一种ANPC三电平控制方法与流程

一种anpc三电平控制方法
技术领域
1.本发明涉及三电平控制技术领域，具体涉及一种anpc三电平控制方法。


背景技术：

2.随着新能源产业的蓬勃发展，更高电压水平的电力电子变流器得到越来越广泛的应用，三电平变流器通过低压开关器件的串并联，就可以做到更高的电压等级，更多的输出电平数，更小的电压谐波，同时也满足大功率的应用场合，是目前新能源变流器的发展趋势。
3.但anpc三电平由于开关管多，空间矢量控制算法复杂，通常使用dsp处理器来进行大量的三角函数运算，同时使用dsp处理器配套的专用pwm定时器来产生开关管开关信号，控制算法复杂，常常需要专用的dsp芯片和pwm外设，不便于推广。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是控制算法复杂，需要专用外设才能实现控制处理，目的在于提供一种anpc三电平控制方法，实现了算法的优化，anpc三电平的控制无需受外设的约束，提高了可移植性和复用性，便于推广使用。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种anpc三电平控制方法，包括以下步骤：
7.获取采样信号和三角载波信号，对上述采样信号进行模数转换，得到数字采样信号；
8.对上述数字采样信号依次进行clark变换、归一化处理和gh坐标变换，得到具有参考电压矢量的空间矢量图；
9.根据上述参考电压矢量在空间矢量图中的坐标，计算上述参考电压矢量的基本矢量，上述基本矢量构成开关矢量序列；
10.根据上述基本矢量和三角载波周期，计算上述基本矢量的作用时间，得到作用时间信号；
11.根据上述作用时间信号和开关矢量序列，计算每相桥臂中上管和下管的开关时间，得到开关时间信号；
12.将上述开关时间信号与三角载波信号进行比较，得到每相桥臂中各开关管的开关状态信号；
13.将死区插入上述开关状态信号中，得到每相桥臂中各开关管的开关控制信号；
14.根据上述开关控制信号控制anpc三电平的输出值。
15.将经过clark变换的数字信号进行归一化处理，使归一化后的值落在空间矢量图的正六边形区域内，使得后续的计算与直流母线电压不存在直接计算关系；将经过归一化处理后的数字信号进行gh坐标变换，在gh坐标系下计算上述参考电压矢量的基本矢量，避免了复杂的三角函数运算，简化了控制算法；
16.上述基本矢量的作用时间直接根据基本矢量和三角载波周期计算，避免了复杂的三角函数运算，进一步简化了控制算法，实现了算法的优化，anpc三电平的控制无需受外部设备的约束，提高了可移植性和复用性，便于推广使用。
17.进一步的，上述采样信号包括三相电压和母线电压。
18.进一步的，在对上述数字采样信号进行clark变换之前，还利用三相锁相环对数字采样信号进行锁相，得到输入相位角θ。
19.进一步的，利用输入相位角θ实现三相电压矢量的定向内环控制，得到同步旋转坐标系下的三相参考电压，再利用输入相位角θ进行park-clark变换，得到静止坐标系下的输出参考电压。
20.进一步的，上述归一化处理包括以下步骤：
21.设置上述归一化处理的单位长度为小矢量，上述小矢量的模长为倍的母线电压；
22.将上述输出参考电压除以小矢量，得到上述归一化处理后的输出参考电压。
23.将上述输出参考电压进行归一化处理，使归一化后的输出参考电压落在空间矢量图的正六边形区域内；经过上述归一化处理后，后续作用时间、开关时间的计算与直流母线电压不存在直接计算关系，简化了控制算法。
24.进一步的，上述gh坐标变换包括以下步骤：
25.计算上述输出参考电压在gh坐标系下的投影，得到参考电压矢量，计算公式如下：
[0026][0027]
其中，ug表示输出参考电压在g坐标轴上的投影坐标；uh表示输出参考电压在h坐标轴上的投影坐标；u
α
表示三相电压在α坐标轴上的投影坐标；u
β
表示三相电压在β坐标轴上的投影坐标；ua、ub和uc表示三相电压。
[0028]
将经过归一化处理后的输出参考电压进行gh坐标变换，在gh坐标系下计算上述参考电压矢量的基本矢量，避免了复杂的三角函数运算，简化了控制算法。
[0029]
进一步的，上述基本矢量包括三个，计算上述参考电压矢量的基本矢量包括以下步骤：
[0030]
对上述参考电压矢量的坐标进行入整运算和舍整运算，得到上述参考电压矢量的四个基本空间矢量；
[0031]
分别计算上述参考电压矢量与基本空间矢量之间的差值，选择出三个差值较小的基本空间矢量，上述选择出的三个基本空间矢量作为上述参考电压矢量的基本矢量。
[0032]
计算上述参考电压矢量的基本矢量时，先采用入整运算和舍整运算得到基本空间矢量，再根据上述基本空间矢量与参考电压矢量之间的距离，选择基本矢量，算法简单，进一步简化了控制算法。
[0033]
进一步的，上述开关矢量序列为中心对称的七段式，上述开关矢量序列的起始矢
量为小矢量。
[0034]
上述开关矢量序列为七段式的中心对称上升沿脉冲，在一个开关周期内，基本矢量是对称的，发波对称、相位对齐、谐波含量较小，减小了调制过程中产生的谐波；上述七段式调制具有中性点电压控制能力强的优势；
[0035]
上述开关矢量序列的起始矢量均为小矢量，且开关矢量序列为中心对称，所以结束矢量也为小矢量，上述起始矢量和结束矢量均为小矢量，在扇区切换时不存在额外的开关动作，有效地避免了扇区切换过程中的电压矢量突变，由于中心对称，可以利用三角载波来实现开关状态的判断。
[0036]
进一步的，根据上述基本矢量和三角载波周期，计算上述基本矢量的作用时间，计算公式如下：
[0037][0038]
其中，u
gh
表示三相电压在gh坐标系下的合矢量，ts表示三角载波周期，u1、u2、u3分别表示三个基本矢量，t1表示基本矢量u1的作用时间，t2表示基本矢量u2的作用时间，t3表示基本矢量u3的作用时间。
[0039]
上述基本矢量的作用时间的算法简单，简化了控制算法。
[0040]
进一步的，将上述开关时间信号与三角载波信号进行比较之后，对上管和下管的开关状态信号进行互补，得到每相桥臂中各开关管的开关状态信号，便于后续每相桥臂中各开关管的开关控制信号的计算。
[0041]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0042]
将经过clark变换的数字信号进行归一化处理，使归一化后的值落在空间矢量图中，使得后续作用时间、开关时间的计算与直流母线电压不存在直接计算关系，简化了控制算法；将经过归一化处理后的数字信号进行gh坐标变换，在gh坐标系下计算上述参考电压矢量的基本矢量，避免了复杂的三角函数运算，简化了控制算法；
[0043]
上述基本矢量的作用时间直接根据基本矢量和三角载波周期计算，避免了复杂的三角函数运算，进一步简化了控制算法；
[0044]
上述均简化了控制算法，实现了算法的优化，使得anpc三电平的控制无需受外部设备的约束，提高了可移植性和复用性，便于推广使用。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
[0046]
图1为实施例1提供的流程图；
[0047]
图2为实施例2提供的空间矢量图；
[0048]
图3为实施例2提供的参考电压矢量在空间矢量图中的位置；
[0049]
图4为实施例2提供的开关矢量序列图。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0051]
实施例1
[0052]
本实施例1提供一种anpc三电平控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0053]
s1、获取采样信号和三角载波信号，对上述采样信号进行模数转换，得到数字采样信号；
[0054]
s2、对上述数字采样信号依次进行clark变换、归一化处理和gh坐标变换，得到具有参考电压矢量的空间矢量图；
[0055]
s3、根据上述参考电压矢量在空间矢量图中的坐标，计算上述参考电压矢量的基本矢量，上述基本矢量构成开关矢量序列；
[0056]
s4、根据上述基本矢量和三角载波周期，计算上述基本矢量的作用时间，得到作用时间信号；
[0057]
s5、根据上述作用时间信号和开关矢量序列，计算每相桥臂中上管和下管的开关时间，得到开关时间信号；
[0058]
s6、将上述开关时间信号与三角载波信号进行比较，得到每相桥臂中各开关管的开关状态信号；
[0059]
s7、将死区插入上述开关状态信号中，得到每相桥臂中各开关管的开关控制信号；
[0060]
s8、根据上述开关控制信号控制anpc三电平的输出值。
[0061]
将经过clark变换的数字信号进行归一化处理，使归一化后的值落在空间矢量图的正六边形区域内，使得后续的计算与直流母线电压不存在直接计算关系；将经过归一化处理后的数字信号进行gh坐标变换，在gh坐标系下计算上述参考电压矢量的基本矢量，避免了复杂的三角函数运算，简化了控制算法；
[0062]
上述基本矢量的作用时间直接根据基本矢量和三角载波周期计算，避免了复杂的三角函数运算，进一步简化了控制算法，实现了算法的优化，anpc三电平的控制无需受外部设备的约束，提高了可移植性和复用性，便于推广使用。
[0063]
具体的实施例，上述三角载波周期ts为开关管的开关频率；上述采样信号包括三相电压和母线电压。
[0064]
具体的实施例，上述clark变换的作用对象是数字采样信号中的三相电压，在对上述数字采样信号中的三相电压进行clark变换之前，利用三相锁相环对数字采样信号进行锁相，得到输入相位角θ；
[0065]
利用输入相位角θ实现三相电压矢量的定向内环控制，得到同步旋转坐标系下的三相参考电压，再利用输入相位角θ进行park-clark变换，得到静止坐标系下的输出参考电压u
α
和u
β
。
[0066]
具体的实施例，上述归一化处理包括以下步骤：
[0067]
设置上述归一化处理的单位长度为小矢量，上述小矢量的模长为倍的母线电压；
[0068]
将上述输出参考电压除以小矢量，得到上述归一化处理后的输出参考电压；
[0069]
上述归一化处理的公式如下：
[0070][0071]
其中，u(k)表示三相电压的空间矢量，u
dc
表示母线电压，ua、ub、uc表示三相电压，
[0072]
将上述输出参考电压进行归一化处理，使归一化后的输出参考电压落在空间矢量图的正六边形区域内；考虑到设备运行时直流母线电压可能不稳定的情况，经过上述归一化处理后，后续作用时间、开关时间的计算与直流母线电压不存在直接计算关系，简化了控制算法。
[0073]
具体的实施例，上述gh坐标变换包括以下步骤：
[0074]
计算上述输出参考电压在gh坐标系下的投影，得到参考电压矢量，计算公式如下：
[0075][0076]
其中，ug表示输出参考电压在g坐标轴上的投影坐标；uh表示输出参考电压在h坐标轴上的投影坐标；u
α
表示三相电压在α坐标轴上的投影坐标；u
β
表示三相电压在β坐标轴上的投影坐标；ua、ub和uc表示三相电压。
[0077]
将经过归一化处理后的输出参考电压进行gh坐标变换，在gh坐标系下计算上述参考电压矢量的基本矢量，避免了复杂的三角函数运算，简化了控制算法。
[0078]
具体的实施例，上述基本矢量包括三个，计算上述参考电压矢量的基本矢量包括以下步骤：
[0079]
对上述参考电压矢量的坐标进行入整运算和舍整运算，得到上述参考电压矢量的四个基本空间矢量；
[0080]
分别计算上述参考电压矢量与基本空间矢量之间的差值，选择出三个差值较小的基本空间矢量，上述选择出的三个基本空间矢量作为上述参考电压矢量的基本矢量。
[0081]
计算上述参考电压矢量的基本矢量时，先采用入整运算和舍整运算得到基本空间矢量，再根据上述基本空间矢量与参考电压矢量之间的距离，选择基本矢量，算法简单，进一步简化了控制算法。
[0082]
具体的实施例，上述开关矢量序列为中心对称的七段式，上述开关矢量序列的起始矢量为小矢量。
[0083]
上述开关矢量序列为七段式的中心对称上升沿脉冲，在一个开关周期内，基本矢量是对称的，发波对称、相位对齐、谐波含量较小，减小了调制过程中产生的谐波；上述七段式调制具有中性点电压控制能力强的优势；
[0084]
上述开关矢量序列的起始矢量均为小矢量，且开关矢量序列为中心对称，所以结束矢量也为小矢量，上述起始矢量和结束矢量均为小矢量，在扇区切换时不存在额外的开关动作，有效地避免了扇区切换过程中的电压矢量突变，由于中心对称，所以可以利用三角
载波来实现开关状态的判断。
[0085]
具体的实施例，根据上述基本矢量和三角载波周期，计算上述基本矢量的作用时间，计算公式如下：
[0086][0087]
其中，u
gh
表示三相电压在gh坐标系下的合矢量，ts表示三角载波周期，u1、u2、u3分别表示三个基本矢量，t1表示基本矢量u1的作用时间，t2表示基本矢量u2的作用时间，t3表示基本矢量u3的作用时间。
[0088]
上述基本矢量的作用时间的算法简单，简化了控制算法。
[0089]
具体的实施例，将上述开关时间信号与三角载波信号进行比较之后，对上管和下管的开关状态信号进行互补，得到每相桥臂中各开关管的开关状态信号，便于后续每相桥臂中各开关管的开关控制信号的计算。
[0090]
实施例2
[0091]
如图2所示，将上述空间矢量图划分为6个第一扇区(a～f)，上述第一扇区划分为4个第二扇区((a1～a4)～(f1～f4))，上述第一扇区和第二扇区的形状均为正三角形；若上述参考电压矢量的坐标为如图3所示，根据空间矢量图可以确定，上述参考电压矢量在第f1扇区，那么与上述参考电压矢量最近的三个基本矢量为：u1＝u
h1
、u2＝u
h2
、u3＝u0。
[0092]
具体的实施例，根据上述基本矢量和参考电压矢量的坐标，计算上述基本矢量的作用时间：
[0093][0094]
具体的实施例，根据开关矢量序列和基本矢量的作用时间，计算每相桥臂中上管和下管的开关时间，上述开关矢量序列为onn ono ooo poo ooo ono onn,上述onn矢量的作用时间为t1，上述ono矢量的作用时间为t2，上述ooo矢量的作用时间为t3，如图4所示，可推出每相桥臂中上管和下管的开关时间：
[0095]qa1
在和后输出高电平p；q
a4
不输出低电平n；q
b1
不输出高电平p；q
b4
在和后输出电平o；q
c1
不输出高电平p；q
c4
在后输出电平o；得到以下公式：
[0096][0097]
其中，q
a1
、q
b1
、q
c1
表示三相电压中上管的开关时间，q
a4
、q
b4
、q
c4
表示三相电压中下管的开关时间。
[0098]
该anpc三电平在输出0电平时，同时开通两个内管和两个中点钳位管，使中点电流有两个并行的流通路径，降低了输出0电平时的通态损耗。
[0099]
具体的实施例，将上述上管和下管的开关时间与三角载波信号进行比较，得到每相桥臂中上管的开关状态信号s1和下管的开关状态信号s4，再利用死区对s1和s4进行互补操作，使得开关管v1和v3、v5互补，v4和v2、v6互补，得到每相桥臂中6个开关管的开关状态s1～s6，再在s1和s2/s6之间插入死区，在s4和s3/s5之间插入死区，组成过渡状态，避免开关管直通的危险，得到开关控制信号sd1～sd6。
[0100]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。