法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2012-10-03
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H02M5/00 授权公告日:20070207 终止日期:20110801 申请日:20030801
专利权的终止
2007-02-07
授权
授权
2004-05-05
实质审查的生效
实质审查的生效
2004-02-25
公开
公开
技术领域 本发明涉及一种减少三电平变频器开关损耗的方法，尤其涉及基于空间矢量脉宽调制的减少三电平变频器开关损耗的方法，属于电力电子应用技术领域。
背景技术 随着电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的发展，多电平变频器正成为功率电源、电机驱动和电力系统变流等应用领域中最为热门的研究方向之一，它增强了输出电平的个数，有利于实现输出电压波形的正弦化，减少谐波分量，降低dv/dt和di/dt电应力，从而提高变频器效率和功率因数，并提高系统运行的可靠性。
一般来说，实现变频器输出波形正弦化的脉宽调制(以下简称PWM)控制算法是变频器系统中最核心的问题之一。常用的PWM算法有谐波消除法、优化目标函数法、滞环电流控制法、载波调制法以及空间矢量PWM等。由于空间矢量PWM控制方法具有较大的优势，如它可以优化开关矢量，降低开关频率，提高电压的利用率等，目前主要采用空间矢量调制方法进行调制。空间矢量PWM包括五段法和七段法，五段法是在一个开关周期内，两相桥臂上的开关各动作一次，而另一相桥臂上的开关维持不变；七段法是在一个开关周期内，三相桥臂上的开关各动作一次。不管用什么调制方法，变频器的谐波含量都是存在的，开关器件的开关频率越高，则谐波含量越少。因此，开关频率高的电力电子器件如IGBT等在三电平变频器上得到越来越多的应用。然而，随着开关频率的升高，开关损耗变得很大，制约了开关频率的进一步升高。这在低压中小功率等级的设备中还不明显，一旦到了中高压大功率变频器上，这种制约就成为很严重的问题。因为功率等级的提高需要应用新型开关器件IGCT代替IGBT，由于IGCT的开关频率比IGBT低，而开关损耗又制约它而使它更低，这就使三电平变频器的输出谐波很大，违背了采用三电平变频器减小输出谐波的初衷。必须采取措施使开关损耗降低。以往的方法主要有零电流开关技术和零电压开关技术。但是，这些方法都不能直接应用到现有的变频器系统中，需要对电路拓扑进行改动，实现起来很复杂，可靠性也随之降低。
在两电平变频器研究中，曾经有人使用空间矢量PWM五段法技术代替七段法技术，以减少开关次数，从而降低开关损耗，但这种方法无法移植到三电平变频器，原因是三电平变频器存在中点电压平衡的问题，如果不解决该问题，变频器将不能正常运转。
发明内容 本发明的目的是提出一种减少三电平变频器开关损耗的方法，以空间矢量调制为基础，采用五段法与七段法混合的优化空间矢量PWM方法，即使五段法应用在三相电流最大时刻，减小开关损耗，用七段法实现开关矢量的过渡，达到维持中点平衡的目的。
本发明提出的减少三电平变频器开关损耗的方法，包括以下步骤：
1、确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压矢量的相位；
2、根据三电平变频器在控制状态下输出的电压和电流，得到相应的电压与电流之间的相位差β；
3、根据上述参考电压矢量的相位以及电压与电流之间的相位差，生成电压矢量序列；
4、根据电压矢量序列，确定三电平变频器的开关函数；
5、根据上述开关函数，发出脉冲控制信号，使三电平变频器输出与参考电压的相位一致和幅值相对应的三相对称电压。
上述方法中，生成电压矢量序列的过程包括如下步骤：
1、判定上述参考电压矢量所在的扇区；
2、根据上述电压与电流之间的相位差β值，确定电流矢量的角度；
3、根据设定电流参考值和上述电流矢量的角度，生成电压矢量序列。
上述方法中，生成的电压矢量序列必须满足以下条件：
1、电压矢量序列中的各综合电压矢量都在一个包含参考矢量端点的最小电压三角形顶点上；
2、当三相电流中的一相的电流绝对值超过设定电流参考值时，在一个循环周期内，该相所对应的开关函数维持不变，当一相电流绝对值小于设定电流参考值时，在一个循环周期内，直流母线电容中点的电压维持平衡：
3、电压矢量序列中的任何一个综合电压矢量为三个相位互差120度的支路电压矢量之和。
上述方法中，根据电压矢量序列确定三电平变频器的开关函数的过程包括如下步骤：
1、根据上述电压矢量序列中综合电压矢量的三个支路电压矢量的排列次序先后，得到开关动作的次序；
2、根据综合电压矢量在包含参考矢量端点的最小电压三角形中所处的位置，以及对直流母线电容中点的充放电电荷大小决定开关时间。
本发明提出的减少三电平变频器开关损耗的方法，具有以下优点：
1、将五段法移植到三电平变频器，通过电压和电流的相位判断五段法作用时段，使开关损耗大大降低，进而提高了变频器的开关频率，减少谐波。
2、针对三电平变频器中易出现的中点电压不平衡问题，采用五段法与七段法混合控制，用七段法的电压矢量序列达成过渡，中和五段法控制积累在直流母线电容中点上的电荷，维持了三电平变频器的电压中点平衡。
3、该方法只需在控制算法上实施，不涉及任何硬件电路，因此实现简单，可靠性高。
附图说明
图1为三电平变频器空间矢量分布图。
图2为第一扇区电压矢量和电流矢量关系图。
图3为采用本发明方法后的相电压与线电压波形图。
具体实施方式
本发明提出的减少三电平变频器开关损耗的方法，首先确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压矢量的相位；根据三电平变频器在控制状态下输出的电压和电流，得到相应的电压与电流之间的相位差β；根据上述参考电压矢量的相位以及电压与电流之间的相位差，生成电压矢量序列，生成电压矢量序列的过程为：首先判定上述参考电压矢量所在的扇区；根据上述电压与电流之间的相位差β值，确定电流矢量的角度；根据设定电流参考值和上述电流矢量的角度，生成电压矢量序列。
上述生成的电压矢量序列满足以下条件：电压矢量序列中的各综合电压矢量都在一个包含参考矢量端点的最小电压三角形顶点上；当三相电流中的一相的电流绝对值超过设定电流参考值时，在一个循环周期内，该相所对应的开关函数维持不变，当一相电流绝对值小于设定电流参考值时，在一个循环周期内，直流母线电容中点的电压维持平衡；电压矢量序列中的任何一个综合电压矢量为三个相位互差120度的支路电压矢量之和。
根据上述电压矢量序列，确定三电平变频器的开关函数；根据上述开关函数，发出脉冲控制信号，使三电平变频器输出与参考电压的相位一致和幅值相对应的三相对称电压，其过程为：根据电压矢量序列确定三电平变频器的开关函数的过程为：根据上述电压矢量序列中综合电压矢量的三个支路电压矢量的排列次序先后，得到开关动作的次序；根据综合电压矢量在包含参考矢量端点的最小电压三角形中所处的位置，以及对直流母线电容中点的充放电电荷大小决定开关时间。
根据上述开关函数，发出脉冲控制信号，使三电平变频器输出与参考电压的相位一致和幅值相对应的三相对称电压。
具体地讲，本方法的第一步是：首先确定用于控制三电平变频器输出电压的参考电压矢量的相位，得到参考电压矢量所处的空间扇区号以及需要用到的三个组合矢量。三相三电平逆变器系统中有27个输出电压矢量可供组合使用，空间矢量图空间分布如图1所示。按照电压开关矢量幅值的大小来分，可以将它们分成四类：零电压开关矢量3个(PPP，OOO，NNN)，小电压开关矢量12个，且两两重合：V01(POO和ONN)，V02(PPO和OON)，V03(OPO和NON)，V04(OPP和NOO)，V05(OOP和NNO)，V06(POP和ONO)，中电压开关矢量6个(V12，V23，V34，V45，V56，V61)，大电压开关矢量6个(V1，V2，V3，V4，V5，V6)。这些矢量组成24个三角形，参考电压矢量必然落在此24个三角形中的一个之中，因此将由该三角形定点的三个组合矢量来等效，下面的工作是如何使之等效。
第二步：根据三电平变频器在控制状态下输出的电压和电流，得到相应的电压与电流之间的相位差β，如图2所示。此步骤与第一步结合可确定电流矢量的空间角度。
第三步：根据上述参考电压矢量的相位以及电压与电流之间的相位差，生成电压矢量序列。首先，判定参考电压矢量所在的扇区，以图2为例，此时电压矢量处于1号扇区。其次，根据电压与电流之间的相位差β值，确定电流矢量的角度，以图2为例，此时电流矢量也处于1号扇区，但与电压矢量相差β角。然后，根据设定电流参考值和上述电流矢量的角度，生成电压矢量序列。此序列为参考电压矢量所处的三角形三个顶点所对应的组合矢量的排列次序，下面将详细介绍本发明所使用的组合矢量排列次序。
假设电压矢量落在第一扇区，图2显示即为第一扇区，这个扇区又划分了1～4四个小区。
本发明的PWM方法应该致使当前电流绝对值最大的一相在开关周期内保持不动作。由于在1扇区内电压矢量接近于V1和V2矢量(见图2)，而V1意味着A相电压正值最大，V2意味着C相电压负值最大，考虑到电流与电压在相角上差β，因此可以得出结论：在第一扇区内，开关矢量的选择应使A相或C相的开关保持不动作，具体区域将由β决定。同理可以得出在扇区2～6中相应的结论。
表1所示为本发明PWM方法电压矢量序列表，扇区号和小区号都由参考电压矢量的角度决定，根据电流矢量的角度来判断采取哪种模式进行控制。以图2为例，若电流矢量接近V1，则代表A相电流达到正的峰值，采用模式1所取的电压矢量序列进行控制，A相的开关控制信号维持“P”不变，使该相在一个开关周期内的损耗降低，达到本发明的目的。若电流矢量接近V2，则采取模式2所取的电压矢量序列进行控制，C相的开关控制信号维持“N”不变，同样也能降低C相的开关损耗。其它扇区依次类推。电流矢量与特定组合矢量(在1扇区为V1和V2)的接近程度可以根据实际应用需求设定。
表1电压矢量序列表
根据电流矢量的位置，来决定采用模式1还是模式2选取矢量组合顺序，设定参考角度值，若电流矢量与+A相夹角小于此参考角度值，则认为此时A相的电流较大，A相的开关不应动作，在第一扇区内则选择模式1进行开关矢量的选择；反之，若电流矢量与-C相夹角小于此参考角度值，则认为此时C相的电流较大(负的)，C相的开关不应动作，在第一扇区内则选择模式2进行开关矢量的选择。这样就可以实现开关损耗降低的空间矢量PWM方法。
由电压矢量序列表可以看出，当电压矢量在1扇区3小区内由模式1转换为模式2，即由PPO到ONN时，B相有两对开关器件同时动作，在器件特性非理想的情况下，短路的可能性大大增加，使系统的可靠性降低。同样的情况还出现在由1扇区3小区的模式1转换为2扇区3小区的模式1。以上两种情况随β角的不同都可能出现，而且在其它扇区也存在此现象。
此外，上述方法还存在着中点电压不平衡的问题。
因此，简单采用上述电压矢量序列进行控制是不够的。
在同扇区中模式1转换为模式2或者本扇区模式1转换为相临扇区模式1的过程中设立过渡带，矢量在过渡带中将按如下的七段法选取。此时七段法控制有两个作用：1，实现矢量平滑过渡；2，实现电压中点电荷补偿，达成中点平衡控制。
以1扇区3小区为例，在同扇区中模式1转换为模式2时，过渡期内矢量选择顺序有两种方法：
1、OON-PON-POO-PPO-POO-PON-OON
2、POO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO
根据前面所述，在1扇区内A相电流达到正值最大，而C相电流也趋近负值最大，矢量进入过渡带前采用的是五段法模式1，即PPO-POO-PON-POO-PPO，由电路拓扑易得，中点将流过+C、-A、+B等电流，也就是说，电容C2将处于一直充电过程中，中点电压将很快偏向下桥臂。此时矢量选取应遵照使下桥臂放电的原则，即选取POO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO的开关顺序，并利用七段法的优势调整ONN矢量的导通时间(增加)，达到控制中点电压平衡的目的。同理可得出其它扇区情况。
表2所示为各扇区内五段法模式1向五段法模式2过渡时的七段法矢量选取顺序。
表2扇区内过渡时电压矢量序列表
当模式转换发生在扇区边界，问题变得更加复杂。由于对称性，每个扇区都发生同方向的中点电流注入或流出，因此，中点电压平衡的控制尤其重要。但过渡矢量的选取不可能同时满足过渡功能和中点电压平衡的控制。为了简化控制方法，把过渡区设在每个扇区的末尾，以扇区边界为其结束边，因此，过渡区只涉及1、3、4三个小区。在第3小区内，为了解决矢量过渡和中点电压平衡的矛盾，设置两个过渡区。按上述的方法，可以得到如下矢量选择顺序。表3所示为扇区间过渡时的电压矢量序列选取。
表3扇区间过渡时电压矢量序列表
通过过渡区宽度、位置的设置，就能很好地解决表1电压矢量序列选取给三电平变频器带来的负面影响，这样，开关频率能得到提高，变频器的输出谐波更少。
第四步：根据电压矢量序列，确定三电平变频器的开关函数。
首先，根据电压矢量序列中综合电压矢量的三个支路电压矢量的排列次序先后，得到开关动作的次序，例如表1中的POO-PPO-PPP-PPO-POO电压矢量序列，代表着A相开关不动作，B相开关“O-P-O”动作，C相开关也是“O-P-O”动作，但B相比C相先动作。
接着，根据综合电压矢量在包含参考矢量端点的最小电压三角形中所处的位置，以及对直流母线电容中点的充放电电荷大小决定开关时间。
从图1中看出，电压开关矢量均匀分布在各个扇区内。为了减小输出电压的谐波，根据控制系统给出的电压给定值，选取适当的开关状态，是三电平脉宽调制(PWM)控制的首要任务。与两电平一样，三电平空间矢量PWM算法，从本质上是一种等效控制。通过在每一个开关周期Ts中，用参考矢量所在小三角形中三个顶点矢量来进行等效。
用公式来定义图1中的各个矢量
式中Sa、Sb、Sc代表该矢量的三相开关状态；
将给定电压从DQ坐标系统转换到αβ坐标系，有
Vrefα＝Vrefd·cosγ-Vrefq·sinγ
Vrefβ＝Vrefd·sinγ+Vrefq·cosγ (2)
式中γ为DQ坐标系和αβ坐标系之间的夹角。
从参考电压的αβ轴分量，可以得到合成给定电压矢量的模长|Vref|和相角θ分别为
根据式(3)所得参考电压的模长和相角，可以判断它落在哪个三角形的区域内。联合参考电压和该三角形三个顶点矢量，就可以实现该矢量的PWM调制。
图2为第一扇区电压矢量作用时间分配计算。下面将以给定电压角度在第一扇区(即相角θ从0°到60°)时进行详细分析。当给定电压的角度大于60°时，可以采用类似的情况进行计算。
根据式(1)可以计算出在0°到60°内的各个电压开关矢量，该扇区内，各个小三角形的各顶点矢量作用时间分配定义，如图2所示。
为了尽快确定给定电压处于图2中哪个小三角形区域，可以先假设给定电压矢量位于第3区域内。该区域三个顶点矢量分别为假设这三个顶点相应的矢量作用时间依次为ta0、tb0、tc0，于是有：
ta0+tb0+tc0＝Ts
式中Ts为空间矢量PWM的开关周期。
将式(3)、表1中各个顶点的开关矢量代入上式，可以得出ta0、tb0、tc0的值，分别为
ta0＝(1-2ksinθ).Ts
式中调制比
虽然三个顶点的作用时间由式(5)给出，但根据第三步结论，在设置过渡区时还需对它们进行调整，见表2和表3。调整数值需要根据控制得到的效果进行实时计算，以维持对直流母线电容中点的充放电电荷平衡。
第五步：根据上述开关函数，发出脉冲控制信号，使三电平变频器输出与参考电压的相位一致和幅值相对应的三相对称电压。根据上述空间矢量组合后，在DSP内编程实现。图3为一个实施例中采用开关损耗减小方法后输出相电压和线电压的波形比较。从图可见，采用开关损耗减小的方法后，每相电压在该相电流达到正负最大值时都保持不调制状态，减小了开关损耗，而线电压波形仍为标准调制波形。
机译： 减少串联连接的桥式变频器和放大器中的开关损耗
机译： 具有降低的开关损耗的三电平逆变器的PWM控制方法和装置
机译： 一种用于通过电桥电路确定电子部件的开关损耗的方法以及一种用于确定电子部件的开关损耗的电子组件
