一种逆变器三维空间矢量脉冲宽度调制方法及系统

本发明涉及电力电子变换器，更具体的涉及一种适用于三相三相准z源逆变器的三维空间矢量脉宽调制方法。

背景技术：

1、准z源逆变器能够单级实现能量的变换，允许统同一桥臂的上下两个开关管同时导通而不损坏器件等优点，在新能源发电及电机驱动领域被广泛关注和研究。但是准z源逆变器需要用两个大电感来限制电感电流脉动量，增大了准z源网络的体积和重量，导致系统功率密度低，成本高。随着逆变器在光伏发电及电机驱动系统中的大规模应用，使得降低系统体积及重量，提高功率密度和可靠性，成为其发展的必然趋势。

2、对于三相准z源逆变器，将一个开关周期中的直通时间分成相等的若干份的传统调制方法，需要使用两个大电感来限制电感电流脉动量，导致系统体积大、成本高。为了减小电感电流脉动量，降低系统体积和重量，通常采用高开关频率的碳化硅或氮化硅器件替代传统硅基开关元件，通过提高逆变器开关频率来减小电感电流纹波，但是这种方法需要考虑电感电流纹波的减小与开关频率损耗增加之间的平衡，其效果也受开关器件性能及pcb布局的限制。减小电感电流纹波的另一种方法是通过改进调制算法及开关脉冲序列，增加一个开关频率周期内直通占空比的份数来减小电感电流纹波，但是这种方法需要进行复杂的坐标变换和三角函数计算，或者需要添加额外的直通参考量，增加了系统运算负担。

3、综上，现有技术中的三相准z源逆变器电感电流脉动量减小方法，由于受电感电流纹波的减小与开关频率损耗增加之间的平衡、开关器件性能及pcb布局的限制、复杂的坐标变换和三角函数计算、添加额外的直通参考量的影响，需要使用两个大电感来限制电感电流脉动量，使得系统体积大、成本高，增加了系统运算负担，很难达到理想效果，导致工作效率低。

技术实现思路

1、针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种三相准z源逆变器三维空间矢量脉冲宽度调制方法，能够解决现有技术中的三相准z源逆变器电感电流脉动量减小方法，由于受电感电流纹波的减小与开关频率损耗增加之间的平衡、开关器件性能及pcb布局的限制、复杂的坐标变换和三角函数计算、添加额外的直通参考量的影响，需要使用两个大电感来限制电感电流脉动量，使得系统体积大、成本高，增加了系统运算负担，很难达到理想效果，导致工作效率低的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种逆变器三维空间矢量脉冲宽度调制方法，包括以下步骤：

3、将待处理的逆变器的每相输出电压映射在三维坐标系的坐标轴上，构造控制域；

4、通过逆变器的电压增益及期望输出相电压的电平状态，确定系统的控制域边界；依据各相电压的大小关系，将控制域分成多个子控制域；根据逆变器期望输出各相电压的大小关系，确定逆变器所在的子控制域；利用所在的子控制域对应的两个非零矢量、零电压矢量和直通矢量，合成系统的期望输出电压；

5、通过逆变器的电感电流脉动量，将一个开关周期中的直通矢量分成大小可调节的六小段，插入在零矢量首尾位置和两个非零矢量之间，确定开关序列；根据开关序列，以电感电流在直通状态与相邻非直通状态的净变化量等于零为目标，计算每小段直通矢量的作用时间。

6、优选地，所述构造控制域为将逆变器的每相输出电压分别映射在三维坐标系的一个坐标轴上，形成多个椭圆形曲线簇，将所围成的多个椭圆形曲线簇定义该逆变器的控制域，其中，所述逆变器为三相准z源逆变器。

7、优选地，所述确定系统的控制域边界的计算公式为：

8、

9、式中，d表示直通占空比，vpn表示三相准z源逆变器直流母线电压，va、vb、vc对应表示a、b、c各相的电压。

10、优选地，所述合成系统的期望输出电压，包括以下步骤：

11、所述子控制域为扇区；

12、当a相电压值最小且b相电压值最大，即vb＞vc＞va时，为第i扇区，section＝i，选取电压矢量u1的开关状态为010110、u3的开关状态为011010，合成参考电压；

13、当b相电压值最大且c相电压值最小，即vb＞va＞vc时，为第ii扇区，section＝ii，选取电压矢量u2的开关状态为011001、u3的开关状态为011010，合成参考电压；

14、当a相电压值最大且c相电压值最小，即va＞vb＞vc时，为第iii扇区，section＝iii，选取电压矢量u2的开关状态为011001、u6的开关状态为101001，合成参考电压；

15、当a相电压值最大且b相电压值最小，即va＞vc＞vb时，为第iv扇区，section＝iv，选取电压矢量u4的开关状态为100101、u6的开关状态为101001，合成参考电压；

16、当c相电压值最大且b相电压值最小，即vc＞va＞vb时，为第v扇区，section＝v，选取电压矢量u1的开关状态为010110、u5的开关状态为100110，合成参考电压；

17、当c相电压值最大且a相电压值最小，即vc＞vb＞va时，为第vi扇区，section＝vi，选取电压矢量u4的开关状态为100101、u5的开关状态为100110，合成参考电压；

18、其中，所述参考电压即为期望输出电压。

19、优选地，所述合成系统的期望输出电压的计算公式为：

20、

21、式中，v1_a和v1_b表示两个非零矢量的a轴元素，v2_a和v2_b表示两个非零矢量的b轴元素，t1和t2分别表示两个非零矢量在一个开关周期内的作用时间。

22、优选地，所述确定开关序列，包括以下步骤：

23、根据系统的升压需求，确定直通占空比和直通时间；

24、将直通一个开关周期内的直通时间分成可调节的6小段，插入到开关序列中，构成13段脉冲序列：零矢量-直通矢量-非零矢量1-直通矢量-非零矢量2-直通矢量-零矢量-直通矢量-非零矢量2-直通矢量-非零矢量1-直通矢量-零矢量。

25、优选地，所述每小段直通矢量的作用时间的计算公式为：

26、

27、其中，d表示直通占空比，vdc表示逆变器的直流输入电压，l表示逆变器的网络电感量。

28、优选地，还包括一种逆变器三维空间矢量脉冲宽度调制系统，包括：

29、控制域构造模块，用于将待处理的逆变器的每相输出电压映射在三维坐标系的坐标轴上，构造控制域；

30、开关状态确定模块，用于通过逆变器的电压增益及期望输出相电压的电平状态，确定系统的控制域边界；依据各相电压的大小关系，将控制域分成多个子控制域；根据逆变器期望输出个相电压的大小关系，确定逆变器所在的子控制域；利用所在的子控制域对应的两个非零矢量、零电压矢量和直通矢量，合成系统的期望输出电压；

31、作用时间计算模块，用于通过逆变器的电感电流脉动量，将一个开关周期中的直通矢量分成大小可调节的六小段，插入在零矢量首尾位置和两个非零矢量之间，确定开关序列；根据开关序列，以电感电流在直通状态与相邻非直通状态的净变化量等于零为目标，计算每小段直通矢量的作用时间。

32、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

33、本发明通过构造控制域，根据逆变器的各相电压的大小关系，将控制欲划分成多个子控制域，确定所在的子控制域，结合参考电压所在子控制域扇区和开关状态，选取相应的基本电压矢量和相应的开关状态组，避免了坐标变换和三角函数函数等复杂的运算，降低了系统计算量，提高了工作效率。在子控制域内，通过在零矢量首尾位置和两个非零矢量的切换位置插入直通，实现升压功能的同时以最少的开关次数实现不同状态的切换，系统损耗小；将一个开关周期内的直通时间分成可调节的六小段，保证电感电流在每一段直通时间内的增加量与在相邻的非直通时间内的减小量相等，能够根据电感电流脉动在直通状态与相邻非直通状态的净化量为零的关系，推导每种状态的工作时间，该方法在不改变系统参数的情况下，能够减小系统电感电流脉动量、体积和重量，提高系统功率密度的能力。