基于gh坐标系的三电平变流器空间矢量调制方案

摘要

一种基于gh坐标系的三电平变流器空间矢量调制方案，属于三电平变流器脉宽矢量调制方案。一、将三相参考电压v

说明书

技术领域

本发明涉及一种三电平变流器空间矢量调制方案，特别是一种基于gh坐标系的三电平变 流器空间矢量调制方案。

背景技术

现有的三相变流器控制方法中，电压空间矢量调制(SVPWM)技术相对于SPWM调制技 术有着较高的直流电压利用率，且产生的波形质量高、谐波含量少、便于数字信号处理器实 时控制等优点，得到广泛应用。

应用于三电平变流器的SVPWM方法由于开关状态多，调制过程复杂。传统三电平 SVPWM方法首先通过参考电压矢量V_ref在αβ坐标系下的坐标关系经两次判定过程得到V_ref在αβ平面上所处的位置，由与V_ref相邻近的三个基矢量合成参考电压矢量，基矢量作用时间 根据伏秒平衡原理获取。传统三电平SVPWM方法判定参考矢量位置的过程中计算量大且涉 及根号运算，影响计算的精确度；计算基矢量作用时间时，计算过程繁琐，影响控制的实时 性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于gh坐标系的三电平变流器空间矢量调制方案，解决传统空 间调制方法计算量大，计算效率低，影响控制实时性的问题。

为实现上述目的，该方案通过以下技术方案实现：

步骤一、设三电平变流器a、b、c三相参考电压分别为v_a、v_b、v_c，将其变换至gh坐标 系中，得参考电压矢量坐标(v_g,v_h)，通过对v_g、v_h进行线性运算，得到中间变量s、q、w；

步骤二、通过中间变量s、q、w，判定参考电压矢量所在大区域，并根据判定结果对参 考电压矢量的坐标进行修正，得到修正后坐标(v_g',v_h')；

步骤三、对v_g'、v_h'进行线性运算得到中间变量x、y、z，通过x、y、z判定参考电压矢 量所在小三角形区域；

步骤四、根据步骤三的判断结果以及直流侧电压V_dc，计算参考电压矢量相邻的两个基本 矢量V₂、V₃的作用时间t₂、t₃；

步骤五、根据以上结果，对变流器开关器件进行切换，使三电平变流器输出电压与参考 电压等效；

所述步骤一中，将三相参考电压变换到gh坐标系，通过式：

$\left(\begin{array}{c}{v}_g\\ v_h\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right)$

获得参考电压矢量在gh坐标系中的坐标；

对v_g、v_h进行线性运算，通过式：

$\left(\begin{array}{c}s(v_g,v_h)=v_g-v_h\\ q(v_g,v_h)=v_g+{2v}_h\\ w(v_g,v_h)=v_g+v_h/2\end{array}\right)$

得到s、q、w三个中间变量；

步骤二中，对参考电压矢量坐标进行修正，通过表：

大区域 v_g′ v_h' Ⅰ v_g-V_dc/3 v_hⅡ v_gv_h-V_dc/3 Ⅲ v_g+V_dc/3 v_h-V_dc/3 Ⅳ v_g+V_dc/3 v_hⅤ v_gv_h+V_dc/3 Ⅵ v_g-V_dc/3 v_h+V_dc/3

得到修正后参考电压矢量的坐标，其中，V_dc为直流侧电压；

步骤三中，对v_g'、v_h'进行线性运算，通过式：

$\left(\begin{array}{c}x(v_g,v_h)={{3v}_g}^{\prime }\\ y(v_g,v_h)={{3v}_h}^{\prime }\\ z(v_g,v_h)=3({v_g}^{\prime }+{v_h}^{\prime })\end{array}\right)$

得到x、y、z三个中间变量；

以参考电压矢量在大区域Ⅰ、小三角形1内为例，所述步骤四中，通过式：

$\left(\begin{array}{c}{t}_2=\frac{x}{V_{\mathrm{dc}}}{T}_s\\ t_3=\frac{y}{V_{\mathrm{dc}}}{T}_s\end{array}\right)$

获得与参考电压矢量相邻的两个基本电压矢量的作用时间t₂、t₃，其中，T_s为开关周期。

有益效果：由于采取上述方案，对参考矢量在gh坐标系内修正后的坐标进行线性变换求 取中间变量，根据中间变量的特征判定参考矢量所在区域，直接选择中间变量作为基矢量作 用时间。调制方法步骤清晰，实现简单，解决了传统SVPWM方法运算量大、过程复杂的问 题，达到了本发明的目的。

优点具体体现在：

1、该方法基于gh坐标系实现，基矢量坐标均为整数，中间变量的获取过程不存在根号 运算，提高了运算精确度，降低了算术运算的复杂程度；

2、该方法能够快速判断参考矢量所在位置，参考矢量修正过程简单，物理意义明确；

3、相邻基矢量的作用时间可从中间变量中直接选定，省却了作用时间的计算过程，减少 了计算工作量。

附图说明

图1是二极管箝位三电平变流器电路原理图；

图2是二极管箝位三电平变流器电压空间矢量分布图；

图3是参考矢量所在大区域判定图；

图4是参考矢量所在三角区域判定图；

图5是参考电压为三相正弦时三电平变流器输出三相相电压经滤波后的波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为二极管箝位(NPC)三电平变流器电路原理图，该电路用两个串联的电容将直流母线 电压分为三个电平。其内的每个桥臂用四个开关器件串联，用一对串联箝位二极管和内侧开 关管并联，其中心抽头和第三电平连接，实现中点箝位。变流器共有27种开关状态，其中 24个为非零矢量，3个为零矢量。

图2为三电平变流器电压矢量在gh坐标系内的分布图。

如图3和图4所示，基于gh坐标系的三电平变流器空间矢量调制方案，步骤如下：

步骤一、图1中，设定三电平变流器a、b、c三相中三相参考相电压分别为v_a、v_b、v_c， 开关周期设定为T_s，直流侧为电压为V_dc，根据三相参考电压，通过公式：

$\left(\begin{array}{c}{v}_g\\ v_h\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right)---\left(1\right)$

将参考矢量变换至gh坐标系中，得到参考矢量坐标(v_g,v_h)。

图3中，通过公式：

$\left(\begin{array}{c}s(v_g,v_h)=v_g-v_h\\ q(v_g,v_h)=v_g+{2v}_h\\ w(v_g,v_h)=v_g+v_h/2\end{array}\right)---\left(2\right)$

对v_g、v_h进行线性变换，得到中间变量s、q、w。

步骤二、根据中间变量s、q、w判定参考矢量所在大区域，判定方式如图3所示。根据 判定结果，对参考矢量进行坐标修正，其修正方式如表1所示。

表1参考矢量坐标修正方式

大区域 v_g′ v_h' Ⅰ v_g-V_dc/3 v_hⅡ v_gv_h-V_dc/3 Ⅲ v_g+V_dc/3 v_h-V_dc/3 Ⅳ v_g+V_dc/3 v_hⅤ v_gv_h+V_dc/3 Ⅵ v_g-V_dc/3 v_h+V_dc/3

步骤三、根据参考矢量修正后的坐标(v_g',v_h')，通过公式：

$\left(\begin{array}{c}x(v_g,v_h)={{3v}_g}^{\prime }\\ y(v_g,v_h)={{3v}_h}^{\prime }\\ z(v_g,v_h)=3({v_g}^{\prime }+{v_h}^{\prime })\end{array}---\left(3\right)\right)$

得到中间变量x、y、z。并根据x、y、z的特性判定参考矢量所在三角区域，判定方式如 图4所示。

步骤四、根据步骤二和步骤三的判定结果，确定合成参考矢量的基矢量，且合成参考矢 量时，基矢量作用时间可由中间变量直接表示。设合成参考矢量的基矢量分别为V₁、V₂、V₃， 其作用时间分别为t₁、t₂、t₃，表2中给出了参考矢量位于大区域Ⅰ内的三角区域中时相邻基 矢量作用时间，其中，各桥臂以开关状态2表示V_x1、V_x2导通，V_x3、V_x4关断；开关状态1 表示V_x2、V_x3导通，V_x1、V_x4关断；开关状态0表示V_x3、V_x4导通，V_x1、V_x2关断(其中，x= a,b,c)。

参考矢量位于其它大区域的三角区域内时，基矢量作用时间的表达式与表2中相应三角 区域的作用时间表达式相同。参考矢量相邻基矢量的作用时间可由中间变量直接表示，降低 了运算量，也是本发明的创新点之一。

表2参考矢量位于大区域Ⅰ内的三角区域中时基矢量作用时间

步骤五、采用对称调制法，可以得出功率器件的开关时刻，图5是三相输出相电压经 600Hz低通滤波器滤波后的波形，由图可知，开关组合使三电平变流器输出电压和参考电压 等效，从而验证了本发明的正确性和有效性。