三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法

摘要

本发明公开了一种三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制策略，包括以下步骤：对三电平四桥臂变流器的三相参考电压v

说明书

技术领域

本发明涉及一种三电平四桥臂变流器空间矢量调制策略，特别涉及一种基于参考电压分解的三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法。

背景技术

三电平四桥臂变流器通过第四桥臂对中线进行单独控制，其控制方式灵活，并且补偿不平衡电流能力更强，尤其在电压等级较高或对补偿效果要求较高的场合，三电平四桥臂变流器具有更好的补偿效果。空间矢量脉宽调制(SVPWM)是电压源变流器常用的调制策略，其直流侧电压利用率高，输出谐波少，易于数字化实现。

由于三电平四桥臂变流器的三相负载不平衡，使得参考矢量分布在三维空间，因此应用于三电平四桥臂变流器的SVPWM为三维SVPWM(3D-SVPWM)，并且，由于三电平四桥臂变流器主电路开关状态多，因此SVPWM调制过程复杂。

相关技术中，三电平四桥臂变流器的SVPWM是在αβγ坐标系下进行，首先判断参考矢量在αβ平面上的三角区域，然后将平面位置延伸至空间，每个三棱柱被六个平面切割成七个四面体，最后根据参考矢量所在四面体确定合成参考矢量的基矢量，并由伏秒平衡原理计算其作用时间。由于调制过程中涉及三角函数和根号运算，因此影响计算精度，并且计算过程繁琐，计算量大，占用控制器资源多，影响控制的实时性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法，能够有效解决传统空间矢量脉宽调制策略计算量大，计算精度低，实时性差的问题。

为实现上述目的，本发明的实施例提出了一种三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法，包括以下步骤：S1，对所述三电平四桥臂变流器的三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行坐标转换以获得abcγ坐标系下的坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)，并根据所述坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域和三角区域；S2，根据所述参考矢量所处的大区域和三角区域获取界定平面函数，并根据所述界定平面函数确定起始矢量；S3，根据所述起始矢量对所述三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行修正，以获得三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′；S4，对所述三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′进行线性运算，以获得六个中间变量x、y、z、s、q、w，并根据所述六个中间变量x、y、z、s、q、w中的任意三个中间变量计算基矢量V₁、V₂、V₃的作用时间t₁、t₂、t₃；S5，根据所述作用时间t₁、t₂、t₃对所述三电平四桥臂变流器中的开关器件进行控制。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式对所述三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行坐标变换：

$>\left(\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\\ v_{\gamma }\end{array}\right)=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\\ 1& 1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_{af}\\ v_{bf}\\ v_{cf}\end{array}\right)$>

其中，v_a、v_b、v_c、v_γ为所述坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量，v_af、v_bf、v_cf为所述三相参考电压。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1中，根据所述坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域和三角区域，具体包括：根据所述坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定所述参考矢量所处的大区域以对所述坐标分量v_a、v_b、v_c进行修正；根据修正后的坐标分量v_a′、v_b′、v_c′判定所述参考矢量所处的三角区域。

具体地，根据下表对所述坐标分量v_a、v_b、v_c进行修正以获得所述修正后的坐标分量v_a′、v_b′、v_c′：

大区域v_a′v_b′v_c′Ⅰv_a-V_dc/3v_b+V_dc/6v_c+V_dc/6Ⅱv_a-V_dc/6v_b-V_dc/6v_c+V_dc/3Ⅲv_a+V_dc/6v_b-V_dc/3v_c+V_dc/6Ⅳv_a+V_dc/3v_b-V_dc/6v_c-V_dc/6Ⅴv_a+V_dc/6v_b+V_dc/6v_c-V_dc/3Ⅵv_a-V_dc/6v_b+V_dc/3v_c-V_dc/6

其中，V_dc为所述三电平四桥臂变流器的直流侧电压。

根据本发明的一个实施例，所述界定平面函数满足下表的关系：

其中，V_dc为所述三电平四桥臂变流器的直流侧电压。

根据本发明的一个实施例，根据下表的关系对所述三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行修正以获得所述三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′：

起始矢量v_af′v_bf′v_cf′1000v_af-V_dc/2v_bfv_cf1001v_afv_bf+V_dc/2v_cf+V_dc/21100v_af-V_dc/2v_bf-V_dc/2v_cf1101v_afv_bfv_cf+V_dc/20100v_afv_bf-V_dc/2v_cf0101v_af+V_dc/2v_bfv_cf+V_dc/20110v_afv_bf-V_dc/2v_cf-V_dc/20111v_af+V_dc/2v_bfv_cf0010v_afv_bfv_cf-V_dc/20011v_af+V_dc/2v_bf+V_dc/2v_cf1010v_af-V_dc/2v_bfv_cf-V_dc/21011v_afv_bf+V_dc/2v_cf

其中，V_dc为所述三电平四桥臂变流器的直流侧电压。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式对所述三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′进行线性运算：

$>\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ s\\ q\\ w\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0& 2& -2\\ 2& 0& 0\\ 0& -2& 0\\ 0& 0& -2\\ 2& -2& 0\\ 2& 0& -2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v_{af}}^{\prime }\\ {v_{bf}}^{\prime }\\ {v_{cf}}^{\prime }\end{array}\right)$>

其中，x、y、z、s、q、w为所述中间变量，v_af′、v_bf′、v_cf′为所述三相参考电压修正值。

具体地，所述作用时间t₁、t₂、t₃通过下述公式进行表达：

$>\left(\begin{array}{c}{t}_1=\frac{y}{V_{dc}}{T}_s\\ t_2=\frac{z}{V_{dc}}{T}_s\\ t_3=\frac{x}{V_{dc}}{T}_s\end{array}\right)$>

其中，t₁、t₂、t₃为所述作用时间，x、y、z为所述中间变量，T_s为开关周期，V_dc为所述三电平四桥臂变流器的直流侧电压。

有益效果：由于采取上述方案，根据参考矢量在abc平面中的三角区域获得界定平面的平面函数，并由平面函数确定起始矢量。由起始矢量对参考矢量进行分解，得到修正后的三相参考电压，并对其进行线性运算求取中间变量，通过选取中间变量计算基矢量作用时间。整个调制过程条理清晰，实现简单，与传统方法相比计算量小，精度高，实时性强，具有一定的理论创新和应用价值。解决了传统三电平四桥臂变流器SVPWM方法计算量大，计算精度低，实时性差的问题，达到了本发明的目的。

优点具体体现在：

1、该方法基于abcγ坐标系确定参考矢量所处位置，判断过程不涉及根号运算，提高了计算精度；

2、该方法利用起始矢量对参考电压进行分解，得到两电平参考电压，将其代入两电平四桥臂调制策略进行计算，降低了调制策略的复杂程度。

3、两电平调制策略中，中间变量获取简单，基矢量作用时间由中间变量直接选取，省却了作用时间的计算过程，不需要复杂的三角函数运算，降低了计算量，提高了实时性和精确度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法的流程图。

图2是根据本发明一个实施例的三电平四桥臂变流器的电路原理图。

图3是根据发明一个实施例的三电平四桥臂变流器在abcγ坐标系中的开关状态矢量分布图。

图4是根据发明一个实施例的参考矢量在abc平面上的投影。

图5是根据本发明一个实施例的参考矢量所处大区域的判断图。

图6是根据本发明一个实施例的参考矢量所处三角区域的判断图。

图7是根据本发明一个实施例的三角区域内的矢量分布图。

图8是根据本发明一个实施例的三相参考电压为正弦时三电平四桥臂变频器输出的经滤波后的波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法。

图1是根据本发明实施例的三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法的流程图。其中，如图2所示，三电平四桥臂变流器的直流侧由两个串联电容分压为三电平，每个桥臂由四个串联的功率开关器件和两个反并联二极管构成，并且上下桥臂的中点通过钳位二极管连接到直流侧的电容中点。三电平四桥臂变流器共有3⁴＝81种开关状态矢量，分布在三维空间，图3为三电平四桥臂变流器的81种开关状态矢量在abcγ坐标系中的分布图。

如图1所示，该三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法包括以下步骤：

S1，对三电平四桥臂变流器的三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行坐标转换以获得abcγ坐标系下的坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)，并根据坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域和三角区域。

根据本发明的一个实施例，通过下述公式(1)对三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行坐标变换：

$>\left(\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\\ v_{\gamma }\end{array}\right)=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\\ 1& 1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_{af}\\ v_{bf}\\ v_{cf}\end{array}\right)---\left(1\right)$>

其中，v_a、v_b、v_c、v_γ为坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量，v_af、v_bf、v_cf为三相参考电压。

根据本发明的一个实施例，在该步骤中，根据坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域和三角区域，具体包括：根据坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域以对坐标分量v_a、v_b、v_c进行修正；根据修正后的坐标分量v_a′、v_b′、v_c′判定参考矢量所处的三角区域。

根据本发明的一个实施例，根据表1对坐标分量v_a、v_b、v_c进行修正以获得修正后的坐标分量v_a′、v_b′、v_c′：

表1

大区域v_a′v_b′v_c′Ⅰv_a-V_dc/3v_b+V_dc/6v_c+V_dc/6Ⅱv_a-V_dc/6v_b-V_dc/6v_c+V_dc/3Ⅲv_a+V_dc/6v_b-V_dc/3v_c+V_dc/6Ⅳv_a+V_dc/3v_b-V_dc/6v_c-V_dc/6Ⅴv_a+V_dc/6v_b+V_dc/6v_c-V_dc/3Ⅵv_a-V_dc/6v_b+V_dc/3v_c-V_dc/6

其中，V_dc为三电平四桥臂变流器的直流侧电压。

具体地，假设三电平四桥臂变流器的a、b、c三相相对于中线f的电压分别为v_af、v_bf、v_cf，开关周期设定为T_s，直流侧电压为V_dc。首先通过上述公式(1)对三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行坐标转换以获得abcγ坐标系下的坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)，然后根据坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域，如图5所示，其中参考矢量在abc平面上的投影如图4所示，图中所示坐标为除以直流侧电压V_dc后的坐标。如图5所示，当v_b＜0且v_c＜0时，参考矢量处于区域Ⅰ；当v_b≥0、v_c＜0且v_a≥0时，参考矢量处于区域Ⅱ；当v_b≥0、v_c＜0且v_a＜0时，参考矢量处于区域Ⅲ；当v_b≥0且v_c≥0时，参考矢量处于区域Ⅳ；当v_b＜0、v_c≥0且v_a＜0时，参考矢量处于区域Ⅴ；当v_b＜0、v_c≥0且v_a≥0时，参考矢量处于区域Ⅵ。

在根据坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域后，根据判定结果并通过上述表1对坐标分量v_a、v_b、v_c进行修正。例如，当参考矢量处于区域Ⅰ时，修正后的坐标分量v'_a＝v_a-V_dc/3，v'_b＝v_b+V_dc/6，v'_c＝v_c+V_dc/6。然后根据修正后的坐标分量v_a′、v_b′、v_c′判定参考矢量所处的三角区域，如图6所示，其中，当v'_a≥v'_b且v'_b≥v'_c时，参考矢量处于三角区域1；当v'_a＜v'_b且v'_a≥v'_c时，参考矢量处于三角区域2；当v'_a＜v'_b、v'_a＜v'_c且v'_b≥v'_c时，参考矢量处于三角区域3；当v'_a＜v'_b、v'_a＜v'_c且v'_b＜v'_c时，参考矢量处于三角区域4；当v'_a≥v'_b、v'_b＜v'_c且v'_a＜v'_c时，参考矢量处于三角区域5；当v'_a≥v'_b、v'_b＜v'_c且v'_a≥v'_c时，参考矢量处于三角区域6。

S2，根据参考矢量所处的大区域和三角区域获取界定平面函数，并根据界定平面函数确定起始矢量。

根据本发明的一个实施例，界定平面函数满足表2所示的关系：

表2

例如，当参考矢量处于区域Ⅰ和三角区域1时，其矢量分布如图7所示，图中平面s为界定平面函数v_cf+V_dc/2所对应的界定平面，该界定平面将三棱柱分为上下两部分，两部分均与两电平四桥臂调制策略中的三棱柱类似。其中，当参考矢量位于界定平面上部时，即参考矢量代入界定平面函数v_cf+V_dc/2计算的值大于零时，确定起始矢量为1000；当参考矢量位于界定平面下部时，即参考矢量代入界定平面函数v_cf+V_dc/2计算的值小于零时，确定起始矢量为1001。也就是说，在界定平面函数确定后，可以根据计算的界定平面函数的符号(正负)来确定起始矢量。

S3，根据起始矢量对三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行修正，以获得三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′。

根据本发明的一个实施例，根据表3的关系对三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行修正以获得三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′：

表3

起始矢量v_af′v_bf′v_cf′1000v_af-V_dc/2v_bfv_cf1001v_afv_bf+V_dc/2v_cf+V_dc/21100v_af-V_dc/2v_bf-V_dc/2v_cf1101v_afv_bfv_cf+V_dc/20100v_afv_bf-V_dc/2v_cf0101v_af+V_dc/2v_bfv_cf+V_dc/20110v_afv_bf-V_dc/2v_cf-V_dc/20111v_af+V_dc/2v_bfv_cf0010v_afv_bfv_cf-V_dc/20011v_af+V_dc/2v_bf+V_dc/2v_cf1010v_af-V_dc/2v_bfv_cf-V_dc/21011v_afv_bf+V_dc/2v_cf

例如，当起始矢量为1000时，修正后的三相参考电压v'_af＝v_af-V_dc/2，v'_bf＝v_bf，v'_cf＝v_cf。

S4，对三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′进行线性运算，以获得六个中间变量x、y、z、s、q、w，并根据六个中间变量x、y、z、s、q、w中的任意三个中间变量计算基矢量V₁、V₂、V₃的作用时间t₁、t₂、t₃。

根据本发明的一个实施例，通过下述公式(2)对三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′进行线性运算：

$>\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ s\\ q\\ w\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0& 2& -2\\ 2& 0& 0\\ 0& -2& 0\\ 0& 0& -2\\ 2& -2& 0\\ 2& 0& -2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v_{af}}^{\prime }\\ {v_{bf}}^{\prime }\\ {v_{cf}}^{\prime }\end{array}\right)---\left(2\right)$>

其中，x、y、z、s、q、w为中间变量。

根据本发明的一个实施例，作用时间t₁、t₂、t₃通过下述公式(3)进行表达：

$>\left(\begin{array}{c}{t}_1=\frac{y}{V_{dc}}{T}_s\\ t_2=\frac{z}{V_{dc}}{T}_s\\ t_3=\frac{x}{V_{dc}}{T}_s\end{array}\right)---\left(3\right)$>

其中，t₁、t₂、t₃为作用时间，T_s为开关周期。

具体而言，在对三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行修正后，可以通过上述公式(2)对三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′进行线性运算以获得六个中间变量x、y、z、s、q、w，然后根据六个中间变量x、y、z、s、q、w中的任意三个中间变量来计算基矢量V₁、V₂、V₃的作用时间t₁、t₂、t₃，例如，当参考矢量处于大区域Ⅰ、三角区域1以及四面体T1内时，可以通过上述公式(3)来计算基矢量V₁、V₂、V₃的作用时间t₁、t₂、t₃。

表4给出了起始矢量为1000时，两电平四桥臂调制策略中，四面体判断条件以及对应的基矢量作用时间。在表4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)。

表4

S5，根据作用时间t₁、t₂、t₃对三电平四桥臂变流器中的开关器件进行控制，以使三电平四桥臂变流器的实际输出电压与参考电压等效。即采用七段式对称调制，根据以上结果，可以得出三电平四桥臂变流器各功率开关器件的开关时刻。

图8为参考电压为三相正弦时三电平四桥臂变流器输出三相电压经低通滤波器滤波后波形，从图8可以看出，通过开关状态的切换使三电平四桥臂输出电压与参考电压等效，从而验证了本发明的正确性和有效性。

根据本发明实施例的三电平四桥臂变流器的空间矢量脉宽调制方法，首先对三电平四桥臂变流器的三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行坐标转换以获得abcγ坐标系下的坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)，并根据坐标(v_a,v_b,v_c,v_γ)的坐标分量v_a、v_b、v_c判定参考矢量所处的大区域和三角区域，然后根据参考矢量所处的大区域和三角区域获取界定平面函数，并根据界定平面函数确定起始矢量，以及根据起始矢量对三相参考电压v_af、v_bf、v_cf进行修正，以获得三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′，再对三相参考电压修正值v_af′、v_bf′、v_cf′进行线性运算，以获得六个中间变量x、y、z、s、q、w，并根据六个中间变量x、y、z、s、q、w中的任意三个中间变量计算基矢量V₁、V₂、V₃的作用时间t₁、t₂、t₃，最后根据作用时间t₁、t₂、t₃对三电平四桥臂变流器中的开关器件进行控制。整个调制过程条理清晰，实现简单，与传统方法相比计算量小，精度高，实时性强，解决了传统三电平四桥臂变流器SVPWM方法计算量大，计算精度低，实时性差的问题。具体而言，由于该调制方法是基于abcγ坐标系来判断参考矢量所处位置，判断过程不涉及根号预算，提高了计算精度，同时还利用起始矢量对参考电压进行分解，得到两电平参考电压，以通过两电平四桥臂调制策略进行计算，降低了调制方法的复杂度，而且在两电平四桥臂调制策略中，中间变量获取简单，基矢量的作用时间由中间变量直接选取，省却了作用时间的计算过程，避免了复杂的三角函数运算，降低了计算量，提高了实时性和精确度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。