三电平SVPWM高调制度窄脉冲消除系统与方法

摘要

本发明涉及窄脉冲消除，特别是三电平SVPWM高调制度窄脉冲消除系统和方法，对下一周期的电压空间矢量进行预判断，如果进入窄脉冲区域就对其限幅，使其不受窄脉冲影响，并通过当前空间矢量和跳出窄脉冲区域的空间矢量幅值修正来补偿因限幅对输出电压的影响。所述系统包括电压空间矢量属性计算单元、电压空间矢量当前位置判断单元、前后两工作周期电压空间矢量位置判断单元、当前电压空间矢量幅值修正单元、电压空间矢量线性限幅单元、跳出窄脉冲区域后电压空间矢量修正单元和电压空间矢量调制单元。采用上述系统和方法能够消除窄脉冲的盲区。

说明书

技术领域

本发明涉及窄脉冲消除，特别是三电平SVPWM高调制度窄脉冲消除系统和方 法。

背景技术

箝位型三电平变换器因其结构的的对称性，可实现能量的双向流动。并且 它对开关管的耐压要求仅为直流母线的1/2，输出电能质量较两电平变换器又有 很大的提高。所以它在太阳能，风能，交通运输等领域得到越来越多的应用。

电压空间矢量调制(SVPWM)是三电平变换器的常用控制方式。因为不同的矢 量安排顺序和不同矢量的选择方法，调制方式也不尽相同。对于传统的以最近 三矢量作为参考矢量合成的方式，在调制度过低或者过高时都会出现窄脉冲的 问题。窄脉冲的出现使得输出电压电流谐波含量提高，开关管的功耗增大，并 且可能会出现开关管的瞬时失效问题。随着对窄脉冲问题研究的深入，很多方 法被提出，对于低调制度时有降低开关频率，交换矢量安排顺序，或者限制输 出脉宽等方法。

对于高调制度的窄脉冲控制，传统的处理窄脉冲的方法有两种，一是直接将 小于最小脉宽的脉冲滤除，这种方法虽然可避免出现窄脉冲，但由于只改变了 一相的脉冲宽度，必然会影响输出的线电压波形，造成电压畸变。

还有一种常用的零序电压注入法，虽然此方法通过同时调整三相脉冲的宽度 来消除窄脉冲，但是脉冲宽度不是任意调整的，它受到作用时间的限制，所以 存在盲区。

在高调制度时总存在控制盲区，即无论采用上述哪种方法，在一定的空间位 置仍无法消除窄脉冲。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对电压空间矢量调制在高调制度存在消除 窄脉冲的盲区，实现对电压空间矢量落入消除窄脉冲盲区的预判断及窄脉冲的 消除。

为解决上述的技术问题，本发明提供了一种三电平SVPWM高调制度窄脉冲消 除方法，其特征在于包括以下步骤：

计算参考电压空间矢量的属性变量，包括电压空间矢量幅值kp，相位角θ和 单周期步进角Δθ；

确定当前电压空间矢量在坐标系的空间位置；

根据当前空间矢量的属性变量，判断下一工作周期的电压空间矢量是否落入 窄脉冲区域；

如果落入窄脉冲区域，则对下一工作周期的电压空间矢量进行限幅，并对其 进行调制；

分别对当前电压空间矢量和跳出窄脉冲区域后的电压空间矢量进行幅值修 正，并进行调制；

根据矢量合成原则，通过当前电压矢量和跳出窄脉冲区域后的电压空间矢量 的幅值修正来补偿因限幅对输出电压的影响。

本发明还提供了一种三电平SVPWM高调制度窄脉冲消除系统，包括：

电压空间矢量属性计算单元，用于计算参考电压属性变量；

电压空间矢量当前位置判断单元，用于根据电压空间矢量的属性变量确定其 在坐标系中的空间位置；

前后两工作周期电压空间矢量位置判断单元，用于判断前后两工作周期电压 空间矢量是否落入窄脉冲区域；

当前电压空间矢量幅值修正单元，用于对当前电压空间矢量进行幅值修正；

电压空间矢量线性限幅单元，用于对落入窄脉冲区域的电压空间矢量进行线 性限幅；

跳出窄脉冲区域后电压空间矢量修正单元，用于对跳出窄脉冲区域的电压空 间矢量进行幅值修正；

电压空间矢量调制单元，用于对经过线性限幅或幅值修正后的电压空间矢量 进行调制。

采用本发明的系统和方法，可以有效的消除窄脉冲盲区，并不对输出电压幅 值产生影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明三电平SVPWM窄脉冲消除方法的流程图。

图2为本发明的系统结构框图。

图3为本发明实施例中的二极管箝位型三电平变换器。

图4为本发明三电平变换器第一扇区空间矢量分布图。

图5为本发明线性限幅的矢量关系图。

图6为本发明窄脉冲区域中线性限幅区域和前后工作周期矢量幅值修正关系 图。

具体实施方式

本发明三电平SVPWM高调制度窄脉冲消除方法以如图3所示的二极管箝位型 变换器为例。如图1所示的本发明三电平SVPWM高调制度窄脉冲消除方法的流 程图。该流程开始于步骤S101。然后，在步骤S102到步骤S112中，根据程序 的循环，确定当前电压空间矢量的空间位置，预判断下一个工作周期的电压空 间矢量是否落入窄脉冲区域，对落入窄脉冲区域的电压空间矢量进行限幅并调 制，然后通过对当前电压空间矢量和跳出窄脉冲区域的电压空间矢量幅值修正 后的矢量合成来补偿因限幅对输出电压的影响。

例如，在步骤S102和S103中，通过计算电压空间矢量幅值kp，相位角θ 和单周期步进角Δθ确定当前电压空间矢量在坐标系的空间位置。基本电压矢量 采用最近三矢量的选择方式(the Nearest Three Space-Vector，NTV)，即以最 靠近参考矢量的三个基本矢量来合成V_ref。采用七段对称式对调制周期T_S进行 分配。具体操作以第一小扇区为例，如图4所示。

在α-β坐标系中可以计算出参考电压矢量的相位角和调制度：

$\theta =\mathrm{ac}\tan \left(\frac{V_{\beta }}{V_{\alpha }}\right)$

$\mathrm{kp}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{{2U}_{\mathrm{DC}}/3*\sqrt{3}/2}=\frac{\sqrt{3}{V}_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{DC}}}$

若电压空间矢量落入第2小区域，那么基本矢量作用的顺序为： ONN-OON-PON-POO-PON-OON-ONN；若空间电压矢量落入第4小区域，那么基本矢 量的作用顺序为：ONN-PNN-PON-POO-PON-PNN-ONN。其他小扇区和其他区域以此 类推。判断参考电压空间矢量V_ref的步进角Δθ的和运行频率与开关频率有关， 即一个开关周期参考电压所前进的角度：式中V_α，V_β为参考电压矢 量在α-β坐标系上的投影，如图4所示。f为参考矢量运行频率，f_carry为载波 频率。

通过计算电压空间矢量的属性变量确定电压空间矢量在α-β坐标系上的位 置之后，步骤S106和步骤S107是预判断下一个工作周期的电压空间矢量是否 落入窄脉冲区域。如果下一个工作周期的电压空间矢量落入窄脉冲区域，通过 一次循环后步骤S104和步骤S105可以对下一个工作周期的电压空间矢量进行 限幅。这里限幅采用线性限幅的办法，如图5和图6所示，由式 t_narrow＝2T_s-2kT_ssin(π/3+θ)知当kp为1时，窄脉冲出现的角度范围是最大的，计算 出此时的角度δ。由式t_narrow＝2kT_ssinθ知当矢量靠近中矢量PON时，出现窄脉冲 时kp是最小的。计算出此时的kp’值。分别过点(π/6，kp′)和点(π/6-δ，1)作 直线可得到k₁θ(t)+b₁。对称地，过点(π/6，kp′)和点(π/6+δ，1)作直线可得到 k₂θ(t)+b₂。将下一工作周期的电压空间矢量线性限幅在上述两条直线之内，可以 使得下一工作周期的电压空间矢量不落入窄脉冲区域之内。

在步骤S108中，确定下一工作周期的电压空间矢量落入窄脉冲区域之后， 对当前电压空间矢量进行幅值修正Δx₁。再通过步骤S109和步骤S110来判断跳 出窄脉冲区域的第一个电压空间矢量，因为第一个从程序的角度容易实现。确 定跳出窄脉冲区域的第一个电压空间矢量后，步骤S111对其进行幅值修正Δx₂。

通过对当前电压空间矢量和跳出窄脉冲区域的第一个电压空间矢量的幅值 修正对下一个工作周期的电压空间矢量进行矢量合成补偿。补偿关系遵守伏秒 平衡关系：Δx₁e^jθT_S+kp′*e^j(θ+Δθ)T_S+Δx₂e^j(θ+2Δθ)T_S＝kp*e^j(θ+Δθ)T_S。化简后关系式仅和步 进角有关系。

化简后的关系式为：

Δx₁+kp′*e^jΔθ+Δx₂e^j2Δθ＝kp*e^jΔθ

对上式展开得：

$\left(\begin{array}{c}\Delta x_1+k{p}^{\prime }*\cos \left(\mathrm{\Delta \theta }\right)+\Delta x_2*\cos (2*\mathrm{\Delta \theta })=\mathrm{kp}*\cos \left(\mathrm{\Delta \theta }\right)\\ \Delta x_1+k{p}^{\prime }*\sin \left(\mathrm{\Delta \theta }\right)+\Delta x_2*\sin (2*\mathrm{\Delta \theta })=\mathrm{kp}*\sin \left(\mathrm{\Delta \theta }\right)\end{array}\right)$

由方程组可解得Δx₁，Δx₂。

$\left(\begin{array}{c}\Delta x_1=(\mathrm{kp}-k{p}^{\prime })*(\cos \left(\mathrm{\Delta \theta }\right)-\frac{\cos (2*\mathrm{\Delta \theta })*(\cos \left(\mathrm{\Delta \theta }\right)-\sin \left(\mathrm{\Delta \theta }\right))}{\cos (2*\mathrm{\Delta \theta })-\sin (2*\mathrm{\Delta \theta })})\\ \Delta x_2=\frac{(\mathrm{kp}-k{p}^{\prime })*(\cos \left(\mathrm{\Delta \theta }\right)-\sin \left(\mathrm{\Delta \theta }\right))}{\cos (2*\mathrm{\Delta \theta })-\sin (2*\mathrm{\Delta \theta })}\end{array}\right)$

通过矢量合成原则，将经过幅值修正的当前电压空间矢量和第一个跳出窄脉 冲区域的电压空间矢量合成实现对下一工作周期电压空间矢量限幅的补偿。

图2是按照本发明三电平SVPWM高调制度窄脉冲消除系统的结构框图，所述 系统包括电压空间矢量属性计算单元201，电压空间矢量当前位置判断单元202， 前后两工作周期电压空间矢量位置判断单元203，当前电压空间矢量幅值修正单 元205，电压空间矢量线性限幅单元204，跳出窄脉冲区域后电压空间矢量修正 单元206和电压空间矢量调制单元207。

电压空间矢量属性计算单元201用于计算参考电压属性变量。

电压空间矢量当前位置判断单元202，用于根据点空间矢量属性计算单元201 得到的电压空间矢量的属性变量确定其在坐标系中的空间位置。

前后两工作周期电压空间矢量位置判断单元203，用于判断前后工作周期电 压空间矢量是否落入窄脉冲区域。通过前后两工作周期电压空间矢量位置判断 单元203的判断形成分支，当前电压空间矢量幅值修正单元205和跳出窄脉冲 区域后电压空间矢量修正单元206可以对当前电压空间矢量和跳出窄脉冲区域 的电压空间矢量进行幅值修正。

电压空间矢量线性限幅单元204，用于对落入窄脉冲区域的的电压空间矢量 进行线性限幅。

电压空间矢量调制单元207，用于对经过线性限幅或幅值修正后的电压空间 矢量进行调制。

当然，本发明的具体实施方式也可以采用其他的坐标系，这样只是计算过程 不一样，使用的方法是一致的。同时，本发明也可以采用除线性限幅以外适用 的限幅方法。本发明的范围仅由所附权利要求书限定，只要不背离本发明的原 理和实质，都在本发明的保护范围之内。