一種多電平逆變器通用脈寬調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多電平逆變器通用脈寬調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，逆變器供電技術(shù)廣泛應(yīng)用于交流電機傳動領(lǐng)域，通過逆變器可以有效實 現(xiàn)電動機變頻和調(diào)幅電壓控制。對于中大功率傳動裝置，如電機機車和船舶推進等，相對傳 統(tǒng)的兩電平電壓源型逆變器，多電平逆變器的應(yīng)用具有很多優(yōu)勢：較低的功率開關(guān)應(yīng)力、較 低的逆變器輸出電壓諧波失真、較低的輸出電壓脈動和較少的電磁干擾。多電平逆變器的 研宄較多關(guān)注三種拓撲結(jié)構(gòu)：串聯(lián)的H橋多電平逆變器、中性點鉗位的多電平逆變器和基 于開相交流電機的雙逆變器。同時，針對多電平逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)主要有：正弦波脈寬 調(diào)制技術(shù)、諧波可選擇抑制的脈寬調(diào)制技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)。
[0003] 其中，空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)具有穩(wěn)定的逆變器開關(guān)頻率，應(yīng)用較為廣泛。但是， 多電平逆變器的應(yīng)用也存在一些問題需要進一步解決：脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)算法復(fù)雜、較大 的調(diào)制技術(shù)計算負荷、逆變器直流側(cè)的電容電壓不平衡和存在共模電壓和共模電流干擾問 題等。
[0004] 在現(xiàn)有的多電平逆變器供電技術(shù)中，共模電壓問題會造成電機軸電壓，軸承電流 和感應(yīng)的電磁干擾，目前已經(jīng)有相關(guān)研宄人員針對該問題進行了大量的研宄，但是目前的 解決技術(shù)都較為復(fù)雜或者計算量較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種實現(xiàn)簡單，擴展性和移 植性較好，能夠有效抑制奇數(shù)次多電平逆變器的共模信號，從而提高多電平逆變器安全和 工作性能的通用脈寬調(diào)制方法。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，包括以下步驟：
[0007] a.參考輸入電壓標(biāo)么化：對于N次電平逆變器，單一的多電平逆變器基值選取為 V?ax/2,其中為最大電平數(shù)所對應(yīng)的的電壓矢量幅值；開相電機的雙逆變器基值選取為 線性調(diào)制范圍為[-1，1];
[0008] b.兩電平空間矢量脈寬調(diào)制占空比計算：首先將三相靜止坐標(biāo)系下的參考輸入 電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下的參考輸入電壓，轉(zhuǎn)換公式如下：
[0009]
[0010] 式中，va*Vp為兩相靜止坐標(biāo)系下的參考輸入電壓，Va，pu、Vb，pJP乂。，_分別為三 相靜止坐標(biāo)系下的參考輸入電壓標(biāo)幺值；
[0011] 在一個米樣周期!^內(nèi)，由零電壓矢量和相鄰的兩個基本電壓矢量成參考 電壓矢量入#，計算公式如下：
[0012]
[0013] 上式中，k為扇K參考電壓矢量所在的扇K號，Tk、Tk+1為兩個基本電壓矢量的作用 時間，Dk、Dk+$基本電壓矢量對應(yīng)時間的占空比，Dk=Tk/Ts，Dk+1=Tk+1/TS;TQ為零電壓矢 量的作用時間，D。為零電壓矢量對應(yīng)時間的占空比，參考電壓矢量VSMf也能夠表示為V。和 VP的復(fù)數(shù)形式：VSMf =Va+jVp;
[0014] 所有非零電壓矢量幅值為
[0015] 根據(jù)上面公式推導(dǎo)出零電壓矢量和兩個基本電壓矢量的占空比：
[0016]
[0017] 其次，根據(jù)上式計算出三個時間占空比，并由如下公式計算出三相占空比：
[0018]
[0019] c.參考電壓矢量所在層數(shù)計算：通過以上步驟得到的標(biāo)么化占空比，即調(diào)制波， 三相參考電壓的最大幅值被約束到[_1，1]的線性區(qū)間內(nèi)，當(dāng)前參考電壓矢量所在電壓平 面內(nèi)的層數(shù)為
纟= ；式中，int代表取整運算；N為逆變器 的總電平數(shù)；Di為前述步驟計算出的占空比；
[0020] 根據(jù)以上公式計算得到的層數(shù)和調(diào)制波，對調(diào)制波在不同的層進行矢量壓縮，壓 縮后的調(diào)制波按照兩電平脈寬調(diào)制進行斬波，完成斬波操作后獲得脈寬調(diào)制波；壓縮后的 占空比計算公式如下：D'i=N?Di+SLVi-N-l,i=a,b,C;
[0021] d.矢量反向映射：根據(jù)計算得到的參考電壓矢量所在層數(shù)和斬波后的兩電平脈 寬調(diào)制波，確定選擇的多電平逆變器對應(yīng)電壓矢量；
[0022] e.共模電壓抑制：根據(jù)上述步驟所得電平，確定具有共模電壓抑制的電平；
[0023] f.產(chǎn)生脈寬調(diào)制波：根據(jù)上述步驟確定出的具有共模電壓抑制的電平，利用電平 與逆變器生成的電壓矢量映射關(guān)系，得到具有共模電壓抑制的電壓矢量；通過該電壓矢量 控制逆變器輸出電壓諧波，提高多電平逆變器的輸出電壓品質(zhì)。
[0024] 所述的步驟a中N大于2且為奇數(shù)。
[0025] 所述的步驟d中矢量反向映射關(guān)系為：當(dāng)參考電壓矢量位于第k層時，若PWM輸出 為1，則輸出最低電平為k，若PWM輸出為0,則輸出最低電平為k+1 ;1 <k〈N。
[0026] 所述的步驟e結(jié)合以下公式，確定具有共模電壓抑制的電平：
[0027] 當(dāng)參考電壓順時針旋轉(zhuǎn)
[0028] 或
[0029] 當(dāng)參考電壓逆時針旋軺
[0030] 上式中，（La，Lb，L。）表不任意一個電壓矢量，其中，La、Lb和L。分別代表多電平逆 變器三相橋臂輸出的不同電平，（L'a，L'b，L'。）表示具有共模電壓抑制能力的電壓矢量。
[0031] 所述的步驟e中對于齊次多電平逆變器，具有電壓抑制的電平大于2且為奇數(shù)。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明多電平脈寬調(diào)制方法通過簡單的兩電平空間電壓矢量調(diào) 制算法，計算出逆變器電壓矢量切換時間占空比，再對占空比進行矢量壓縮，建立起基于電 壓矢量和電平的映射關(guān)系，通過這一系列轉(zhuǎn)換能夠有效實現(xiàn)多電平電壓的轉(zhuǎn)換。通過電平 轉(zhuǎn)換，從而簡單快速地輸出具有共模電壓抑制能力的電壓矢量，通過選用特定的脈寬調(diào)制 輸出狀態(tài)避免了共模電壓的產(chǎn)生，這樣有效抑制了多電平逆變器的共模信號。本發(fā)明能夠 提高齊次多電平逆變器的安全和工作性能，另外，該方法建立在標(biāo)么系統(tǒng)下，具有較好的擴 展性和移植性，能夠方便的在基于數(shù)字信號處理器的硬件平臺中實現(xiàn)，同時能夠應(yīng)用于單 獨的多電平逆變器和基于開繞組交流電機的雙逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，實驗仿真結(jié)果表明，本發(fā) 明方法具有較強的可行性和有效性。
【附圖說明】
[0033] 圖1三電平電壓源型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2五電平電壓源型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3五電平電壓源型逆變器空間電壓矢量分布示意圖；
[0036] 圖4五電平電壓源型逆變器可抑制共模電壓的空間矢量分布示意圖；
[0037] 圖5(a)五電平電壓源型逆變器A相電壓仿真響應(yīng)結(jié)果圖；
[0038] 圖5(b)五電平電壓源型逆變器共模電壓仿真響應(yīng)結(jié)果圖；
[0039] 圖5(c)五電平電壓源型逆變器三相電流仿真響應(yīng)結(jié)果圖；
[0040] 圖5(d)五電平電壓源型逆變器共模電流仿真響應(yīng)結(jié)果圖；
[0041] 圖6本發(fā)明方法實現(xiàn)流程圖；
[0042] 圖7本發(fā)明方法實現(xiàn)原理框圖；
【具體實施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0044]參見圖1，2,對于奇數(shù)次多電平逆變器，例如三電平逆變器、五電平逆變器、七電平 逆變器等，如果采用傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制方法實現(xiàn)參考電壓矢量的合成，實現(xiàn)的算法較為 復(fù)雜，同時常規(guī)算法會導(dǎo)致逆變器輸出電壓包含著共模電壓分量，極大的影響了逆變器輸 出性能。本發(fā)明提出的一種可有效抑制共模電壓分量的脈寬調(diào)制技術(shù)，以傳統(tǒng)的五電平逆 變器拓撲結(jié)構(gòu)為例，逆變器由三個功率開關(guān)橋臂、直流母線供電電源和四個分壓電容構(gòu)成， 每個橋臂由八個功率開關(guān)組成和六個鉗位二極管組成。任意單相逆變器橋臂輸出電壓矢量 如下表：
[0045] 表1.五電平逆變器單相開關(guān)橋臂電壓矢量
[0046]
[0047] 根據(jù)表1，可以進一步推導(dǎo)得到五電平逆變器所能實現(xiàn)的電壓矢量在電壓矢量平 面的比較常見的一種矢量分布圖，如圖3所示。其中Lv為當(dāng)前電壓矢量在電壓矢量平面中 所處的層數(shù)。
[0048] 對于任意電平逆變器，共模電壓由下面公式計算得到：
[0049] VCM=Van+Vbn+Vcn (1)
[0050] 對于齊次多電平逆變器，所有電壓矢量計算得到的共模電壓取中間值時，這時所 合成的電壓矢量的范圍最寬。參見圖4,圖中的兩個等邊六邊形為不同層數(shù)下的具有共模電 壓抑制效果最大的兩組電壓矢量。在分布圖中，任意一個電壓矢量可以用（La，Lb，L。）來表 示，其中，La、Lb和L。分布代表五電平逆變器三相橋臂輸出的不同電平。例如（0,0,0)在圖 3和圖4中都表示位于圓點出的零電壓矢量，三個逆變器橋臂都分別輸出0電平電壓矢量， 具體定義如表1所示。為了獲得具有共模電壓抑制能力的電壓矢量（L'a，L'b，L'。)，本發(fā) 明僅僅通過常規(guī)的兩電平空間矢量調(diào)制輸出的脈寬調(diào)制信號進行簡單數(shù)學(xué)計算的空間矢 量調(diào)制算法。具體的計算方法如下：
[0051] 當(dāng)參考電壓順時針旋轉(zhuǎn)，
（2)
[0052]或
[0053] 當(dāng)參考電壓逆時針旋轉(zhuǎn)
[0054] 通過以上電平轉(zhuǎn)換，在齊次多電平逆變器脈寬調(diào)制算法中，利用常規(guī)的兩電平空 間矢量調(diào)制算法和以上電平轉(zhuǎn)換方法能夠簡單快速輸出具有共模電壓抑制能力的電壓矢 量。這種通過選用特定的脈寬調(diào)制輸出狀態(tài)就能夠不產(chǎn)生共模電壓，這樣能夠有效抑制多 電平逆變器的共模信號。該方法能夠提高齊次多電平逆變器安全性和工作性能。利用五電 平逆變器為例，參見圖5 (a)，圖5 (b)，圖5 (c)和圖5 (d)，控制系統(tǒng)在0.