为fs/4+33。另外，轮转使用开关序列a、开关序列b、开关序列c，三相相电压开关波形在每一个基波周期内都保持半波对称，故本发明可以使得交流侧电流不含偶次谐波且直流侧具备中点电压自平衡能力，其总体性能如表7所示。

表7本发明性能总结

下面结合实施例说明本发明的实施效果。

本发明实施例搭建了75kva基于igbt的三电平npc背靠背变流器样机，该样机通过vme机箱进行控制，样机的开关器件选用英飞凌公司的fz300r12ke3g。实验条件如下：网侧三相电源通过yy0工频变压器接入三电平npc变流器，网侧缓冲电感0.46mh，直流侧电容4700uf。利用锁相环+直流电压环+dq电流环实现对直流侧电压及网侧功率因数的控制。直流侧目标电压设定200v。为保证开关器件的顺利开通和关断，设置最小脉宽100us，为防止上下桥臂开关器件直通，设置死区时间50us。使用tektronixmdo3054数字示波器来记录实验波形。

图4为svpwm方法双采样和单采样的效果对比图。单采样方式只在三角载波的零值时刻采样，采样值在一个采样周期内保持不变，而双采样方式在三角载波的零值和峰值时刻均采样，三角载波的上升沿和下降沿各对应一个采样值。双采样方式相比于单采样方式，可以更精确的追踪指令电压vref的变化趋势，本发明实施例选择双采样方式。本发明实施例中双采样方式的采样频率为1200hz。

图7为本发明降低三相平均开关频率的方法，即以基波周期整数倍作为时间单位分别对开关序列a、开关序列b、开关序列c进行循环轮换。如以n倍基波周期作为时间单位对三种开关序列进行轮换，在第n次经过0度空间角前使用开关序列a，在n次到第2n次经过0度空间角前使用开关序列b，在2n次到第3n次经过0度空间角前使用开关序列c，此后依次循环轮转使用开关序列a、开关序列b和开关序列c。以下实施例的结果均基于此方法。

图11为本发明实施例即本发明svpwm方法作用下的直流母线上下电压。如图11所示，直流母线上下电压保持稳定，中点电压波动较小，说明本发明具备一定的中点电压自平衡能力。

图12、图13、图14分别为开关序列a、开关序列b、开关序列c作用下的a相、b相、c相相电压。在开关序列a作用下，a相开关频率降低至300hz，而b相、c相开关频率保持为350hz；在开关序列b作用下，b相开关频率降低至300hz，而a相、c相开关频率保持为350hz；在开关序列c作用下，c相开关频率降低至300hz，而a相、b相开关频率保持为350hz；则当轮转使用开关序列a、开关序列b和开关序列c时，可使得三相平均开关频率下降至333hz。相比于传统np交替型和适合双采样的np交替型小矢量起始svpwm方法，降低了开关频率。

图15、图16、图17分别为开关序列a到开关序列b轮转、开关序列b到开关序列c轮转、开关序列c到开关序列a轮转时的相电压波形。各开关序列在0度空间角处进行轮转，在轮转时刻不会出现相电压两电平突变。

图18所示为应用本发明方法实施例的a相相电压的fft分析结果。如图18所示，相电压谐波分布中不含偶次谐波。

如图11～图18所示，本发明实施例的结果验证了本发明用于三电平npc整流器的svpwm控制方法的有效性，即其可以在满足具备中点电压自平衡能力和消除偶次谐波的基础上，降低三相开关器件的平均开关频率，且不会出现相电压两电平突变问题。