降低H/NPC变换器开关损耗的三段式SVPWM算法

摘要

本发明属于逆变器控制技术领域，具体涉及一种降低H/NPC变换器开关损耗的三段式SVPWM算法。它包括以下步骤：S1，根据基于60°坐标系的多电平SVPWM算法，计算三个基本矢量V1、V2、V3对应的作用时间T1、T2、T3；S2，基本空间电压矢量开关状态选取，根据减小共模电压的原则，选取基本空间电压矢量中间的开关状态，并根据开关状态的值S由小到大依次排序；S3，根据上一个开关周期开关序列的末开关状态，确定下一个开关周期开关序列的首开关状态，选取开关状态切换最小的为起始状态；S4，根据开关序列内开关最小原则，设计三段式开关序列；S5，开关状态映射。

说明书

技术领域

本发明属于逆变器控制技术领域，具体涉及一种降低H/NPC变换器开关损耗的三段式SVPWM算法。

背景技术

目前，在电力、船舶舰艇、矿井提升、钢铁轧制等领域采用基于大功率变频装置的变频技术已成为能源高效利用的主要措施。常见的中高压大功率多电平变换器拓扑可分为两类：1)半桥式钳位型(二极管钳位型和飞跨电容型)，2)全桥式级联型，前者存在直流侧电容电压平衡的问题，当电平数大于三时，控制将变得更加复杂。级联型变换器包括2H桥级联、H/NPC级联和混合级联。2H桥级联型易于扩展、控制方法简单，但需大量的独立直流电源。H/NPC级联型可以克服钳位二极管或钳位电容多、控制困难和需要独立电源个数多的缺点，适用于中、高压大功率应用场合。

空间电压矢量调制策略(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)控制灵活、电压利用率高，在多电平变换器脉宽调制中得到了广泛的研究，目前常见的多电平空间电压矢量调制策略有：传统空间电压矢量法、参考电压矢量分解法、60°坐标系法、线电压坐标系、分类算法和虚拟电压矢量法等。空间电压矢量调制策略(SVPWM)根据开关序列设计方式的不同又可分为三段式SVPWM算法、五段式SVPWM算法和七段式SVPWM算法等。在两电平和三电平变流器中，由于冗余开关状态和空间电压矢量的数量小，七段式SVPWM算法易于实现。但在五电平以上的多电平变流器，开关序列设计更加复杂，且七段式开关序列需满足严格的限制条件，导致开关序列设计不灵活。同时在开关频率较低时，七段式SVPWM算法的开关序列在相邻的小扇区间切换时，额外开关损耗大大增加，且输出电压谐波增加，大大限制了七段式SVPWM算法在高压大功率多电平领域特别是低开关频率的应用。

发明内容

针对现有七段式SVPWM算法存在的不足之处，本发明提出了一种降低H/NPC变换器开关损耗的三段式SVPWM算法，在通用60°坐标系多电平SVPWM算法的基础上、结合H/NPC五电平逆变器拓扑结构，给出一种新颖灵活的三段式SVPWM算法。该三段式SVPWM调制方式无需考虑严格的开关约束条件，能在降低开关损耗的同时改善输出电压谐波性能。

本发明采用如下技术方案：

降低H/NPC变换器开关损耗的三段式SVPWM算法，它包括以下步骤：

S1，根据基于60°坐标系的多电平SVPWM算法，计算三个基本矢量V₁、V₂、V₃对应的作用时间T₁、T₂、T₃；

S2，基本空间电压矢量开关状态选取，根据减小共模电压的原则，选取基本空间电压矢量中间的开关状态，并根据开关状态的值S由小到大依次排序；

S3，根据上一个开关周期开关序列的末开关状态，确定下一个开关周期开关序列的首开关状态，选取开关状态切换最小的为起始状态；

S4，根据开关序列内开关最小原则，设计三段式开关序列；

S5，确定开关状态映射。

进一步的，步骤S2具体包括以下步骤，

S21，对任意的开关状态[S_a，S_b，S_c]，定义其开关状态值S＝S_a+S_b+S_c，为了表示开关状态的切换，分别定义三相开关状态总变化值ΔS和各相开关状态变化最大值δS分别为

$\Delta S=\underset{i=a,b,c}{\Sigma }|{S_{i1}}^{\prime }-S_{i3}|,\delta S=\underset{i=a,b,c}{Max}|{S_{i1}}^{\prime }-S_{i3}|;$

S22，对参考电压矢量V_ref所处小扇区中的所有开关状态，根据减小共模电压的原则，选取中间的冗余开关状态，并计算其开关状态值S，根据开关状态值S的大小，从小到大将所有的开关状态依次排序构成集合A。

更进一步的，步骤S3具体包括以下步骤，

S31，从选取的所有开关状态中，选择三相开关状态总变化值ΔS最小的开关状态为集合B，若集合B含多个开关状态，则转到步骤S32，否则结束；

S32，从集合B中选择各相开关状态变化最大值δS最小的开关状态为集合C，若集合C含多个开关状态，则转到步骤S33，否则结束；

S33，从集合C中选择开关状态值S最小开关状态。

本发明以降低器件开关损耗为目的，提出了一种新颖的三段式SVPWM算法。该三段式SVPWM策略基于60°坐标系的通用简化多电平SVPWM算法，不仅避免了复杂扇区判断和三角函数计算；而且没有严格的开关约束条件，在降低开关频率的同时还能改善输出电压的频谱，尤其在低开关频率和高调制度时，优势更为明显。

附图说明

图1是降低H/NPC变换器开关损耗的三段式SVPWM算法的流程图；

图2是第Ⅰ大扇区空间电压矢量图；

图3是开关频率f_s＝500Hz时，V_ab线电压波形图；

图4是开关频率f_s＝500Hz时，V_ab线电压的频谱分析图；

图5是开关频率f_s＝500Hz时，i_a负载电流波形图；

图6是开关频率f_s＝500Hz时，i_a负载电流频谱分析图；

图7是三段式M＝0.9时，f_s/f₀＝10的开关管脉冲仿真结果图；

图8是M＝0.9，f_s/f₀＝10时七段式SVPWM算法的实验结果图；

图9是相应条件下三段式SVPWM的输出波形图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参阅图1所示，为本发明提出的降低H/NPC变换器开关损耗的三段式SVPWM算法的流程图，它包括以下步骤：

S1，根据基于60°坐标系的多电平SVPWM算法，计算三个基本矢量V₁、V₂、V₃对应的作用时间T₁、T₂、T₃；

S2，基本空间电压矢量开关状态选取，根据减小共模电压的原则，选取基本空间电压矢量中间的开关状态，并根据开关状态的值S由小到大依次排序；

S3，根据上一个开关周期开关序列的末开关状态，确定下一个开关周期开关序列的首开关状态，选取开关状态切换最小的为起始状态；

S4，根据开关序列内开关最小原则，设计三段式开关序列；

S5，确定开关状态映射。

考虑在相邻的小扇区之间可能会产生额外的开关切换。设第1个开关周期内的开关序列为[S_a1，S_b1，S_a1]-[S_a2，S_b2，S_c2]-[S_a3，S_b3，S_c3]，第2个开关周期内的开关序列为[S_a1′，S_b1′，S_a1′]-[S_a2′，S_b2′，S_c2′]-[S_a3′，S_b3′，S_c3′]，当[S_a1′，S_b1′，S_a1′]与[S_a3，S_b3，S_c3]不相同时就会产生额外的开关切换。该实施例给出的一种灵活的三段式SVPWM开关序列设计，可根据上一个开关周期的末开关状态[S_a3，S_b3，S_c3]灵活地选择下一个开关周期的首开关状态[S_a1′，S_b1′，S_a1′]以使两个开关周期内的切换数目保持最小。

对任意的开关状态[S_a，S_b，S_c]，定义其开关状态值S，

S＝S_a+S_b+S_c，

为了表示开关状态的切换，分别定义三相开关状态总变化值ΔS和各相开关状态变化最大值δS为

$\Delta S=\underset{i=a,b,c}{\Sigma }|{S_{i1}}^{\prime }-S_{i3}|,$

$\delta S=\underset{i=a,b,c}{Max}|{S_{i1}}^{\prime }-S_{i3}|,$

对参考电压矢量V_ref所处小扇区中的所有开关状态，根据减小共模电压的原则，选取中间的冗余开关状态，并计算其开关状态值S，根据开关状态值S的大小，从小到大将所有的开关状态依次排序构成集合A，根据上一个开关周期的末开关状态[S_a3，S_b3，S_c3]。采取以下判断准则从中选择下一个开关周期的首开关状态，即步骤S2具体包括以下步骤：

S31，从选取的所有开关状态中，选择三相开关状态总变化值ΔS最小的开关状态为集合B，该规则能够有效地降低额外的开关切换，若集合B含多个开关状态，则转到步骤S32，否则结束；

S32，从集合B中选择各相开关状态变化最大值δS最小的开关状态为集合C，该准则能够限制输出电压电平的跳变，避免电压波形中不合理的大幅度的电平切换，若集合C含多个开关状态，则转到步骤S33，否则结束；

S33，从集合C中选择开关状态值S最小开关状态，以完成首开关状态的选择。

参阅图2所示，为第Ⅰ大扇区空间电压矢量图，以参考电压矢量V_ref位于第Ⅰ大扇区第11小扇区为例，根据开关状态的值S由小到大排序得集合A为①[310]→②[320]→③[420]→④[421]→⑤[431]。若首开关状态选定为②，则取正序的②[320]→③[420]→④[421]为三段式SVPWM开关序列；若首开关状态选定为④，则取负序的④[421]→③[420]→②[320]为三段式SVPWM开关序列。这样，每个开关周期内开关状态切换仅为一个电平级数，满足开关状态约束条件；同时，一个开关周期内只进行两次开关切换，即一相开关状态不变，大幅降低开关损耗。

以图2中参考电压矢量V_ref位于第Ⅰ大扇区第11小扇区内为例，根据基于60°坐标系的五电平SVPWM算法，得出合成参考电压矢量V_ref的三个基本矢量V₁、V₂、V₃，选取基本空间电压矢量中间的冗余开关状态，根据开关状态的值S由小到大依次排序得集合A，开关状态的值S为连续的整数，依次编号得①[310]→②[320]→③[420]→④[421]→⑤[431]。第Ⅰ扇区第11小扇区中含有五个开关状态，共有5种开关顺序。若首开关状态选定为②，则取正序的②[320]→③[420]→④[421]为三段式SVPWM的开关序列；若首开关状态选定为④，则取负序的④[421]→③[420]→②[320]为三段式SVPWM的开关序列。

由图2可以看出，三段式SVPWM的开关序列没有出现冗余开关状态，每个开关周期内的开关状态的切换仅改变一个电平级数，满足开关状态的约束条件，同时，一个开关周期内只进行两次开关切换，有一相开关状态不变，大大降低了开关损耗。

该实施例基于MATLAB中搭建了五电平H/NPC逆变器仿真模型，取直流电源V_dc＝500V，负载为阻感负载，功率因数为cosφ＝0.95，基波频率f₀＝50Hz。给出了不同开关频率和调制度下的线电压、电流波形及其频谱分析。图3和图4分别是三段式M＝0.9时，f_s/f₀＝10，即开关频率f_s＝500Hz时，V_ab线电压波形及其频谱分析图；图5和图6分别是三段式M＝0.9时，f_s/f₀＝10，即开关频率f_s＝500Hz时，i_a负载电流波形及其频谱分析图。图7是三段式M＝0.9时，f_s/f₀＝10的开关管脉冲仿真结果图。

该实施例还基于DSP+FPGA搭建了H/NPC五电平逆变器进行SVPWM算法的实验验证。实验参数为：直流电源M＝0.9，负载为阻感负载，功率因数为cosφ＝0.90，基波频率f₀＝50Hz。对不同开关频率下的线电压、电流波形进行了实验验证。

图8为M＝0.9，f_s/f₀＝10时七段式SVPWM算法的实验结果图，V_dc＝75V，图9则为相应条件下三段式SVPWM的输出波形图。由图8和图9可知，在同样条件下三段式算法的开关切换频率更低，且同样保持了良好的输出性能。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。