一种电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制方法

摘要

本发明公开了一种电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制方法，包括：构成三电平NPC变流器的新型虚拟矢量空间图；确定参考电压矢量v

说明书

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种虚拟空间矢量调制方法，具体涉及一种电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制方法。

背景技术

与传统的两电平变流器相比，三电平NPC变流器具有电压等级高、输送功率大、输出波形畸变率小、电磁干扰低等优点，因而被广泛的应用于电能质量分析、直流输电、超导储能、新能源发电等众多场合。然而，三电平NPC变流器存在直流电容电压不平衡和共模电压(电流)问题，若不对其进行抑制，轻则导致三电平NPC变流器的输出特性变差，逆变侧谐波增加，重则导致系统故障，引发设备和人身安全问题。

近年来，许多学者在三电平NPC变流器的直流电容电压波动和共模电压问题上进行了研究，取得了一些研究成果。在电容电压波动方面，一些论文采用零序分量注入法，将零序分量注入到传统调制策略的参考电压中，取得了一定的效果；一些论文通过合理分配冗余矢量的作用时间，让有益于直流电容电压平衡的矢量的作用时间尽量长，也在一定程度上改善了三电平NPC变流器的直流电容电压的不平衡状况。但以上两大类方法无法实现全调制度和全功率因数的直流电容电压平衡控制，在高调制度、低功率因数区域的控制效果较差。据此，有学者提出了虚拟空间矢量调制策略，较好的实现了全调制度和全功率因数的直流电容电压波动控制。在共模电压方面，有学者基于三电平SPWM策略和三电平SVPWM策略提出了一些相应的共模电压抑制策略，但都无法实现全调制度和全功率因数的直流电容电压波动控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制方法，该调制方法能够实现全调制度、全功率因数的直流电容电压波动控制。

为达到上述目的，本发明所述的电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制方法包括以下步骤：

1)根据载波PWM调制方法得三相调制波；

2)由三相调制波合成参考电压矢量v_ref；

3)构建电压型三电平中点钳位变流器的空间矢量，得27个空间矢量；

4)根据步骤3)得到的27个空间矢量构建若干虚拟矢量，再根据虚拟矢量构成三电平NPC变流器的新型虚拟矢量空间图，所述三电平NPC变流器的新型虚拟矢量空间图由六个扇区组成，其中，每个扇区由虚拟矢量构建的五个三角形组成；

5)建立两相静止坐标系，再将步骤2)得到的参考电压矢量v_ref分解到两相静止坐标系上；

6)确定参考电压矢量v_ref是否在三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区中，当参考电压矢量v_ref不在三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区中时，则采用旋转法将参考电压矢量v_ref移动到三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区中；

7)判断参考电压矢量v_ref所在的三角形；

8)根据参考电压矢量v_ref所在三角形计算各虚拟矢量的作用时间；

9)根据各虚拟矢量的作用时间计算各实际矢量的作用时间；

10)根据各实际矢量的作用时间计算各三角形中矢量对应的开关状态输出序列；

11)根据各三角形中矢量对应的开关状态输出序列控制电压型三电平中点钳位变流器上各相中各开关的开关状态，完成电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制。

步骤1)中三相调制波为：

其中，M为调制度，ω为基波角频率，t为时间，U_a为A相电压，U_b为B相电压，U_c为C相电压；

步骤2)中的参考电压矢量v_ref为：

其中，

步骤3)中电压型三电平中点钳位变流器的空间矢量V为：

其中，U_dc为直流侧总电压，S_a、S_b及S_c分别为电压型三电平中点钳位变流器的A相、B相及C相的开关状态。

步骤4)中构建的三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区为：

其中，V_Z0为虚拟零矢量，V_ZS1及V_ZS2为虚拟小矢量，V_Zm1为虚拟中矢量，V_Zl1及V_Zl2为虚拟大矢量。

将参考电压矢量v_ref分解在两相静止坐标系上的结果为：

其中，q为参考电压矢量v_ref与两相静止坐标系中α轴的夹角，V_α为参考电压矢量v_ref在两相静止坐标系中α轴上的分量，V_β为参考电压矢量v_ref在两相静止坐标系中β轴上的分量。

参考电压矢量v_ref在三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第n扇区上，其中，

n＝ceil(q/60°)(6)

通过V_α、V_β及q的值判断参考电压矢量v_ref所在的三角形，判断依据为：

其中，V_a、V_b以U_dc为标幺值，s₁-s₅分别表示5个三角形。

根据参考电压矢量v_ref所在三角形的位置计算各虚拟矢量的作用时间，其中，第一扇区中各三角形对应的每个虚拟矢量的作用时间分别为：

步骤9)中根据各虚拟矢量的作用时间计算各实际矢量的作用时间，其中，计算公式为：

步骤10)的具体操作分为两种情况，其中，第一种情况为：当参考电压矢量v_ref处于第一扇区时，各三角形中矢量对应的开关状态输出序列为：

s₁:PON-OON-OPN-OPO-OOO-POO-PNO；

s₂:PON-POO-PNO-ONO-OOO-OON-OPN；

s₃:ONO-PNO-PNN-PON-POO-PON-OON-OPN；

s₄:PNO-PNN-PON-PPN-OPN；

s₅:OPO-OPN-OON-POO-PNO-POO-PON-PPN；

当参考电压矢量v_ref不处于第一扇区时，根据矢量图的对应关系确定各三角形中矢量对应的开关状态输出序列，其中，采用如下对应关系替换第一种情况中的矢量，其中，

OOO：各扇区均相同；

POO((a)中)-OON(2扇区)-OPO(3扇区)-NOO(4扇区)-OOP(5扇区)-ONO(6扇区)；

OON((a)中)-OPO(2扇区)-NOO(3扇区)-OOP(4扇区)-ONO(5扇区)-POO(6扇区)；

ONO((a)中)-POO(2扇区)-OON(3扇区)-OPO(4扇区)-NOO(5扇区)-OOP(6扇区)；

OPO((a)中)-NOO(2扇区)-OOP(3扇区)-ONO(4扇区)-POO(5扇区)-OON(6扇区)；

OPN((a)中)-NPO(2扇区)-NOP(3扇区)-ONP(4扇区)-PNO(5扇区)-PON(6扇区)；

PON((a)中)-OPN(2扇区)-NPO(3扇区)-NOP(4扇区)-ONP(5扇区)-PNO(6扇区)；

PNO((a)中)-PON(2扇区)-OPN(3扇区)-NPO(4扇区)-NOP(5扇区)-ONP(6扇区)；

PNN((a)中)-PPN(2扇区)-NPN(3扇区)-NPP(4扇区)-NNP(5扇区)-PNP(6扇区)；

PPN((a)中)-NPN(2扇区)-NPP(3扇区)-NNP(4扇区)-PNP(5扇区)-PNN(6扇区)。

步骤11)的具体操作为：x相输出状态为P时，开关S_1x及开关S_2x开通，开关S_3x及开关S_4x关断，x相输出状态为O时，开关S_2x及开关S_3x开通，开关S_1x及开关S_4x关断，x相输出状态为N时，开关S_3x及开关S_4x开通，开关S_1x及开关S_2x关断，x＝a,b,c。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制方法在操作时，通过27个空间矢量构建若干虚拟矢量，再根据虚拟空间矢量构成三电平NPC变流器的新型虚拟矢量空间图，然后依据三电平NPC变流器的新型虚拟矢量空间图中各扇区与参考电压矢量v_ref的位置关系获取开关状态输出序列，最后根据开关状态输出序列控制电压型三电平中点钳位变流器上各相中各开关的开关状态，操作简单、方便，能够实现全调制度、全功率因数的直流电容电压波动控制，并且能够有效的抑制系统的共模电压。

附图说明

图1为电压型三电平中点钳位变流器的主电路拓扑图；

图2为传统电压型三电平中点钳位变流器的电压矢量图；

图3为电压型三电平中点钳位变流器新型虚拟矢量空间图；

图4为本发明中第一扇区内三角形的划分图；

图5为电压型三电平中点钳位变流器采用传统载波调制策略并向本发明切换时的仿真结果图；

图6a为SPWM策略的共模电压图；

图6b为传统VSVPWM策略的共模电压图；

图6c为本发明的共模电压图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2、图3及图4，电压型三电平中点钳位变流器包括三相交流部分、三电平直流侧外接部分、三电平NPC变流器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片及数字处理器，当电压型三电平中点钳位变流器为三电平逆变器结构时，三相交流部分为负载；当电压型三电平中点钳位变流器为三电平整流器、静止无功发生器等装置时，三相交流部分为交流源加三相交流平波电抗器；当电压型三电平中点钳位变流器为三电平逆变器结构时，直流侧外接部分为直流电压源；当电压型三电平中点钳位变流器为三电平整流器结构时，直流侧外接部分为负载；当电压型三电平中点钳位变流器为三电平静止无功发生器时，直流侧无外接部分；另外，电压传感器检测三相交流部分电压及直流侧各电容的电压；电流传感器检测交流侧各相的电流，电压传感器及电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处理器通过驱动电路控制三电平变流器中各功率器件的开关。

本发明所述的电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制方法包括以下步骤：

1)根据载波PWM调制方法得三相调制波；

2)由三相调制波合成参考电压矢量v_ref；

3)构建电压型三电平中点钳位变流器的空间矢量，得27个空间矢量；

4)根据步骤3)得到的27个空间矢量构建虚拟空间矢量，得一个虚拟零矢量、六个虚拟小矢量、六个虚拟中矢量及六个虚拟大矢量，然后根据一个虚拟零矢量、六个虚拟小矢量、六个虚拟中矢量及六个虚拟大矢量构成三电平NPC变流器的新型虚拟矢量空间图，所述三电平NPC变流器的新型虚拟矢量空间图由六个扇区组成，其中，每个扇区由各虚拟矢量构建的五个三角形组成；

5)建立两相静止坐标系，再将步骤2)得到的参考电压矢量v_ref分解于两相静止坐标系上；

6)确定参考电压矢量v_ref是否在三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区中，当参考电压矢量v_ref不在三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区中时，则采用旋转法将参考电压矢量v_ref移动到三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区中；

7)判断参考电压矢量v_ref所在的三角形；

8)根据参考电压矢量v_ref所在三角形计算各虚拟矢量的作用时间；

9)根据各虚拟矢量的作用时间计算各实际矢量的作用时间；

10)根据各实际矢量的作用时间计算各三角形中矢量对应开关状态的输出序列；

11)根据各三角形中矢量对应的开关状态的输出序列控制电压型三电平中点钳位变流器上各相中各开关管的开关状态，完成电压型三电平中点钳位变流器虚拟空间矢量调制。

步骤1)中所述三相调制波为：

其中，M为调制度，ω为基波角频率，t为时间，U_a为A相电压，U_b为B相电压，U_c为C相电压；

步骤2)中的参考电压矢量v_ref为：

其中，

步骤3)中电压型三电平中点钳位变流器的空间矢量V为：

其中，U_dc为直流侧总电压，S_a、S_b及S_c分别为电压型三电平中点钳位变流器A相、B相及C相的开关状态。

步骤4)中构建的虚拟空间矢量的第一扇区为：

其中，V_Z0为虚拟零矢量，V_ZS1及V_ZS2为虚拟小矢量，V_Zm1为虚拟中矢量，V_Zl1及V_Zl2为虚拟大矢量。

将参考电压矢量v_ref分解在两相静止坐标系上的结果为：

其中，q为参考电压矢量v_ref与两相静止坐标系中α轴的夹角，V_α为参考电压矢量v_ref在两相静止坐标系中α轴上的分量，V_β为参考电压矢量v_ref在两相静止坐标系中β轴上的分量。

参考电压矢量v_ref在三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第n扇区，其中，

n＝ceil(q/60°)(6)

其中，ceil()函数表示向上取整，即第一扇区对应q∈(0-60°)，第二扇区对应q∈(60°-120°)，第三扇区对应q∈(120°-180°)，第四扇区对应q∈(180°-240°)，第五扇区对应q∈(240°-300°)，第六扇区对应q∈(300°-360°)。

另外，当参考电压矢量v_ref不在三电平NPC变流器新型虚拟矢量空间图的第一扇区中时，则改变其与a轴的夹角，设改后的角度为q’，q’＝q-(n-1)×60。

参考图4，步骤7)通过V_α、V_β及q的值判断参考电压矢量v_ref所在的三角形，判断依据为：

其中，V_a、V_b以U_dc为标幺值，s₁-s₅分别表示5个三角形。

步骤8)中根据参考电压矢量v_ref所在三角形的位置计算各虚拟矢量的作用时间，其中，第一扇区中各三角形对应的每个虚拟矢量的作用时间分别为：

其中，第一扇区内当参考电压矢量位于1号三角形时的各虚拟矢量作用时间为：

分别在a轴及b轴上对上式进行分解，则有：

则有

求解上式得：

步骤9)中根据各虚拟矢量的作用时间计算各实际矢量的作用时间，其中，计算公式为：

步骤10)的具体操作分为两种情况，其中，第一种情况为：当参考电压矢量v_ref处于第一扇区时，各三角形中矢量对应的开关状态的输出序列为：

s₁:PON-OON-OPN-OPO-OOO-POO-PNO；

s₂:PON-POO-PNO-ONO-OOO-OON-OPN；

s₃:ONO-PNO-PNN-PON-POO-PON-OON-OPN；

s₄:PNO-PNN-PON-PPN-OPN；

s₅:OPO-OPN-OON-POO-PNO-POO-PON-PPN；

当参考电压矢量v_ref不处于第一扇区时，根据矢量图的对应关系确定各三角形中矢量对应开关状态的输出序列，其中，采用如下对应关系替换第一种情况中的矢量，其中，

OOO：各扇区均相同；

POO((a)中)-OON(2扇区)-OPO(3扇区)-NOO(4扇区)-OOP(5扇区)-ONO(6扇区)；

OON((a)中)-OPO(2扇区)-NOO(3扇区)-OOP(4扇区)-ONO(5扇区)-POO(6扇区)；

ONO((a)中)-POO(2扇区)-OON(3扇区)-OPO(4扇区)-NOO(5扇区)-OOP(6扇区)；

OPO((a)中)-NOO(2扇区)-OOP(3扇区)-ONO(4扇区)-POO(5扇区)-OON(6扇区)；

OPN((a)中)-NPO(2扇区)-NOP(3扇区)-ONP(4扇区)-PNO(5扇区)-PON(6扇区)；

PON((a)中)-OPN(2扇区)-NPO(3扇区)-NOP(4扇区)-ONP(5扇区)-PNO(6扇区)；

PNO((a)中)-PON(2扇区)-OPN(3扇区)-NPO(4扇区)-NOP(5扇区)-ONP(6扇区)；

PNN((a)中)-PPN(2扇区)-NPN(3扇区)-NPP(4扇区)-NNP(5扇区)-PNP(6扇区)；

PPN((a)中)-NPN(2扇区)-NPP(3扇区)-NNP(4扇区)-PNP(5扇区)-PNN(6扇区)。

步骤11)的具体操作为：x相输出状态为P时，开关S_1x及开关S_2x开通，开关S_3x及开关S_4x关断，x相输出状态为O时，开关S_2x及开关S_3x开通，开关S_1x及开关S_4x关断，x相输出状态为N时，开关S_3x及开关S_4x开通，开关S_1x及开关S_2x关断，x＝a,b,c。

在Matlab/Simulink软件对图1所示系统进行仿真，设定基本参数如表1所示：

表1

利用Matlab/Simulink软件，根据表1中的关键参数，得图5、图6a、图6b及图6c中的仿真结果，其中，图5的初始时刻采用传统SPWM策略，在0.19s切换至本发明，仿真结果由上到下依次是A相、B相输出线电压U_ab，三相输出相电流I_x，直流侧电容电压U_c1及U_c2，由图5可知，当切换至本发明时，直流电容电压的低频波动被控制到平衡值附近很小的范围。

由该图6可知，传统的SPWM策略和虚拟空间矢量调制策略的共模电压最大值为133.3V(U_dc/3)，而本发明的共模电压为66.7V(U_dc/6)，共模电压与传统策略相比减小了一半，起到了较好的抑制共模电压的效果。