CN104660077B - 三电平的调制方法 - Google Patents

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Abstract

一种三电平的调制方法，包括：在K、L坐标系下，确定参考电压矢量所在的扇区；在所述K、L坐标系下，基于伏秒平衡关系确定电压矢量和作用时间的电压时间关系，基于所述电压时间关系，求得所述基本电压矢量的作用时间，所述基本电压矢量由所述三电平变流器输出，所述电压矢量包括所述基本电压矢量和所述参考电压矢量；根据载波的一个载波周期内开关次数最少原则以及三电平的空间矢量脉冲宽度调制算法，求得调制波的零序分量；基于所述零序分量，确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比。本发明的技术方案可以简化三电平的调制过程。

Description

三电平的调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换器技术领域，特别涉及一种三电平的调制方法。
背景技术
与传统两电平逆变器相比，二极管钳位式三电平逆变器具有开关管所承受的电压应力小，输出电压谐波含量少等优点。在高压大功率领域，三电平变流器得到了广泛应用，拥有较好的发展前景。
电压型变流器的输出特性主要取决于调制算法。目前变流器的调制方法主要是脉冲宽度调制(PWM)，包含正弦脉冲宽度调制(SPWM)和空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)两种。较SPWM调制算法而言，SVPWM以其电压利用率高，输出电压谐波含量少等优点，在实际***中得到了更为广泛的应用。
传统SVPWM方法，基本电压矢量的作用时间的表达式中含有大量的三角函数和求根运算，不利于硬件实现。因此如何简化三电平的调制过程成为目前亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的技术方案解决的技术问题是简化三电平的调制过程。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案，一种三电平的调制方法，包括：
在K、L坐标系下，确定参考电压矢量所在的扇区；
在所述K、L坐标系下，基于伏秒平衡关系确定电压矢量和作用时间的电压时间关系，基于所述电压时间关系，求得所述基本电压矢量的作用时间，所述基本电压矢量由所述三电平变流器输出，所述电压矢量包括所述基本电压矢量和所述参考电压矢量；
根据载波的一个载波周期内开关次数最少原则以及三电平的空间矢量脉冲宽度调制算法，求得调制波的零序分量；
基于所述零序分量，确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比。
可选的，所述参考电压矢量为外部给定的电压矢量，所述零序电压分量是空间矢量脉冲宽度调制的马鞍波减去正弦脉冲宽度调制的正弦波而得，所述零序电压分量只含有3的倍数次谐波。
可选的，L轴为水平方向，K轴沿所述L轴逆时针旋转120°形成所述K、L坐标系。
可选的，所述在K、L坐标系下，确定参考电压矢量所在的扇区包括：通过所述参考电压矢量向所述K、L坐标系上的投影值确定所述参考电压矢量所在的扇区。
可选的，所述电压时间关系包括所述参考电压矢量的输入电压信号和所述参考电压矢量扇区的代码的线性组合，所述参考电压矢量的输入电压信号为外部给定的值。
可选的，所述根据载波的一个所述载波周期内开关次数最少原则以及三电平的空间矢量脉冲宽度调制算法包括：根据载波的一个载波周期内开关次数最少原则，对所述空间矢量脉冲宽度调制算法进行所述基本电压矢量的作用顺序的分配。
可选的，所述确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比包括：获得所述三电平的第一相，第二相和第三相在一个所述载波周期内预定高电平导通的时间，基于所述空间矢量脉冲宽度调制算法调制时的相似三角形关系，获得所述零序分量和基本电压矢量的占空比。
可选的，所述空间矢量脉冲宽度调制算法是在正弦脉冲宽度调制算法的正弦调制波信号上注入零序分量的结果。
可选的，所述空间矢量脉冲宽度调制算法由三角载波的正弦脉冲宽度调制算法等效实现。
可选的，基于所述空间矢量脉冲宽度调制算法和正弦脉冲宽度调制算法的等效关系获得所述调制波的零序分量，并确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比。
本发明采取以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：
只需对参考电压矢量的位置进行简单判断后，就可以由第一相，第二相和第三相给定的电压信号直接得出各个扇形区域的调制波和占空比的关系，调制波和占空比的关系为简单的线性关系，无需求解基本电压矢量的作用时间，从而避免了传统的正弦脉冲宽度调制算法中大量的三角函数和求根运算。与以往方法相比，本发明的技术方案能为处理器节约更多的资源，提高工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的三电平的调制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的三电平逆变器主电路拓扑结构图；
图3是本发明实施例提供的三电平电压空间矢量图；
图4是本发明实施例提供的扇区I中的矢量分布图；
图5是本发明实施例提供的三角载波与脉冲宽度调制波之间的关系示意图；
图6是本发明实施例提供的占空比随时间变化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1是本发明实施例提供的三电平的调制方法的流程图，下面结合图1详细说明。
所述三电平的调制方法包括：
步骤S1，在K、L坐标系下，确定参考电压矢量所在的扇区；
步骤S2，在所述K、L坐标系下，基于伏秒平衡关系确定电压矢量和作用时间的电压时间关系，基于所述电压时间关系，求得所述基本电压矢量的作用时间，所述基本电压矢量由所述三电平变流器输出，所述电压矢量包括所述基本电压矢量和所述参考电压矢量；
步骤S3，根据载波的一个载波周期内开关次数最少原则以及三电平的空间矢量脉冲宽度调制算法，求得调制波的零序分量；
步骤S4，基于所述零序分量，确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比。
所述步骤S1中，所述参考电压矢量为外部给定的电压矢量，所述零序电压分量是空间矢量脉冲宽度调制的马鞍波减去正弦脉冲宽度调制的正弦波而得，所述零序电压分量只含有3的倍数次谐波。L轴为水平方向，K轴沿所述L轴逆时针旋转120°形成所述K、L坐标系。所述K、L坐标系的角度为120°。所述在K、L坐标系下，确定参考电压矢量所在的扇区包括：通过所述参考电压矢量向所述K、L坐标系上的投影值确定所述参考电压矢量所在的扇区。
所述步骤S2中，所述电压时间关系包括所述参考电压矢量的输入电压信号和所述参考电压矢量扇区的代码的线性组合。所述参考电压矢量的输入电压信号为外部给定的值，其值是根据需要由用户给定的。
所述步骤S3中，所述根据载波的一个所述载波周期内开关次数最少原则以及三电平的空间矢量脉冲宽度调制算法包括：根据载波的一个载波周期内开关次数最少原则，对所述空间矢量脉冲宽度调制算法进行所述基本电压矢量的作用顺序的分配。
所述步骤S4中，所述确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比包括：获得所述三电平的第一相，第二相和第三相在一个所述载波周期内预定高电平导通的时间，基于所述空间矢量脉冲宽度调制算法调制时的相似三角形关系，获得所述零序分量和基本电压矢量的占空比。其中所述预定高电平在不同的情况下，取值不同。例如，在电压调制波(所述电压调制波是指变流器输出相电压的调制波。)正半周期，预定高电平是指开关状态p所对应的电平，该电平值为Udc/2，其中Udc为直流侧电压；而在电压调制波负半周期，预定高电平指开关状态o所对应的电平，该电平值为0。(开关状态p和开关状态o如图1所示)
所述空间矢量脉冲宽度调制算法是在正弦脉冲宽度调制算法的正弦调制波信号上注入零序分量的结果。所述空间矢量脉冲宽度调制算法由三角载波的正弦脉冲宽度调制算法等效实现。基于所述空间矢量脉冲宽度调制算法和正弦脉冲宽度调制算法的等效关系获得所述调制波的零序分量，并确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比。
如图1所示，以a相为例，当Sa1、Sa2.导通时，开关状态定义为p，即Sa＝1；当Sa2、Sa3导通时，开关状态定义为o，即Sa＝0；当Sa3、Sa4导通时，开关状态定义为n，即Sa＝-1。其他相的定义方法同理，即当Sb1、Sb2导通时，开关状态定义为p，即Sb＝1；当Sb2、Sb3导通时，开关状态定义为o，即Sb＝0；当Sb3、Sb4导通时，开关状态定义为n，即Sb＝-1；当Sc1、Sc2导通时，开关状态定义为p，即Sc＝1；当Sc2、Sc3导通时，开关状态定义为o，即Sc＝0；当Sc3、Sc4导通时，开关状态定义为n，即Sc＝-1。
定义三相开关状态S＝[Sa，Sb，Sc]T，基本电压矢量(基本电压矢量由所述三电平变流器输出，因此基本电压矢量也可以称为输出电压矢量，输出电压矢量就是基本电压矢量；参考电压矢量为给定的电压矢量，即图3中的Vref矢量。)定义为：
由组合关系，三相(相a、相b和相c)共有27个开关状态，其中零矢量(所述零矢量是指相a、相b和相c的开关状态相同，图3中零矢量位于中心的点)包含3个冗余开关状态(零矢量包含的3个冗余开关状态是指，同一个输出电压矢量的位置对应有多种相a、相b、相c三相开关状态组合关系，例如零矢量有三个冗余开关状态，即Sa＝1，Sb＝1，Sc＝1；Sa＝0，Sb＝0，Sc＝0和Sa＝-1，Sb＝-1，Sc＝-1，这三种状态都为零矢量，并且这三个矢量都位于六边形的中心。所以零矢量不是仅仅指Sa＝0，Sb＝0，Sc＝0的状态)，每个小矢量(所述小矢量是指相a、相b和相c的开关状态只能定义为p和o，或者只能定义为o和n，在图3中小矢量位于内六边形的六个顶点处，即矢量V10、V11、V01、V-10、V-1-1、V0-1)包含2个冗余开关状态(小矢量包含的两个冗余开关状态是指开关状态只能定义为p和o或者o和n)，如图3所示，27个开关状态实际只对应19个基本输出电压矢量。
如图3所示，将空间电压矢量区域分为6个小扇区，分别为扇区I，扇区II，扇区III，扇区IV，扇区V和扇区VI。根据不同基本电压矢量以及不同的作用顺序，又可将每个扇区进一步分为6个小三角形区域，如图4所示，6个小三角形区域包括：区域A(1)，区域A(2)，区域B(1)，区域B(2)，区域C和区域D，其中区域A(1)和区域A(2)统称区域A，区域B(1)和区域B(2)统称区域B。
如图4所示，nK，mL分别为基本电压矢量在K，L坐标系上的坐标值。定义：顶点由VmL，nK、VmL，nK+1和VmL+1，nK+1组成的三角形称为I型特征三角形；顶点由VmL，nK、VmL+1，nK和VmL+1，nK+1组成的三角形称为II型特征三角形。如图4中的C区域为II型特征三角形，B区域为I型特征三角形。
在120°的K、L坐标系下，参考电压矢量Vref可分解为：
在I型特征三角形内，由“伏秒平衡”关系可得：
在K、L坐标系下，结合式(1)-(3)，即可得到式(4)，同理可得式(5)。
直流侧电压为Udc，PWM开关周期为Ts。采用等幅值坐标变换，则离参考电压矢量最近的三个基本电压矢量的作用时间为：
在I型特征三角形内：
在II型特征三角形内：
以参考电压矢量落入B(2)区域为例，为降低开关损耗，基本电压矢量作用时间的分配情况如图5所示。V1、V2、V7分别为第一、第二和第三个作用的基本电压矢量。定义：t1on、t2on、t3on分别为第一、第二和第三个基本电压矢量的作用时间。在B(2)区域有：
定义三个中间变量：
其中k为保证直流侧电容C1、C2平衡而引入的平衡因子，0≤k≤1。
定义占空比为：在电压调制波正半周期，占空比为开关状态1的作用时间占整个Ts的比值；而在电压调制波的负半周期，占空比则定义为开关状态0的作用时间占整个Ts的比值。如图5所示，可得B(2)区域三相电压占空比为：
其中ta、tb、tc分别为相a、相b、相c三相在载波的一个载波周期内预定高电平导通的时间，如图5所示，在电压调制波正半周期，预定高电平是指开关状态p所对应的电平，该电平值为Udc/2，其中Udc为直流侧电压；而在电压调制波负半周期，预定高电平指开关状态o所对应的电平，该电平值为0。
在B(2)区域，由占空比公式和图5中的相似三角形关系可得三相调制波的表达式为：
SVPWM实质上是在SPWM的正弦调制波信号上注入零序分量的结果，即SVPWM可由典型的三角载波SPWM等效实现。令SPWM调制波信号为三相依次互差120°的正弦波Ua、Ub、Uc，则三电平SVPWM调制波为Ua、Ub、Uc加入零序分量Uz的结果。则可以得到：
式(9)中Ua、Ub、Uc分别为a、b、c三相正弦信号给定；Uab、Ubc、Uca分别为给定相电压所对应的线电压；Uz为所叠加的零序分量。结合式(4)-(10)可以推导出B(2)区域Uz的表达式为：
Uz＝1.5k×Udc-2Uca-3k×Ubc-Uab-1.5Udc (11)
同理可得其他区域Uz的表达式。扇区I、扇区II、扇区III、扇区IV、扇区V和扇区VI中Uz的表达式见表1、表2、表3、表4、表5和表6。
表1 扇区I中Uz的表达式
表2 扇区II中Uz的表达式
表3 扇区III中Uz的表达式
表4 扇区IV中Uz的表达式
表5 扇区V中Uz的表达式
表6 扇区VI中Uz的表达式
由零序分量Uz的表达式可以进一步求得各相调制波的表达式，进而推导出占空比Dx(x＝a、b、c)和时间的关系表达式。在B(2)区域，由式(9)-(11)可以推导出Dx关于时间t的表达式为：
其他区域的计算同理。扇区I、扇区II、扇区III、扇区IV、扇区V和扇区VI中Da的表达式见表7、表8、表9、表10、表11和表12。
表7 扇区I中Da的表达式
表8 扇区II中Da的表达式
表9 扇区III中Da的表达式
表10 扇区IV中Da的表达式
表11 扇区V中Da的表达式
表12 扇区VI中Da的表达式
由表1中占空比Da的计算公式可知，占空比的表达式为输入信号的线性组合。与传统三电平SVPWM算法含有大量三角函数和求根运算相比，本文所提算法可缩短计算时间，为处理器留出更多的资源。由Da的表达式可得到Da随时间t的变化曲线如图6所示。
图6为Da随时间t和系数k的变化趋势。分析图6可知，随着k值的增加，在每个调制波周期内对应时刻，占空比D也增大。只有当k＝0.5时，占空比D在一个周期内关于点(r+T/2，0)对称，其中r为占空比D在每个周期的起始时刻。
传统SVPWM方法，基本电压矢量作用时间的表达式中含有大量的三角函数和求根运算，不利于硬件实现。本发明的技术方案，在120°的K、L坐标系可以在很大程度上解决这一问题，基于120°坐标系下各个扇区三个基本矢量作用时间的计算方法，由推导结果可知，基于120°坐标系，可大大简化基本矢量作用时间的计算。
为进一步简化调制波的计算，在两电平SPWM各相调制波中加入特定的零序分量可以得到和SVPWM完全相同的调制波，从而可以在一定程度上简化调制波的计算。三电平SVPWM也可以通过在SPWM各相调制波中加入特定的零序分量实现。本发明的技术方案借助120°坐标系同样也证明了三电平SVPWM可以通过在SPWM各相调制波中加入特定的零序分量实现。并且在此基础上，推导了各相调制波和占空比的表达式。
本发明的技术方案具有以下优势：
只需对参考电压矢量的位置进行简单判断后，就可以由第一相，第二相和第三相给定的电压信号直接得出各个扇形区域的调制波和占空比的关系，调制波和占空比的关系为简单的线性关系，无需求解基本电压矢量的作用时间，从而避免了传统的正弦脉冲宽度调制算法中大量的三角函数和求根运算。与以往方法相比，本发明的技术方案能为处理器节约更多的资源，提高工作效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三电平的调制方法，其特征在于，包括：
在K、L坐标系下，确定参考电压矢量所在的扇区；
在所述K、L坐标系下，基于伏秒平衡关系确定电压矢量和作用时间的电压时间关系，基于所述电压时间关系，求得基本电压矢量的作用时间，所述基本电压矢量由所述三电平变流器输出，所述电压矢量包括所述基本电压矢量和所述参考电压矢量；
根据载波的一个载波周期内开关次数最少原则以及三电平的空间矢量脉冲宽度调制算法，求得调制波的零序分量；
基于所述零序分量，确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比；
所述参考电压矢量为外部给定的电压矢量，所述零序分量是空间矢量脉冲宽度调制的马鞍波减去正弦脉冲宽度调制的正弦波而得，所述零序分量只含有3的倍数次谐波。
2.如权利要求1所述的三电平的调制方法，其特征在于，L轴为水平方向，K轴沿所述L轴逆时针旋转120°形成所述K、L坐标系。
3.如权利要求1所述的三电平的调制方法，其特征在于，所述在K、L坐标系下，确定参考电压矢量所在的扇区包括：通过所述参考电压矢量向所述K、L坐标系上的投影值确定所述参考电压矢量所在的扇区。
4.如权利要求1所述的三电平的调制方法，其特征在于，所述电压时间关系包括所述参考电压矢量的输入电压信号和所述参考电压矢量扇区的代码的线性组合，所述参考电压矢量的输入电压信号为外部给定的值。
5.如权利要求1所述的三电平的调制方法，其特征在于，所述根据载波的一个所述载波周期内开关次数最少原则以及三电平的空间矢量脉冲宽度调制算法包括：根据载波的一个载波周期内开关次数最少原则，对所述空间矢量脉冲宽度调制算法进行所述基本电压矢量的作用顺序的分配。
6.如权利要求1所述的三电平的调制方法，其特征在于，所述确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比包括：获得所述三电平的第一相，第二相和第三相在一个所述载波周期内预定高电平导通的时间，基于所述空间矢量脉冲宽度调制算法调制时的相似三角形关系，获得所述零序分量和基本电压矢量的占空比。
7.如权利要求6所述的三电平的调制方法，其特征在于，所述空间矢量脉冲宽度调制算法是在正弦脉冲宽度调制算法的正弦调制波信号上注入零序分量的结果。
8.如权利要求7所述的三电平的调制方法，其特征在于，所述空间矢量脉冲宽度调制算法由三角载波的正弦脉冲宽度调制算法等效实现。
9.如权利要求8所述的三电平的调制方法，其特征在于，基于所述空间矢量脉冲宽度调制算法和正弦脉冲宽度调制算法的等效关系获得所述调制波的零序分量，并确定所述空间矢量脉冲宽度调制算法的调制波和基本电压矢量的占空比。
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