本发明涉及一种pwm控制方法。
背景技术：
典型的三电平变流器如三电平npc(neutralpointclamped)变流器，其拓扑结构如图1所示。定义三电平变流器直流侧电压为2e，通过控制三相桥臂各功率开关器件的通断，三电平变流器交流侧相电压可分别输出p、o、n三种电平状态，对应电压值分别为2e、e、0。相比于两电平变流器，三电平变流器可降低每个功率开关器件承受的电压应力，从而可以提升最大输出电压，且其谐波性能更加优越。基于以上优点，三电平变流器目前被普遍应用于中高压大功率电机的调速场合。
相电压两电平跳变指的是三电平变流器交流侧相电压由n电平直接跳变为p电平或由p电平直接跳变为n电平。对于大功率三电平变流器，要严格防止在稳态或动态运行过程中出现相电压两电平跳变，否则一相桥臂的四个串联功率开关器件同时动作易造成各器件动态压降不等而损坏，而且会带来更高的dv/dt。针对大功率三电平变流器的脉宽调制策略，必须要能防止相电压两电平跳变。
载波反相层叠pwm即pod法(phase-oppositedisposition)，其是基于载波比较spwm方法的一种。pod法的原理图如图2所示，pod法通过两个频率相同、相位相同，幅值等大反向的三角载波与三相调制波进行比较产生相应的pwm控制信号，由此控制三电平变流器各桥臂功率开关器件的开通或关断。pod法原理简单，易于实现，是一种经常使用的脉宽调制策略。
pod法利用三角载波与三相调制波比较产生相应的pwm控制信号，三相调制波的值为通过规则采样得到的采样值。在理想情况下，三相调制波的采样零点与三角载波的零点重合，此时pod法作用下不会出现相电压两电平跳变，如图3所示。但在实际工程应用中，由于无法保证三相调制波初始采样值为零，很可能存在调制波的零点与三角载波的零点不重合的情况，此时pod法作用下可能会出现相电压两电平跳变，如图4所示。
三电平变流器在pod法作用下可能出现相电压两电平跳变，降低了三电平变流器的安全性和可靠性，这限制了pod法在大功率三电平变流器中的使用。
技术实现要素：
为克服传统载波反相层叠pwm法应用在三电平变流器存在的相电压两电平跳变缺陷，本发明提出一种预防三电平变流器相电压两电平跳变的方法。本发明通过同时生成两组相位相差180度的反相层叠三角载波，并在调制波方向变化时选择其中一组三角载波与调制波进行比较，从而在载波反相层叠pwm作用下预防了相电压两电平跳变，提高了三电平变流器在载波反相层叠pwm作用下的安全性和可靠性。
本发明对调制波的采样使用不对称规则采样方法，即采样频率为三角载波频率的两倍，在三角载波的零点和峰值点各采样一次。
本发明在三电平变流器所使用调制策略为载波反相层叠pwm时同时生成两组相位相差180度的反相层叠三角载波；通过判断三相调制波的方向，在任一相调制波方向改变时选取两组三角载波中不会导致相电压两电平跳变的一组为实际比较三角载波；利用实际比较三角载波与三相调制波比较得到三电平变流器各功率器件的开关状态，预防三电平变流器载波反相层叠pwm下出现相电压两电平跳变。
具体如下：
本发明三相调制波定义如下：
式(1)中，m为调制比，ω代表角速度，有ω＝2πf，f为三相调制波频率。
本发明的具体步骤如下：
1、同时生成两组相位相差180度的三角载波
本发明同时生成两组三角载波，两组三角载波各自由上下两个幅值、频率相同的三角载波反相层叠构成；其中，第一组三角载波由carr1和carr2反相层叠构成，其定义如下：
对carr1和carr2定义中，fcarr代表载波频率，tcarr对应时间变量，tcarr定义如下：
tcarr＝t-s×tcarr(3)
式(3)中，t对应实际时间，s为t对tcarr的整数倍；
第二组三角载波由carr3和carr4反相层叠构成，其定义如下：
2、在三角载波方向改变时更新三相调制波的采样值
本发明中，三相调制波的采样值只在三角载波方向改变时更新。定义carrflagpre为上一采样周期内三角载波的方向标志位，carrflag为当前采样周期内三角载波的方向标志位，carrflag的取值规则为：
当carrflagpre！＝carrflag时，更新三相调制波的采样值。
3、判断三相调制波的方向是否改变
本发明通过三相调制波采样值的变化来判断三相调制波方向是否改变。定义vapre、vbpre和vcpre分别为上一采样周期内a相、b相和c相调制波采样值，va、vb和vc分别为当前采样周期内a相、b相和c相调制波采样值，判断三相调制波方向是否改变的具体规则为：
1)当vapre<0，vbpre<0，vcpre>0，va>0，对应a相方向由负到正；
2)当vapre>0，vbpre>0，vcpre<0，va<0，对应a相方向由正到负；
3)当vapre>0，vbpre<0，vcpre<0，vb>0，对应b相方向由负到正；
4)当vapre<0，vbpre>0，vcpre>0，vb<0，对应b相方向由正到负；
5)当vapre<0，vbpre>0，vcpre<0，vc>0，对应c相方向由负到正；
6)当vapre>0，vbpre<0，vcpre>0，vc<0，对应c相方向由正到负。
4、在三相调制波方向改变时，从两组三角载波中选择实际比较三角载波
本发明在任一相调制波方向改变时选取两组三角载波中不会导致相电压两电平跳变的那一组为实际比较三角载波，实际比较三角载波的具体选取规则为：
当任一相调制波方向改变时，若carrflag＝0，选择第一组三角载波carr1和carr2为实际比较三角载波；若carrflag＝1，选择第二组三角载波carr3和carr4为实际比较三角载波。
5、实际比较三角载波与三相调制波采样值比较得到pwm信号
本发明通过实际比较三角载波与三相调制波进行比较得到三电平变流器各功率器件的开关状态，具体比较规则为：
1)实际比较三角载波为第一组三角载波carr1和carr2时，当三相调制波采样值大于carr1和carr2，对应调制波相输出p电平；当三相调制波采样值大于carr2且小于carr1，对应调制波相输出o电平；当三相调制波采样值小于carr1和carr2，对应调制波相输出n电平；
2)实际比较三角载波为第二组三角载波carr3和carr4时，当三相调制波采样值大于carr3和carr4，对应调制波相输出p电平；当三相调制波采样值大于carr4且小于carr3，对应调制波相输出o电平；当三相调制波采样值小于carr3和carr4，对应调制波相输出n电平。
附图说明
图1三电平npc变流器拓扑图；
图2载波反相层叠pwm法原理图；
图3载波反相层叠pwm法作用下调制波采样零点与三角载波零点重合，无相电压两电平跳变；
图4载波反相层叠pwm法作用下调制波采样零点与三角载波零点不重合，出现相电压两电平跳变；
图5三相正弦调制波在一个基波周期内的波形；
图6载波反相层叠pwm法作用下0度相位角调制波采样零点情况，其中：图6a对应无相电压两电平跳变情况，图6b对应出现相电压两电平跳变情况；
图7载波反相层叠pwm法作用下180度相位角调制波采样零点情况，其中：图7a对应无相电压两电平跳变情况，图7b对应出现相电压两电平跳变情况；
图8本发明方法的具体实施流程图；
图9是实施例中传统载波反相层叠pwm方法在调制波采样零点与三角载波零点重合，三角载波频率600hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua；
图10是实施例中传统载波反相层叠pwm方法在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率600hz下相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua；
图11是实施例中本发明方法在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率600hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua；
图12是实施例中传统载波反相层叠pwm方法在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率750hz下相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua；
图13是实施例中本发明方法在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率750hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua。
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。
本发明在三电平变流器所使用调制策略为载波反相层叠pwm时同时生成两组相位相差180度的反相层叠三角载波；通过判断三相调制波的方向，在任一相调制波方向改变时选取两组三角载波中不会导致相电压两电平跳变的一组为实际比较三角载波；利用实际比较三角载波与三相调制波比较得到三电平变流器各功率器件的开关状态，预防三电平变流器载波反相层叠pwm下出现相电压两电平跳变。
本发明的具体步骤如下：
1、同时生成两组相位相差180度的三角载波
传统载波反相层叠pwm只生产一组三角载波，本发明为预防相电压两电平跳变，同时生成两组相位相差180度的三角载波。
2、在三角载波方向改变时更新三相调制波的采样值
本发明利用三相调制波采样值与反相层叠三角载波比较得到各功率器件的开关状态，三相调制波的采样值只在三角载波方向改变时更新。
3、判断三相调制波的方向是否改变
为预防相电压两电平跳变，本发明需检测三相调制波方向是否发生变化。三相调制波只在0度过零点和180度过零点时方向发生变化，图5给出了三相正弦调制波在一个基波周期内的波形。定义vapre、vbpre和vcpre分别为上一采样周期内a相、b相和c相调制波采样值，va、vb和vc分别为当前采样周期内a相、b相和c相调制波采样值。观察图5，对于a相0度相位角，当vapre<0，vbpre<0，vcpre>0，va>0，vb<0，vc>0时，对应a相调制波方向由负到正；对于a相180度相位角，当vapre>0，vbpre>0，vcpre<0，va<0，vb>0，vc<0时，对应a相调制波方向由正到负；对于b相0度相位角，当vapre>0，vbpre<0，vcpre<0，vb>0，va>0，vc<0时，对应b相调制波方向由负到正；对于b相180度相位角，当vapre<0，vbpre>0，vcpre>0，vb<0，va<0，vc>0时，对应b相调制波方向由正到负；对于c相0度相位角，当vapre<0，vbpre>0，vcpre<0，vc>0，va<0，vb>0时，对应c相调制波方向由负到正；对于c相180度相位角，当vapre>0，vbpre<0，vcpre>0，vc<0，va>0，vb<0时，对应c相调制波方向由正到负。
4、在三相调制波方向改变时，从两组三角载波中选择实际比较三角载波
本发明在任一相调制波方向改变时选取两组三角载波中不会导致相电压两电平跳变的那一组为实际比较三角载波。为正确选择实际比较三角载波，对载波反相层叠pwm方法作用下不会产生相电压两电平跳变的情况进行分析。
对于载波反相层叠pwm方法，当调制波零点与载波零点不重合且调制波在0度过零点最近正采样值对应上三角载波下降沿，或在180度过零点最近负采样值对应下三角载波上升沿，不会产生相电压两电平跳变。
对0度过零点最近正采样值对应上三角载波下降沿不会产生相电压两电平跳变原因分析如下：
由图4可知，当调制波采样零点与三角载波零点不重合时，三电平变流器在载波反相层叠pwm作用下可能在0度相位角处出现相电压两电平跳变。对载波反相层叠pwm方法作用下调制波采样零点与载波零点不重合时0度相位角处所有可能的调制波采样情况进行分析，总结于图6。由图6可知，当调制波在0度过零点最近采样正值对应上三角载波上升沿，会导致在0度处出现相电压两电平跳变；当调制波在0度过零点最近采样正值对应上三角载波下降沿，不会产生相电压两电平跳变。
对180度过零点最近负采样值对应下三角载波上升沿不会产生相电压两电平跳变原因分析如下：
由图4可知，当调制波采样零点与三角载波零点不重合时，三电平变流器在载波反相层叠pwm方法作用下可能在180度相位角处出现相电压两电平跳变。对载波反相层叠pwm方法作用下调制波采样零点与载波零点不重合时180度相位角处所有可能的调制波采样情况进行分析，总结于图7。由图7可知，当调制波在180度过零点最近采样正值对应上三角载波下降沿，会导致在180度处出现相电压两电平跳变；当调制波在180度过零点最近采样负值对应下三角载波上升沿，不会产生相电压两电平跳变。
根据以上分析，通过检测三相调制波0度相位角处最近正采样值和180度相位角处最近负采样值，然后选择相应方向的三角载波进行比较，可以使得三电平变流器在载波反相层叠pwm方法作用下不会产生相电压两电平跳变。
结合式(2)、式(3)和(5)，对于第一组三角载波carr1和carr2，当carrflag＝0时，carr1对应为下降沿方向的上三角载波，carr2对应为上升沿方向的下三角载波；当carrflag＝1时，carr1对应为上升沿方向的上三角载波，carr2对应为下降沿方向的下三角载波。
结合式(3)、式(4)和(5)，对于第二组三角载波carr3和carr4，当carrflag＝0时，carr3对应为上升沿方向的上三角载波，carr4对应为下降沿方向的下三角载波；当carrflag＝1时，carr3对应为下降沿方向的上三角载波，carr4对应为上升沿方向的下三角载波。
检测三相调制波0度相位角处最近正采样值和180度相位角处最近负采样值即检测三相调制波方向是否发生变化，其对应0度或180度相位角。此时若carrflag＝0，选择第一组三角载波carr1和carr2为实际比较三角载波，carr1对应为下降沿方向的上三角载波，carr2对应为上升沿方向的下三角载波，则使用carr1和carr2与三相调制波采样值进行比较不会产生相电压两电平跳变；若carrflag＝1，选择第二组三角载波carr3和carr4为实际比较三角载波，carr3对应为下降沿方向的上三角载波，carr4对应为上升沿方向的下三角载波，则使用carr3和carr4与三相调制波采样值进行比较不会产生相电压两电平跳变。
5、实际比较三角载波与三相调制波采样值比较得到pwm信号
制定实际比较三角载波与三相调制波的比较规则，依据比较规则对实际比较三角载波与三相调制波进行比较，得到三电平变流器各功率器件的开关状态，从而在载波反相层叠pwm方法作用下预防了相电压两电平跳变。
本发明实施流程如图8所示。
本发明通过同时生成两组相位相差180度的反相层叠三角载波，并在调制波方向变化时选择不会导致相电压两电平跳变的那一组三角载波与调制波进行比较，从而在载波反相层叠pwm方法作用下预防了相电压两电平跳变，克服了传统载波反相层叠pwm方法应用在三电平变流器存在的缺陷，提高了三电平变流器在载波反相层叠pwm方法作用下的安全性和可靠性。
本发明实施例借助psim软件搭建三电平npc逆变器模型，调制策略分别采用本发明提出的预防相电压两电平跳变方法和传统载波反相层叠pwm方法，利用仿真验证本发明提出的预防三电平变流器相电压两电平跳变方法的有效性。仿真条件如表1。
表1实施例仿真实验条件
图9为实施例中传统载波反相层叠pwm方法在调制波采样零点与三角载波零点重合，三角载波频率600hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua。由图9知，当调制波采样零点与三角载波零点重合时，传统载波反相层叠pwm方法作用下不会出现相电压两电平跳变。
图10为实施例中传统载波反相层叠pwm方法在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率600hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua。由图10知，偶数载波比下，当调制波采样零点与三角载波零点不重合时，传统载波反相层叠pwm方法作用下可能会在0度和180度相位角处出现相电压两电平跳变，不利于三电平变流器的安全运行。
图11为实施例中本发明在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率600hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua。对比图10和图11可知，偶数载波比下，当调制波采样零点与三角载波零点不重合时，本发明可以有效预防载波反相层叠pwm方法作用下可能出现的相电压两电平跳变。
图12为实施例中传统载波反相层叠pwm方法在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率750hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua。由图12知，奇数载波比下，当调制波采样零点与三角载波零点不重合时，传统载波反相层叠pwm方法作用下可能会在0度和180度相位角处出现相电压两电平跳变，不利于三电平变流器的安全运行。
图13为实施例中本发明方法在调制波采样零点与三角载波零点不重合，三角载波频率750hz下的相电压vao，三角载波vcarr1、vcarr2和a相调制波采样值ua。对比图12和图13可知，奇数载波比下，当调制波采样零点与三角载波零点不重合时，本发明方法可以有效预防载波反相层叠pwm方法作用下可能出现的相电压两电平跳变。
如图9～图13所示，实施例的结果验证了本发明预防三电平变流器相电压两电平跳变方法的有效性。当调制波采样零点与三角载波零点不重合时，在任意载波比下，本发明方法都可以使得三电平变流器在载波反相层叠pwm方法作用下不出现相电压两电平跳变，提高了三电平变流器在载波反相层叠pwm方法作用下的安全性和可靠性。