三电平整流器共模电压抑制PWM方法、调制器及系统

摘要

本发明公开了三电平整流器共模电压抑制PWM方法、调制器及系统。其中，共模电压抑制PWM方法，适用于NPC三电平PWM整流器，包括扇区判断：根据参考电压矢量的相角，判断扇区编号；基本矢量选取：根据参考电压矢量所在的扇区选取两个中矢量和一个零矢量，再根据直流侧两个电容电压的差值，选取P型或N型小矢量；基本矢量作用时间计算：根据选取的基本矢量列写伏秒平衡方程，求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间；开关序列设计；PWM驱动信号生成：根据开关序列生成相应PWM驱动信号，控制功率开关管的开通与关断。其达到同时抑制共模电压幅值和频率的目的。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子控制领域，尤其涉及一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法、调制器及系统。

背景技术

近年来，三电平变换器在可再生能源发电、大功率交流传动、电能质量综合治理等领域得到了广泛应用。中点箝位型(Neural Point Clamped，NPC)三电平变换器最早由日本学者Akira Nabae于1981年提出。与传统两电平变换器相比，NPC三电平变换器具有总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion，THD)低、功率器件电压应力低、输出波形质量好、转换效率高等优势。

共模电压是由变换器中功率器件的开关动作产生。传统三电平空间矢量调制(Space Vector Modulation，SVM)方法采用全部基本矢量合成参考电压矢量，进而产生幅值和频率很高的共模电压。共模电压对系统会造成严重的危害，增加了系统的电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)，共模电压产生的共模电流对电机的绝缘造成损害，导致电机的轴承电流过大，进而造成电机轴承损坏。在光伏发电系统，产生共模漏电流，造成严重的电磁干扰，甚至威胁人身安全。因此，共模电压的抑制成为一个必须考虑的关键问题。

目前抑制共模电压的方法包括：基于硬件的方法和基于软件的方法。

(1)基于硬件的方法包括采用无源滤波器或改进电路拓扑结构等，然而，基于硬件的方法会增加整个系统的成本。

(2)基于软件的方法包括改进调制方法和预测控制方法。现有的共模电压抑制方法主要针对共模电压幅值的降低，而共模电压频率的抑制考虑较少。

综上所述，亟需一种同时抑制NPC三电平PWM(Pulse Width Modulation)整流器共模电压幅值和频率的方法、调制器及系统。

发明内容

为了解决现有技术的不足，第一方面，本发明实施例提供了一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法，其适用于NPC三电平PWM整流器，本发明实施例的共模电压抑制PWM方法，采用三电平空间矢量调制方法中的13个基本矢量来合成参考电压矢量，通过求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间，并设计对称式开关序列，有效抑制了NPC三电平PWM整流器共模电压的幅值和频率。

本发明实施例的一种抑制共模电压幅值和频率的混合调制方法，包括：

(1)扇区判断：根据参考电压矢量的相角，判断扇区编号；

(2)基本矢量选取：根据参考电压矢量所在的扇区选取两个中矢量和一个零矢量，再根据直流侧两个电容电压的差值，选取P型或N型小矢量；

(3)基本矢量作用时间计算：根据选取的基本矢量列写伏秒平衡方程，求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间；

(4)开关序列设计：若选取的P型或N型小矢量的作用时间满足其相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量、一个P型或N型小矢量的开关序列；若选取的P型或N型小矢量的作用时间均不满足相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量的开关序列；

(5)PWM驱动信号生成：根据开关序列生成相应PWM驱动信号，控制功率开关管的开通与关断。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，在扇区判断步骤中，设置参考电压矢量的相角为θ，扇区编号为S：

当θ∈[0,π/6)时，S＝1；当θ∈[π/6,π/3)时，S＝2；

当θ∈[π/3,π/2)时，S＝3；当θ∈[π/2,2π/3)时，S＝4；

当θ∈[2π/3,5π/6)时，S＝5；当θ∈[5π/6,π)时，S＝6；

当θ∈[π,7π/6)时，S＝7；当θ∈[7π/6,4π/3)时，S＝8；

当θ∈[4π/3,3π/2)时，S＝9；当θ∈[3π/2,5π/3)时，S＝10；

当θ∈[5π/3,11π/6)时，S＝11；当θ∈[11π/6,2π)时，S＝12。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，在基本矢量选取步骤中，当上侧电容电压高于下侧电容电压时，选取N型小矢量；当上侧电容电压低于下侧电容电压时，选取P型小矢量。

结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，为保持NPC三电平PWM整流器的输出电压的稳定性，保持加入P型或N型小矢量前后伏秒平衡方程的等效性。

结合第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，该方法还包括：将直流侧两个电容电压的差值经PI调节后得到小矢量的作用时间，根据加入小矢量之前和之后的伏秒平衡方程的对应关系，更新各个基本矢量作用时间。

第二方面，本发明实施例还提供了一种三电平整流器共模电压抑制调制器，其适用于NPC三电平PWM整流器，所述调制器包括：

扇区判断模块，其用于根据参考电压矢量的相角，判断扇区编号；

基本矢量选取模块，其用于根据参考电压矢量所在的扇区选取两个中矢量和一个零矢量，再根据直流侧两个电容电压的差值，选取P型或N型小矢量；

基本矢量作用时间计算模块，其用于根据选取的基本矢量列写伏秒平衡方程，求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间；

开关序列设计模块，其用于设计开关序列，设计原则为：若选取的P型或N型小矢量的作用时间满足其相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量、一个P型或N型小矢量的开关序列；若选取的P型或N型小矢量的作用时间均不满足相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量的开关序列；

PWM驱动信号生成模块，其用于根据开关序列生成相应PWM驱动信号，控制功率开关管的开通与关断。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，在扇区判断模块中，设置参考电压矢量的相角为θ，扇区编号为S：

当θ∈[0,π/6)时，S＝1；当θ∈[π/6,π/3)时，S＝2；

当θ∈[π/3,π/2)时，S＝3；当θ∈[π/2,2π/3)时，S＝4；

当θ∈[2π/3,5π/6)时，S＝5；当θ∈[5π/6,π)时，S＝6；

当θ∈[π,7π/6)时，S＝7；当θ∈[7π/6,4π/3)时，S＝8；

当θ∈[4π/3,3π/2)时，S＝9；当θ∈[3π/2,5π/3)时，S＝10；

当θ∈[5π/3,11π/6)时，S＝11；当θ∈[11π/6,2π)时，S＝12。

结合第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，在基本矢量选取模块中，当上侧电容电压高于下侧电容电压时，选取N型小矢量；当上侧电容电压低于下侧电容电压时，选取P型小矢量。

结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实现方式中，为保持NPC三电平PWM整流器的输出电压的稳定性，保持加入P型或N型小矢量前后伏秒平衡方程的等效性。

结合第二方面，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述调制器还包括：

基本矢量作用时间更新模块，其用于将直流侧两个电容电压的差值经PI调节后得到小矢量的作用时间，根据加入小矢量之前和之后的伏秒平衡方程的对应关系，更新各个基本矢量作用时间。

第三方面，本发明实施例提供了一种三电平整流器共模电压抑制系统，包括上述所述的三电平整流器共模电压抑制调制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法可以将NPC三电平PWM整流器的共模电压幅值限制在直流侧电压的六分之一以内；与传统空间矢量调制方法相比，共模电压幅值降低了二分之一。

(2)在本发明的一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法下，NPC三电平PWM整流器在每个开关周期内，共模电压最多变化一次，降低了共模电压的变化频率。

(3)在本发明的一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法下，NPC三电平PWM整流器正常运行条件下，直流侧电容电压波动小。

(4)当异常情况导致NPC三电平PWM整流器的中点电位发生偏移时，本发明的三电平整流器共模电压抑制PWM方法能够恢复中点平衡。

(5)本发明的三电平整流器共模电压抑制PWM方法降低了直流侧电容的容量，进而减小了整个整流器系统的体积。

(6)本发明的三电平整流器共模电压抑制PWM方法降低了系统的电磁干扰。

(7)本发明的三电平整流器共模电压抑制PWM方法有效降低了共模电压对电机绕组的不利影响。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明研究的基于NPC三电平PWM整流器系统为AC/DC接口变换器的风力发电系统；

图2为本发明方法的空间矢量图；

图3为系统的控制策略框图；

图4为本发明方法的共模电压抑制PWM方法框图；

图5是本发明实施例提供的一种三电平整流器共模电压抑制调制器的示意性框图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明实施例提供了一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法，其适用于NPC三电平PWM整流器，本发明实施例的三电平整流器共模电压抑制PWM方法，采用三电平空间矢量调制方法中的13个基本矢量来合成参考电压矢量，通过求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间，并设计对称式开关序列，有效抑制了NPC三电平PWM整流器共模电压的幅值和频率。

图1为本发明研究的基于NPC三电平PWM整流器系统为AC/DC接口变换器的风力发电系统。主要包括永磁同步风力发电机、机侧NPC三电平PWM整流器、网侧NPC三电平PWM逆变器、电网四部分。这里主要研究机侧NPC三电平PWM整流器部分。针对机侧NPC三电平PWM整流器提出一种混合调制方法，同时抑制共模电压幅值和频率，减小直流侧中点电位的波动。

如图1所示，NPC三电平PWM整流器包括三相桥臂，每相桥臂包括四个功率开关管和两个箝位二极管。直流侧包括两个串联连接的滤波电容，两个滤波电容的中间形成一个中性点，每相桥臂的两个箝位二极管的中间与中性点相连接。

应理解，功率开关管为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；

功率开关管也可采用其他形式晶体管来实现。

具体地，NPC三电平PWM整流器系统的每相桥臂有三种工作状态P、O和N，以直流侧两个滤波电容的中性点为参考点，P状态时桥臂输出电压为输出直流电压值的二分之一，O状态时桥臂输出电压为零，N状态时桥臂输出电压为输出直流电压值的负二分之一。

其中，功率开关管的开通与关断由控制系统完成。

在具体实施中，控制系统包括调制器、驱动电路、保护电路、信号采样及调理电路。调制器与驱动电路相连接，调制器输出的PWM信号经驱动电路送至功率开关管的门极，控制功率开关管的开通与关断。NPC三电平PWM整流器的输出信号经信号采样及调理电路连接到调制器，所述保护电路实现过流和过压保护的功能。

其中，信号采样及调理电路采样直流侧的上侧电容和下侧电容的电压、NPC三电平PWM整流器的输入电流和三相电网电压值。

图3为本发明方法的控制策略框图。控制策略采用双闭环控制方法，外环为直流电压环，内环为电流环，外环控制器的输出作为内环的给定。

本发明实施例的一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法，包括：

(1)扇区判断：根据参考电压矢量的相角，判断扇区编号；

在具体实施中，在扇区判断步骤中，设置参考电压矢量的相角为θ，扇区编号为S：

当θ∈[0,π/6)时，S＝1；当θ∈[π/6,π/3)时，S＝2；

当θ∈[π/3,π/2)时，S＝3；当θ∈[π/2,2π/3)时，S＝4；

当θ∈[2π/3,5π/6)时，S＝5；当θ∈[5π/6,π)时，S＝6；

当θ∈[π,7π/6)时，S＝7；当θ∈[7π/6,4π/3)时，S＝8；

当θ∈[4π/3,3π/2)时，S＝9；当θ∈[3π/2,5π/3)时，S＝10；

当θ∈[5π/3,11π/6)时，S＝11；当θ∈[11π/6,2π)时，S＝12。

(2)基本矢量选取：根据参考电压矢量所在的扇区选取两个中矢量和一个零矢量，再根据直流侧两个电容电压的差值，选取P型或N型小矢量。

图2为本发明方法的空间矢量图，包括13个基本矢量，具体包括6个中矢量、6个低共模电压幅值的小矢量、1个零矢量。其中，6个中矢量包括[PON]、[OPN]、[NPO]、[NOP]、[ONP]和[PNO]，低共模电压幅值的6个小矢量包括3个P型小矢量([POO]、[OPO]和[OOP])和3个N型小矢量([OON]、[NOO]和[ONO])，1个零矢量为[OOO]。本发明方法采用的基本电压矢量及对应的共模电压幅值如表1所示。

表1本发明方法采用的基本电压矢量及对应的共模电压幅值

采样直流侧两个电容的电压值(v_C1和v_C2)，并计算直流侧两个电容电压的差值。

v_dif＝v_C1-v_C2>

当上侧电容电压高于下侧电容电压，即v_dif>0时，选取N型小矢量；当上侧电容电压低于下侧电容电压，即v_dif<0时，选取P型小矢量。

(3)基本矢量作用时间计算：根据选取的基本矢量列写伏秒平衡方程，求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间。

根据选取的基本矢量列写伏秒平衡方程，求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间。为保证各个基本矢量的作用时间均大于0，将P型小矢量的作用时间需要满足的约束条件称为P型约束条件，将N型小矢量的作用时间需要满足的约束条件称为N型约束条件。

(4)开关序列设计：若选取的P型或N型小矢量的作用时间满足其相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量、一个P型或N型小矢量的开关序列；若选取的P型或N型小矢量的作用时间均不满足相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量的开关序列。

图4为本发明方法的混合调制策略框图。当直流侧两个电容电压的差值大于0，且选取的N型小矢量的作用时间满足N型约束条件时，采用两个中矢量、一个零矢量、一个N型小矢量(简称2M1Z1N-S)的开关序列。当直流侧两个电容电压的差值小于0，且选取的P型小矢量的作用时间满足P型约束条件时，采用两个中矢量、一个零矢量、一个P型小矢量(简称2M1Z1P-S)的开关序列。当选取的P型小矢量不满足P型约束条件或选取的N型小矢量不满足N型约束条件时，采用两个中矢量、一个零矢量(简称2M1Z)的开关序列。

以参考电压矢量位于扇区1(Sector 1)为例，具体说明本方法的实现步骤。

当参考电压矢量位于扇区1(Sector 1)时，采用两个中矢量(和)和一个零矢量时的伏秒平衡方程可以表示为

其中，T_s为开关周期，t₇、t₁₂和t₀分别为基本矢量和的作用时间。

进一步化简为

其中，V_ref和θ分别为参考电压矢量的幅值和相角。

求解伏秒平衡方程，得到三个基本矢量的作用时间分别为

其中，m为调制度，定义为

(1)当上侧电容电压低于下侧电容电压，即v_dif<0时，选取P型小矢量V₁[POO]，则伏秒平衡方程可以表示为

进一步化简为

为不影响NPC三电平PWM整流器的输出电压，应保持加入P型小矢量前后伏秒平衡方程的等效性。假设选取的P型小矢量V₁[POO]作用时间为y，比较选取P型小矢量V₁[POO]之前和之后的伏秒平衡方程，可以得到各个基本矢量的作用时间分别更新为

为保证各个基本矢量的作用时间均大于0，将P型小矢量的作用时间需要满足的约束条件称为P型约束条件。则在扇区1内，P型小矢量V₁[POO]作用时间y需要满足P型约束条件的表达式为

0＜y＜min{3t₇,3t₁₂,3t₀}>

当θ∈[0,π/6)，即S＝1时，若能够得到满足约束条件(8)的变量y，则开关序列设计为：[OOO]-[PNO]-[PON]-[POO]-[PON]-[PNO]-[OOO]。

若不能得到满足约束条件(8)的变量y，则开关序列设计为：[OOO]-[PNO]-[PON]-[PNO]-[OOO]。

(2)当上侧电容电压高于下侧电容电压，即v_dif>0时，选取N型小矢量V₂[OON]，则伏秒平衡方程可以表示为

进一步化简为

为不影响NPC三电平PWM整流器的输出电压，应保持加入P型小矢量前后伏秒平衡方程的等效性。假设选取的P型小矢量V₂[OON]作用时间为y，比较选取N型小矢量V₂[OON]之前和之后的伏秒平衡方程，可以得到各个基本矢量的作用时间分别更新为

为保证各个基本矢量的作用时间均大于0，将N型小矢量的作用时间需要满足的约束条件称为N型约束条件。则在扇区1内，N型小矢量V₁[OON]作用时间y需要满足N型约束条件的表达式为

当θ∈[0,π/6)，即S＝1时，若能够得到满足约束条件(12)的变量y，则开关序列设计为：[OOO]-[PNO]-[PON]-[OON]-[PON]-[PNO]-[OOO]。若不能得到满足约束条件(12)的变量y，则开关序列设计为：[OOO]-[PNO]-[PON]-[PNO]-[OOO]。

为保持NPC三电平PWM整流器的输出电压的稳定性，保持加入P型或N型小矢量前后伏秒平衡方程的等效性。

在可选实施例中，将直流侧两个电容电压的差值经PI调节后得到小矢量的作用时间，根据加入小矢量之前和之后的伏秒平衡方程的对应关系，更新各个基本矢量作用时间。

中点平衡控制算法采用PI控制器实现，具体地讲，将计算得到的两个电容电压的差值送入PI控制器，经PI调节后得到小矢量的作用时间，可以表示为

其中，k_p,NP和k_i,NP分别为中点平衡PI控制器的比例系数和积分系数。

对于参考电压矢量位于其它扇区的情况，选取的小矢量在表2中列出。基本矢量选取和作用时间计算、开关序列设计、PWM驱动信号生成可以用相似的方法得到。

表2小矢量的选取规则

(5)PWM驱动信号生成：根据开关序列生成相应PWM驱动信号，控制功率开关管的开通与关断。

图5是本发明实施例提供的一种三电平整流器共模电压抑制调制器的示意性框图。其适用于NPC三电平PWM整流器。

如图5所示，本发明实施例提供的一种三电平整流器共模电压抑制PWM方法，至少包括：

(1)扇区判断模块，其用于根据参考电压矢量的相角，判断扇区编号；

具体地，在扇区判断模块中，设置参考电压矢量的相角为θ，扇区编号为S：

当θ∈[0,π/6)时，S＝1；当θ∈[π/6,π/3)时，S＝2；

当θ∈[π/3,π/2)时，S＝3；当θ∈[π/2,2π/3)时，S＝4；

当θ∈[2π/3,5π/6)时，S＝5；当θ∈[5π/6,π)时，S＝6；

当θ∈[π,7π/6)时，S＝7；当θ∈[7π/6,4π/3)时，S＝8；

当θ∈[4π/3,3π/2)时，S＝9；当θ∈[3π/2,5π/3)时，S＝10；

当θ∈[5π/3,11π/6)时，S＝11；当θ∈[11π/6,2π)时，S＝12。

(2)基本矢量选取模块，其用于根据参考电压矢量所在的扇区选取两个中矢量和一个零矢量，再根据直流侧两个电容电压的差值，选取P型或N型小矢量；

图2为本发明方法的空间矢量图，包括13个基本矢量，具体包括6个中矢量、6个低共模电压幅值的小矢量、1个零矢量。其中，6个中矢量包括[PON]、[OPN]、[NPO]、[NOP]、[ONP]和[PNO]，低共模电压幅值的6个小矢量包括3个P型小矢量([POO]、[OPO]和[OOP])和3个N型小矢量([OON]、[NOO]和[ONO])，1个零矢量为[OOO]。本发明方法采用的基本电压矢量及对应的共模电压幅值如表1所示。

表1本发明方法采用的基本电压矢量及对应的共模电压幅值

采样直流侧两个电容的电压值(v_C1和v_C2)，并计算直流侧两个电容电压的差值。

v_dif＝v_C1-v_C2>

当上侧电容电压高于下侧电容电压，即v_dif>0时，选取N型小矢量；当上侧电容电压低于下侧电容电压，即v_dif<0时，选取P型小矢量。

(3)基本矢量作用时间计算模块，其用于根据选取的基本矢量列写伏秒平衡方程，求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间；

根据选取的基本矢量列写伏秒平衡方程，求解伏秒平衡方程得到各个基本矢量的作用时间。为保证各个基本矢量的作用时间均大于0，将P型小矢量的作用时间需要满足的约束条件称为P型约束条件，将N型小矢量的作用时间需要满足的约束条件称为N型约束条件。

(4)开关序列设计模块，其用于设计开关序列，设计原则为：若选取的P型或N型小矢量的作用时间满足其相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量、一个P型或N型小矢量的开关序列；若选取的P型或N型小矢量的作用时间均不满足相应约束条件，则采用两个中矢量、一个零矢量的开关序列；

当直流侧两个电容电压的差值大于0，且选取的N型小矢量的作用时间满足N型约束条件时，采用两个中矢量、一个零矢量、一个N型小矢量(简称2M1Z1N-S)的开关序列。当直流侧两个电容电压的差值小于0，且选取的P型小矢量的作用时间满足P型约束条件时，采用两个中矢量、一个零矢量、一个P型小矢量(简称2M1Z1P-S)的开关序列。当选取的P型小矢量不满足P型约束条件或选取的N型小矢量不满足N型约束条件时，采用两个中矢量、一个零矢量(简称2M1Z)的开关序列。

(5)PWM驱动信号生成模块，其用于根据开关序列生成相应PWM驱动信号，控制功率开关管的开通与关断。

具体地，为保持NPC三电平PWM整流器的输出电压的稳定性，保持加入P型或N型小矢量前后伏秒平衡方程的等效性。

在另一实施例中，所述调制器还包括：

(6)基本矢量作用时间更新模块，其用于将直流侧两个电容电压的差值经PI调节后得到小矢量的作用时间，根据加入小矢量之前和之后的伏秒平衡方程的对应关系，更新各个基本矢量作用时间。

本发明实施例还提供了一种三电平整流器共模电压抑制系统，包括如图5所示的共模电压抑制调制器。

在具体实施中，三电平整流器共模电压抑制系统，还包括：驱动电路、保护电路、信号采样及调理电路。调制器与驱动电路相连接，调制器输出的PWM信号经驱动电路送至功率开关管的门极，控制功率开关管的开通与关断。NPC三电平PWM整流器的输出信号经信号采样及调理电路连接到调制器，所述保护电路实现过流和过压保护的功能。

其中，信号采样及调理电路采样直流侧的上侧电容和下侧电容的电压、NPC三电平PWM整流器的输入电流和三相电网电压值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。