CN104135179B - 一种多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法，所述调制方法通过给定的三相电压判断空间矢量在复平面所处的区域，空间矢量在复平面上不同的区域时选用不同的坐标系，确定用来合成空间矢量的基本矢量以及基本矢量的作用时间，基本矢量对应的三相电压型多电平逆变器的输出状态。相比传统的调制方法，本发明可以通过简单的运算确定某个基本矢量所对应的全部开关状态，更容易计算基本矢量的作用时间，避免了大量三角函数以及反三角函数运算，减少了坐标变换的运算量，更加利于数字实现。
Description
技术领域
本发明涉及三电平以及三电平以上的三相电压型多电平逆变器调制方法，具体涉及一种三相电压型多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法。
背景技术
空间电压矢量脉冲宽度调制将逆变器和电机视为一体，从三相电压的整体输出效果出发，将三相逆变器的输出电压在复平面上合成空间电压矢量，通过不同的基本矢量组合去逼近制定的空间电压矢量，使得输出的电压波形尽可能地接近理想的正弦波形。
目前，国内外的研究者针对空间矢量脉冲宽度调制的基本原理提出了不同的调制方法，常用的有(1)直角坐标系调制方法；(2)60°坐标系调制方法。
直角坐标系调制方法将空间矢量和基本矢量在两相直角坐标系下表示，进而计算用以等效空间矢量的基本矢量以及基本矢量的作用时间，确定三相电压型多电平逆变器的输出状态，此种方法将平面分成6个区域分别讨论，同时涉及较多的坐标变换和较多的三角函数和反三角函数运算，计算量较大。
60°坐标系调制方法将空间矢量和基本矢量在60°坐标系下表示，进而计算用以等效空间矢量的基本矢量以及基本矢量的作用时间，确定三相电压型多电平逆变器的输出状态，此种调制方法同样需要将平面分成6个区域分别讨论，相比直角坐标系调制方法简化了计算，但是依然需要进行三角函数和反三角函数运算、坐标变换。
发明内容
本发明针对现存调制方法存在的不足，提出了一种多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法，该调制方法将平面分成三个区域，使三个区域的算法得到了统一，避免了复杂的三角函数计算，减少了坐标变换,，从而减少计算量，更加有利于编程实现。
本发明通过下述调制方法实现上述目标。
一种多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法，通过给定a、b、c三相电压ua＝Umsinωt，ub＝Umsin(ωt+120°)，uc＝Umsin(ωt-120°)，Um表示幅值，ω表示角速度，由a、b、c三相电压在复平面确定三个电压矢量 由三个电压矢量按照矢量合成法则合成空间矢量根据三相电压瞬时值判断空间矢量在复平面所处的区域，空间矢量在复平面上不同的区域时选用不同的坐标系，确定用来合成空间矢量的基本矢量以及基本矢量的作用时间，通过基本矢量的坐标确定基本矢量对应的三相电压型多电平逆变器的输出状态
进一步的，所多电平逆变器是指三相电压型多电平逆变器，包括三电平及三电平以上的三相电压型多电平逆变器；对于三相电压型多电平逆变器的每一相，若每相可以输出N个电平，则按照从小到大的顺序将N个电平依次记为状态0至状态N-1，N为大于等于3的正整数。
进一步的，基本矢量是指三相电压型多电平逆变器三相的输出电压Va、Vb、Vc在复平面上确定三个电压矢量对于三相电压型N电平逆变器，N为大于等于3的正整数，每相对应的电压矢量幅值有N种取值，按照矢量合成的原则得到不同大小和位置的矢量称为基本矢量。
进一步的，所述根据三相电压瞬时值判断空间矢量在复平面所处的区域是指：当uc数值最小时，判定空间矢量位于复平面上逆时针顺序0°-120°区域内；当ua数值最小时，判定空间矢量位于复平面上逆时针顺序120°-240°区域内；当ub数值最小时，判定空间矢量位于平面上逆时针顺序240°-360°范围内。
进一步的，空间矢量在复平面上不同的区域时选用不同的坐标系进行调制是指当空间矢量位于复平面上逆时针顺序0°-120°区域内，坐标系的第一个轴线即F轴为水平的直线，正方向向右，坐标系的第二个轴线即S轴由第一个轴线逆时针旋转120°得到；当空间矢量位于复平面上逆时针顺序120°-240°区域时，坐标系逆时针旋转120°；当空间矢量位于复平面上逆时针顺序240°-360°区域时，坐标系逆时针旋转240°。
进一步的，所述确定用来合成空间矢量的基本矢量是指通过空间矢量在两相坐标系下的坐标确定合成空间矢量的基本矢量，若空间矢量在两相坐标系下的坐标值为(f，s)，f和s向下取整后得到[f]和[s]，[]为向下取整符号，当f-[f]≥s-[s]时，用于合成空间矢量的三个基本矢量坐标为([f]，[s])、([f]+1，[s])以及([f]+1，[s]+1)，当f-[f]＜s-[s]时，用于合成空间矢量的三个基本矢量坐标为([f]，[s])、([f]，[s]+1)以及([f]+1，[s]+1)。
一种多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法，所述基本矢量的作用时间是指若空间矢量的坐标为(f，s),选用的基本矢量为([f]，[s])、([f]+1，[s])、([f]+1，[s]+1)时，则三个基本矢量的作用时间依次为([f]-f+1)、([s]-s-[f]+f)、(s-[s])；选用的基本矢量坐标为([f]，[s])、([f]，[s]+1)、([f]+1，[s]+1)时，则三个基本矢量的作用时间依次为([s]-s+1)、([f]-f+s-[s])、(f-[f])。
进一步的，所述通过基本矢量的坐标确定基本矢量对应的三相电压型多电平逆变器的输出状态是指，对于一个三相电压型N电平逆变器，N为大于等于3的正整数，其三相分别为U相、V相、W相，若某个基本矢量在两相坐标系下的坐标为(x，y)，当空间矢量在复平面上逆时针顺序0°-120°区域内，基本矢量对应的三相电压型逆变器输出状态为(x+i，y+i，i)，其中i为自然数，且0≤x+i≤N-1，0≤y+i≤N-1，0≤i≤N-1；当空间矢量在复平面上120°-240°区域内，输出状态的三项分别对应三相电压型逆变器的V、W、U相；当空间矢量在复平面上逆时针顺序240°-360°区域内，输出状态的三项分别对应三相电压型逆变器的W、U、V相。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明更加容易确定空间矢量在平面上所处的区域，可以通过简单的运算确定某个基本矢量所对应的开关状态，进而计算基本矢量的作用时间，避免了大量三角函数以及反三角函数运算，减少了坐标变换的运算量。
附图说明
图1是中点钳位式三电平逆变器电路图。
图2是三电平空间矢量图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，但本发明适用于三电平以及三电平以上的三相电压型逆变器。需指出的是，以下若有未特别详细说明的符号或过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
图1是中点钳位式三电平逆变器电路图，直流侧为一个直流电压为E的直流电压源，电压源并联两个分压电容，第一分压电容C1和第二分压电容C2。中点钳位式三电平逆变器的U相由第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4组成，第一钳位二极管D1的阳极接在第一分压电容C1和第二分压电容C2中间，第一钳位二极管D1阴极接在第一开关管S1和第二开关管S2之间，第二钳位二极管D2的阳极接在第三开关管S3和第四开关管S4之间，第二钳位二极管D2的阴极接在第一分压电容C1和第二分压电容C2中间，第一开关管S1、第二开关管S2闭合，第三开关管S3、第四开关管S4断开时，U相输出电压E/2，记为状态2；第二开关管S2、第三开关管S3闭合，第一开关管S1、第四开关管S4断开时，U相输出电压0，记为状态1；第三开关管S3和第四开关管S4闭合，第一开关管S1和第二开关管S2断开，U相输出电压-E/2，记为状态0。中点钳位式三电平逆变器的V相由第三钳位二极管D3和第四钳位二极管D4、第五开开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7和第八开关管S8组成，第三钳位二极管D3的阳极接在第一分压电容C1和第二分压电容C2中间，第三钳位二极管D3的阴极接在第五开关管S5和第六开关管S6之间，第四钳位二极管D4的阳极接在第七开关管S7和第八开关管S8之间，第四钳位二极管的阴极接在第一分压电容C1和第二前为电容C2中间，第五开关管S5、第六开关管S6闭合，第七开关管S7、第八开关管S8断开时，V相输出电压E/2，记为状态2；第六开关管S6、第七开关管S7闭合，第五开关管S5、第八开关管S8断开时，V相输出电压0，记为状态1；第七开关管S7和第八S8闭合，第五开关管S5和第六开关管S6断开时，V相输出电压-E/2，记为状态0.中点钳位式三电平逆变器的W相由第五钳位二极管D5、第六钳位二极管D6、第九开关管S9、第十开关管S10、第十一开关管S11和第十二开关管S12组成，第五钳位二极管D5的阳极接在第一分压电容C1和第二分压电容C2中间，第五钳位二极管D5的阴极接在第九开关管S9和第十开关管S10之间，第六钳位二极管D6的阳极接在第十一开关管S11和第十二开关管S12之间，第六钳位二极管D6的阴极接在电容C1和C2中间，第九开关管S9、第十开关管S10闭合，第十一开关管S11、第十二开关管S12断开时，W相输出电压E/2，记为状态2；第十开关管S10、第十一开关管S11闭合，第九开关管S9、第十二开关管S12断开时，W相输出电压0，记为状态1；第十一开关管S11和第十二开关管S12闭合，第九开关管S9和第十开关管S10断开时，W相输出电压-E/2，记为状态0.
图2为三电平空间矢量图，空间矢量图中200、210、220、120、020、021、022、012、002、102、202、201、100、211、110、221、010、121、011、122、001、112、101、212、000、111、222均表示三相电压型三电平逆变器的输出状态，当不同的输出状态在同一个位置时，表示合成的基本矢量相同，输出状态的第1、2、3个数字分别对应三相电压型逆变器U、V、W相的输出。
若给定a、b、c三相电压的瞬时值为分别为ua＝1.5sinωt，ub＝1.5sin(ωt+120°)，uc＝1.5sin(ωt-120°)，在某一采样时刻采样值分别为1.06065、0.3882、-1.44885。由于c相电压瞬时值最小，空间矢量位于复平面上逆时针顺序0°-120°区域内，坐标系的第一个轴线为水平直线，正方向向右，第二个坐标轴由第一个坐标轴逆时针旋转120°得到。
空间矢量在两相坐标系下的坐标为(0.7071-(-0.9659),0.2588-(-0.9659))＝(1.673,1.2247)，1.673向下取整后为1，1.2247向下取整后为1，且1.673-1＞1.2247-1，所以用于合成空间矢量的基本矢量坐标为(1,1)、(2,1)、(2，2)。若采样周期为T，则基本矢量(1,1)、(2,1)、(2，2)作用的时间分别为0.327T、0.4483T、0.2247T。基本矢量(1,1)对应的逆变器输出状态为(1,1,0)和(2,2,1)，基本矢量(2,1)对应的逆变器输出状态为(2,1,0)，基本矢量(2，2)对应的逆变器输出状态为(2,2,0)。
Claims (2)
1.一种多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法，其特征在于，通过给定a、b、c三相电压ua＝Umsinωt，ub＝Umsin(ωt+120°)，uc＝Umsin(ωt-120°)，Um表示幅值，ω表示角速度，由a、b、c三相电压在复平面确定三个电压矢量 由三个电压矢量按照矢量合成法则合成空间矢量根据三相电压瞬时值判断空间矢量在复平面所处的区域，空间矢量在复平面上不同的区域时选用不同的坐标系，确定用来合成空间矢量的基本矢量以及基本矢量的作用时间，通过基本矢量的坐标确定基本矢量对应的三相电压型多电平逆变器的输出状态；
所述基本矢量是指三相电压型多电平逆变器三相的输出电压Va、Vb、Vc在复平面上确定的三个电压矢量对于三相电压型N电平逆变器，N为大于等于3的正整数，每相对应的电压矢量幅值有N种取值，按照矢量合成的原则三相电压矢量在复平面上合成不同大小和位置的基本矢量；所述根据三相电压瞬时值判断空间矢量在复平面所处的区域是指：当uc数值最小时，判定空间矢量位于复平面上逆时针顺序0°‐120°区域内；当ua数值最小时，判定空间矢量位于复平面上逆时针顺序120°‐240°区域内；当ub数值最小时，判定空间矢量位于平面上逆时针顺序240°‐360°范围内；所述多电平逆变器是指三相电压型多电平逆变器，包括三电平及三电平以上的三相电压型多电平逆变器；对于三相电压型多电平逆变器的每一相，若每相可以输出N个电平，则按照从小到大的顺序将N个电平依次记为状态0至状态N-1，N为大于等于3的正整数；
所述空间矢量在复平面上不同的区域时选用不同的坐标系进行调制是指当空间矢量位于复平面上逆时针顺序0°‐120°区域内，坐标系的第一个轴线即F轴为水平的直线，正方向向右，坐标系的第二个轴线即S轴由第一个轴线逆时针旋转120°得到；当空间矢量位于复平面上逆时针顺序120°‐240°区域时，坐标系逆时针旋转120°；当空间矢量位于复平面上逆时针顺序240°‐360°区域时，坐标系逆时针旋转240°；
所述确定用来合成空间矢量的基本矢量是指通过空间矢量在两相坐标系下的坐标确定合成空间矢量的基本矢量，若空间矢量在两相坐标系下的坐标值为(f，s)，f和s向下取整后得到[f]和[s]，[]为向下取整符号，当f‐[f]≥s‐[s]时，用于合成空间矢量的三个基本矢量坐标为([f]，[s])、([f]+1，[s])以及([f]+1，[s]+1)，当f‐[f]＜s‐[s]时，用于合成空间矢量的三个基本矢量坐标为([f]，[s])、([f]，[s]+1)以及([f]+1，[s]+1)；
所述基本矢量的作用时间是指若空间矢量的坐标为(f，s),选用的基本矢量为([f]，[s])、([f]+1，[s])、([f]+1，[s]+1)时，则三个基本矢量的作用时间依次为([f]-f+1)、([s]-s-[f]+f)、(s-[s])；选用的基本矢量坐标为([f],[s])、([f],[s]+1)、([f]+1,[s]+1)时，则三个基本矢量的作用时间依次为([s]-s+1)、([f]-f+s-[s])、(f-[f])。
2.根据权利要求1所述的一种多电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述通过基本矢量的坐标确定基本矢量对应的三相电压型多电平逆变器的输出状态是指，对于一个三相电压型N电平逆变器，N为大于等于3的正整数，其三相分别为U相、V相、W相，若某个基本矢量在两相坐标系下的坐标为(x，y)，当空间矢量在复平面上逆时针顺序0°-120°区域内，基本矢量对应的三相电压型逆变器输出状态为(x+i，y+i，i)，其中i为自然数，且0≤x+i≤N-1，0≤y+i≤N-1，0≤i≤N-1；当空间矢量在复平面上120°-240°区域内，输出状态的三项分别对应三相电压型逆变器的V、W、U相；当空间矢量在复平面上逆时针顺序240°-360°区域内，输出状态的三项分别对应三相电压型逆变器的W、U、V相。
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