一种单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法

摘要

本发明公开了一种单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法，包括：根据空间矢量开关状态的作用效果，将变流器开关器件产生的电压矢量分类；根据电压参考矢量的模长，将空间矢量分为四个扇区，正大矢量和正小矢量位于扇区的正半区，负小矢量和负大矢量位于扇区的负半区，零矢量位于中间位置；选择相邻的两个基本矢量，计算基本矢量在一个开关周期内的总作用时间；构建矢量作用序列，在冗余正小矢量V2,1和V2,2之间，以及冗余负小矢量V4,1和V4,2之间选择大矢量或者零矢量进行间隔，其中，大矢量包括正大矢量和负大矢量；加入零矢量V3,3,使其位于传统空间矢量调制里位于整个序列中间的小矢量的中间，增加线电压在一个开关周期内的脉冲数量。

说明书

技术领域

本发明属于变流器脉冲宽度调制的技术领域，具体涉及一种单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法。

背景技术

多电平变流器相对于两电平变流器具有半导体开关器件所承受的电压应力低、等效开关频率高、容量大、更低的谐波失真和更佳的电能质量等优点，在新能源并网、直流输电、冶金、矿山、石化、高速列车电力牵引等中高压大功率场合得到了广泛应用。二极管钳位型(neutral point clamped，NPC)三电平变流器作为多电平变流器的典型拓扑，由于结构简单无需复杂的变压器而更具有应用前景。

电力电子变流器的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)方法主要分为正弦脉宽调制(sinusoidal PWM，SPWM)、空间矢量脉宽调制(space vector，PWM)、特定谐波消除脉宽调制(selected harmonics elimination PWM，SHEPWM)和最近电平逼近调制(nearest level modulation，NLM)等。

SHEPWM能够消除变流器脉冲电压中的一些不期望出现的谐波，但SHEPWM需要复杂的运算以及数据储存空间，实际实现较为复杂。NLM具有开关切换次数少的优点，应用于电平数较多的变流器中，但是在电平数不是很高的情况下其谐波特性较差。SPWM具有逻辑简单容易实现的优点，在单相变流器系统中大多采用该调制方法，但是SPWM不易对直流侧电容电压平衡进行控制，而且脉冲序列较为固定不够灵活。SVPWM具有脉冲序列灵活多变，易于数字化实现和电压利用率高的优点在三相系统中得到了广泛的应用。但是，传统单相三电平变流器SVPWM的输出脉冲序列与载波层叠SPWM是等效的，并没有发挥出其灵活性的特性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法，以利用空间矢量的灵活性实现在一个开关周期内输出更多的脉冲序列，且同时具有电容电压平衡的能力。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

提供一种单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法，其包括：

根据单相三电平变流器空间矢量开关状态的作用效果，将单相三电平变流器开关器件产生的电压矢量分类为正大矢量、正小矢量、零矢量、负小矢量和负大矢量；

根据电压参考矢量位于α轴的分量模长，将单相三电平变流器空间矢量分为四个扇区，所述正大矢量和正小矢量位于扇区的正半区，负小矢量和负大矢量位于扇区的负半区，零矢量位于中间位置；

选择相邻的两个基本矢量，计算所述正大矢量、正小矢量、零矢量、负小矢量和负大矢量在一个开关周期内的总作用时间；

构建矢量作用序列，在冗余正小矢量V_2,1和V_2,2之间以及冗余负小矢量V_4,1和V_4,2之间选择大矢量或者零矢量进行间隔其中，大矢量包括正大矢量和负大矢量；

加入零矢量V_3,3，使其位于传统空间矢量调制里位于整个序列中间的小矢量的中间，增加线电压在一个开关周期内的脉冲数量。

优选地，计算正大矢量、正小矢量、零矢量、负小矢量和负大矢量在一个开关周期内的总作用时间的方法为：

其中，u_r为调制信号，T_s为一个开关周期，V_k和V_k+1为基本矢量，T_k为基本量V_k在一个开关周期T_s内相应的总作用时间，V_k为基本矢量的幅值大小。

优选地，正小矢量具有冗余正小矢量V_2,1和V_2,2，负小矢量具有冗余负小矢量V_4,1和V_4,2。

优选地，还包括用于平衡单相三电平变流器直流侧两电容电压的方法：

在调制信号的正半周，调整冗余正小矢量V_2,1和V_2,2作用时间占总正小矢量时间的比例；

在调制信号的负半周，调整冗余负小矢量V_4,1和V_4,2作用时间占总负小矢量时间的比例。

本发明提供的单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法，具有以下有益效果：

本发明利用SVPWM的冗余矢量特性，将冗余小矢量和零矢量加入调制序列中，并对其作用位置和时间进行优化设计，实现本发明在一个开关周期内输出更多的脉冲电压，即实现了脉冲序列的灵活多变，也表现出其具有更好的谐波特性，为变流器调制提供更多的选择。

附图说明

图1为单相二极管钳位型三电平变流器主电路拓扑图。

图2为单相三电平变流器的空间矢量图。

图3为单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法对应的不同扇区下矢量作用序列图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，本方案的单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法，现对其电路拓扑图进行简单描述。

参考图1，U_dc为直流侧总电压，C₁和C₂分别为直流侧上端和下端支撑电容，U₁和U₂分别为这两个电容的电压；u_ab为变流器的输出电压；S_a1，S_a2，S_a3，S_a4为a相桥臂的功率开关模块，S_b1，S_b2，S_b3，S_b4为b相桥臂的功率开关模块；L和R分别代表交流侧电感和电阻，i_L为交流侧电流。

S_a和S_b为a相和b相桥臂理想开关的函数。开关函数的值由开关器件的导通关断状态决定(导通用1表示，关断用0表示)，开关函数真值如下，

本方案的单相三电平变流器空间矢量脉宽调制优化方法，包括：

对空间矢量开关状态进行分类，根据单相三电平变流器空间矢量开关状态的作用效果，将单相三电平变流器开关器件产生的电压矢量分类，见下表，

包括正大矢量(V₁)、正小矢量(V₂)、零矢量(V₃)、负小矢量(V₄)、负大矢量(V₅)，其中正小矢量、零矢量和负小矢量具有冗余矢量，正小矢量具有冗余正小矢量V_2,1和V_2,2，负小矢量具有冗余负小矢量V_4,1和V_4,2。“→”表示保持不变，“↑”表示增大，“↓”表示减小；若电流方向相反，则对U₁-U₂的增大减小影响也会相反。

根据电压参考矢量位于α轴的分量模长，将单相三电平变流器空间矢量分为四个扇区。

参考图2，V_r-α为参考矢量V_r的α轴分量，其大小对应为调制信号u_r，四个扇区分别对应于：

扇区1：0.5<u_r≤1；

扇区2：0<u_r≤0.5；

扇区3：-0.5<u_r≤0；

扇区4：-1<u_r≤-0.5。

其中，正大矢量和正小矢量位于扇区的正半区，负小矢量和负大矢量位于扇区的负半区，零矢量位于中间位置，正小矢量、零矢量和负小矢量具有冗余矢量。

选择相邻的两个基本矢量，计算正大矢量、正小矢量、零矢量、负小矢量和负大矢量在一个开关周期内的总作用时间：

其中，u_r为调制信号，T_s为一个开关周期，V_k和V_k+1为基本矢量，T_k为基本量V_k在一个开关周期T_s内相应的总作用时间，V_k为基本矢量的幅值大小。

由此式可得，正大矢量(V₁)、正小矢量(V₂)、零矢量(V₃)、负小矢量(V₄)、负大矢量(V₅)各个矢量在一个开关周期内的总作用时间，其中，冗余矢量之间平分基本矢量作用时间。

参考图3，在矢量作用序列中，冗余小矢量之间用大矢量或者零矢量间隔开，零矢量V_3,3安排在最中间，将传统空间矢量脉宽调制中位于脉冲序列中间的小矢量一分为二，以实现在不增加开关频率的情况下得到比载波调制和传统空间矢量脉宽调制更多的脉冲。相比于传统的单相三电平变流器SVPWM的输出脉冲序列，本发明保证在一个开关周期内每个开关器件都只有一次开关动作，对冗余矢量的位置进行了优化设计，脉冲序列灵活性更强，也能表现出更多的谐波特性，为变流器的调制提供更多的选择。

根据本申请的一个实施例，为保证本发明变流器直流侧两电容电压的平衡，利用各冗余小矢量对电容电压的作用效果不同的特性，通过不改变小矢量总作用时间而调整不同冗余小矢量作用时间的方法来实现平衡控制。

其方法为，在调制信号的正半周，调整冗余正小矢量V_2,1和V_2,2作用时间占总正小矢量时间的比例；

在调制信号的负半周，调整冗余负小矢量V_4,1和V_4,2作用时间占总负小矢量时间的比例。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。