CN107508477B - 基于多模态切换的三相三电平pwm整流器控制方法 - Google Patents

基于多模态切换的三相三电平pwm整流器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模态切换的三相三电平PWM整流器控制方法，所述方法通过十八个工作模态在六个不同工作扇区内不同的组合控制实现，具体包括以下步骤：1)确定三相三电平PWM整流器输入参考电压矢量所在大扇区N；2)确定参考电压矢量所在小三角形区域n，得到与所在扇区对应、合成电压矢量的三个工作模态；3)确定三个工作模态的工作时间；4)根据工作时间生成三个工作模态的切换序列；5)根据切换序列控制三个工作模态合成电压矢量，输出直流电压。本发明的控制方法在输出同样的直流电压情况下，与SVPWM控制策略相比，电路模态数量减少1/3，功率开关管开关次数减少2/3，从而有效降低三相三电平PWM整流器的开关损耗。

Description

基于多模态切换的三相三电平PWM整流器控制方法
技术领域
本发明涉及PWM整流器控制技术领域，属于电能转换应用领域。
背景技术
三相整流器作为工业应用中不可或缺的电力电子设备，广泛应用到电力、电子、通信、 交通运输、医疗卫生等现代国民经济的各个生产部门及人民的日常生活。然而，随着三相整 流器功率的增大，以及功率开关管的开关频率的提高，脉宽调制周期内开关管的切换次数随 着开关频率的提高而增加，使得功率开关管的开关损耗越来越大，已成为制约高功率密度整 流器发展的一个关键问题。
目前，常用的三相三电平整流器控制策略是SVPWM(全称为Space Vector PulseWidth Modulation，即空间矢量脉宽调制)，它与传统的正弦PWM(全称为Pulse WidthModulation， 即脉冲宽度调制)策略相比，输出电流波形的谐波分量小，电压应力低，且直流母线电压的 利用率较高，更易于数字化控制。
三相三电平整流器共有27种开关状态，根据三个桥臂开关的不同组合，整流器共输出二 十七个基本电压矢量，包括六个大矢量、六个中矢量、十二个小矢量和两个零矢量。将空间 电压矢量图分为六个60°的扇区，由此得到各空间矢量在坐标系中的矢量图如图1所示。三 相整流器SVPWM控制策略是从数学角度出发，三相变换器的各相电压定义在互差120°的平 面坐标系上，并将三相输入电压Ua、Ub、Uc转换到复平面上合成空间矢量Uref。其中，
Figure BDA0001336556760000011
通过确定参考电压矢量Uref所在扇区，采用最近三角矢量的合 成法则确定输出矢量，计算各个矢量作用的时间，根据作用时间得到SVPWM开关序列。
三相三电平PWM整流器控制策略SVPWM使用27种开关状态拟合参考电压矢量，缺点是脉 宽调制周期内开关管的切换次数多导致其开关损耗大。三相整流电路的效率主要取决于开关 管特性、开关频率、电路结构以及控制策略。在特定开关频率下，若开关管特性以及电路结 构已经确定，其效率将由控制策略直接影响。因此，对SVPWM开关序列的进一步精简就显得 非常有意义。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，通过精简开关序列来解决这一缺陷， 在传统SVPWM控制策略调制下的开关线性***模型的基础上，对其进行***能控性的分析， 根据提出的最少模态可控性的概念，提出一种可以有效降低三相整流器开关频率与损耗的基 于十八模态切换的三相三电平PWM整流器控制方法。
基于多模态切换的三相三电平PWM整流器的控制方法，所述方法通过十八个工作模态在六 个不同工作扇区内不同的组合控制实现，包括以下步骤：
A.确定三相三电平PWM整流器需输入的参考电压矢量所在大扇区N；
B.确定参考电压矢量所在小三角形区域n，得到与所在扇区对应、合成电压矢量的三个工作模态；
C.确定三个工作模态的工作时间；
D.根据工作时间生成三个工作模态的切换序列；
E.根据切换序列控制三个工作模态合成电压矢量，使其按圆形轨迹输出三相PWM整 流器的直流电压。
本发明主要从***能控性出发，在保证***状态可控的情况下，将三相三电平PWM整流电 路的工作模态从27个减少到18个工作模态，精简了开关序列，降低了开关次数，从而减少开 关损耗。三相整流电路的效率主要取决于开关管特性、开关频率、电路结构以及控制策略。 大部分三相三电平PWM整流器效率研究都集中于开关器件的优化选取和电路拓扑的改善，而本 发明在特定开关频率下、开关管特性以及电路结构的情况下，从控制策略的角度提高三相三 电平PWM整流器的效率。
附图说明
图1是本发明中空间矢量在坐标轴的分布；
图2是本发明运用到的十八个工作模态；
图3是本发明的工作区间划分；
图4是本发明的第一扇区；
图5a是本发明中第一扇区的工作模态U01(100)；
图5b是本发明中第一扇区的工作模态U02(00-1)；
图5c是本发明中第一扇区的工作模态U12(10-1)；
图5d是本发明中第一扇区的工作模态U1(1-1-1)；
图5e是本发明中第一扇区的工作模态U2(11-1)；
图6是本发明的小三角形区域判断；
图7a是本发明第一扇区的小三角形区域N1(N2)的开关序列(18PWM)；
图7b是本发明第一扇区的小三角形区域N3(N4)的开关序列(18PWM)；
图7c是本发明第一扇区的小三角形区域N5的开关序列(18PWM)；
图7d是本发明第一扇区的小三角形区域N6的开关序列(18PWM)。
具体实施方式
步骤A具体如下：
如图2所示为十八个工作模态的空间分布情况，所述六个工作扇区在静止坐标α-β两相坐 标轴上，以α轴为起点逆时针方向划分为：第一扇区，0～60度；第二扇区，60～120度；第 三扇区，120～180度，第四扇区，180～240度；第五扇区，240～300度；第六扇区，240～360 度。其工作区间分布对应于图3所示。设三相整流器电压矢量Uref，给定Uref幅值和相角， 在静止坐标α-β两相坐标轴上，Uref在其上的分量用Uα和Uβ来表示，其所在扇区由以下式(1)确定：
Figure BDA0001336556760000031
若X＞0，则m＝1，否则m＝0；若Y＞0，则n＝1，否则n＝0；若Z＞0，则p＝1，否则p＝0。令S＝m+2n+4p，则当S＝3时，电压矢量位于第一扇区N1；当S＝1时，电压矢量位于第二 扇区N2；当S＝5时，电压矢量位于第三扇区N3；当S＝4时，电压矢量位于第四扇区N4；当 S＝6时，电压矢量位于第五扇区N5；当S＝2时，电压矢量位于第六扇区N6；
步骤B具体如下：
图2所示的第二至第六个扇区均可以通过旋转一定的角度到达第一扇区的位置。因此只需 着重分析第一扇区，其他扇区可以以此类推。由图3可知，在扇区N1时，ua＞0,ub＜0,uc＜0， 因此电流方向为A相电流为正、B相电流和C相电流均为负。
如图4为第一扇区所包含的工作模态的分布情况。
如图5a～5e所示，第一扇区的工作模态分别为：工作模态U01(100)，开关管Qb2和Qc2导通， 开关管Qa1、Qa2、Qb1和Qc1截止；工作模态U12(10-1)，开关管Qb2导通，开关管Qa1、Qa2、 Qb1、Qc1和Qc2截止；工作模态U02(00-1)，开关管Qa1和Qb2导通，开关管Qa2、Qb1、Qc1和Qc2截止；工作模态U1(1-1-1)，开关管Qa1、Qa2、Qb1、Qb2、Qc1和Qc2全部截止；工作模 态U2(11-1)，开关管Qa1、Qa2、Qb1、Qb2、Qc1和Qc2全部截止。
以第一扇区N1为例，如图6所示，线段1、2、3和正好将1，2，3，4，5，6这六个小三 角形分割开，因此这三条线段可以成为小三角形区域n的判断依据，其判据如下：
判据一：
Figure BDA0001336556760000041
判据二：
Figure BDA0001336556760000042
判据三：
Figure BDA0001336556760000043
判据四：
Figure BDA0001336556760000044
若判据二为真且判据四为真，则n＝1，由工作模态U100、U00-1和U000合成；若判据二为真且判 据四为假，则n＝2，由工作模态U100、U00-1和U000合成；若判据二为假且判据三为真，则n＝5， 由工作模态U10-1、U00-1和U11-1合成；若判据一为真且判据三为假，则n＝6，由工作模态U100、 U10-1和U1-1-1合成；若判据二为假且判据三为假和判据一为真，则n＝3，由工作模态U100、U00-1和U10-1合成；否则若判据二为假且判据三为假和判据一为假，则n＝4，由工作模态U100、U00-1和U10-1合成。
同理，其它五个大区域内小三角形区域的判断也是如此，其判据如下表1所示。
表1
Figure BDA0001336556760000045
Figure BDA0001336556760000051
步骤C具体如下：
以第一扇区N1为例：
a)若电压矢量Uref位于小三角区域n1或n2，由工作模态U100、U00-1和U000合成，则UrefTs＝U100T100+U00-1T00-1+U000T000，其中T100是工作模态U100的工作时间，T00-1是工作模态U00-1的工作时间，T000是工作模态U000的工作时间,且有Ts＝T100+T00-1+T000.设Uref与α轴的夹角 为θ，三相整流器直流母线电压为Udc，则有：
Figure BDA0001336556760000061
由式(2)确定工作模态U100、U00-1以及U000的时间如下：
Figure BDA0001336556760000062
b)若电压矢量Uref位于小三角区域n3或n4，由工作模态U100、U10-1和U00-1合成，则UrefTs＝U100T100+U00-1T00-1+U10-1T10-1，其中T100是工作模态U100的工作时间，T00-1是工作模态U00-1的工作时间，T10-1是工作模态U10-1的工作时间,且有Ts＝T100+T00-1+T10-1.设Uref与α轴的夹角 为θ，三相整流器直流母线电压为Udc，则有：
Figure BDA0001336556760000063
由式(4)确定工作模态U100、U10-1以及U00-1的时间如下：
Figure BDA0001336556760000064
c)若电压矢量Uref位于小三角区域n5，由工作模态U00-1、U10-1和U11-1合成，则UrefTs＝U00-1T00-1+U10-1T10-1+U11-1T11-1，其中T11-1是工作模态U11-1的工作时间，T00-1是工作模态U00-1的工作时间，T10-1是工作模态U10-1的工作时间,且有Ts＝T11-1+T00-1+T10-1.设Uref与α轴的夹角为θ，三相整流器直流母线电压为Udc，则有：
Figure BDA0001336556760000071
由式(6)确定工作模态U11-1、U10-1以及U00-1的时间如下：
Figure BDA0001336556760000072
d)若电压矢量Uref位于小三角区域n6，由工作模态U100、U10-1和U1-1-1合成，则 UrefTs＝U100T100+U10-1T10-1+U1-1-1T1-1-1，其中T1-1-1是工作模态U1-1-1的工作时间，T100是工作 模态U100的工作时间，T10-1是工作模态U10-1的工作时间,且有Ts＝T1-1-1+T100+T10-1.设Uref与α 轴的夹角为θ，三相整流器直流母线电压为Udc，则有：
Figure BDA0001336556760000074
由式(8)确定工作模态U1-1-1、U10-1以及U100的时间如下：
Figure BDA0001336556760000075
步骤D具体如下：
以第一扇区N1为例：
1)若电压矢量Uref位于小三角区域n1或n2时，生成切换序列如图7a所示，当前周期开始时工作模态U100处于工作状态，让工作模态U100持续工作T100/2时间到达图7a中所示a点，然后切换至零矢量，零矢量持续T000/2时间到达图7a中所示b点，然后切换至工作模态U00-1，工作模态U00-1工作T00-1时间后结束，即图7a中所示c点，切换至零矢量直至T000/2时 间结束，即图7a中所示d点，最后切换至工作模态U100并工作至周期结束；如图7a下方的A、 B、C三相桥臂控制所示，A相桥臂的S1处，从1变0，即开关管Qa1开通；C相桥臂的S2处， 从0变-1，即开关管Qc2关断；B相桥臂一直保持不变的状态0；可见在一个周期的三相桥臂 控制中，前半周期A相桥臂的开关管Qa1开通一次，C相桥臂的开关管Qc2关断一次；后半 周期A相桥臂的开关管Qa1关断一次，C相桥臂的开关管Qc2开通一次，即开关共4次。
2)若电压矢量Uref位于小三角区域n3或n4时，生成切换序列如图7b所示，当前周期开始时工作模态U100处于工作状态，让工作模态U100持续工作T100/2时间到达图7b中所示a点，然后切换至工作模态U10-1，工作模态U10-1持续T10-1/2时间到达图7b中所示b点，然后切换至工作模态U00-1，工作模态U00-1工作T00-1时间后结束，即图7b中所示c点，然后切换至工作模态U10-1，工作模态U10-1持续T10-1/2时间结束，即图7b中所示d点，最后切换至工作模态U100并工作至周期结束；如图7b下方的A、B、C三相桥臂控制所示，A相桥臂的S1处，从1 变0，即开关管Qa1开通；C相桥臂的S2处，从0变-1，即开关管Qc2关断；B相桥臂一直 保持不变的状态0；可见在一个周期的三相桥臂控制中，前半周期A相桥臂的开关管Qa1开 通一次，C相桥臂的开关管Qc2关断一次；后半周期A相桥臂的开关管Qa1关断一次，C相桥 臂的开关管Qc2开通一次，即开关共4次。
3)若电压矢量Uref位于小三角区域n5时，生成切换序列如图7c所示，当前周期开始时 工作模态U00-1处于工作状态，让工作模态U00-1持续工作T00-1/2时间到达图7c中所示a点，然 后切换至工作模态U10-1，工作模态U10-1持续T10-1/2时间到达图7c中所示b点，然后切换至工 作模态U11-1，工作模态U11-1工作T11-1时间后结束，即图7c中所示c点，切换至工作模态U10-1持 续T10-1/2时间结束，即图7c中所示d点，最后切换至工作模态U00-1并工作至周期结束；如图7c下方的A、B、C三相桥臂控制所示，A相桥臂的S1处，从0变为1，即开关管Qa1关断；B相桥臂的S2处，从0变为1，即开关管Qb1关断；C相桥臂一直保持不变的状态0；可见在 一个周期的三相桥臂控制中，前半周期A相桥臂的开关管Qa1关断一次，B相桥臂的开关管 Qb1关断一次；后半周期A相桥臂的开关管Qa1开通一次，B相桥臂的开关管Qb1开通一次， 即开关共4次。
4)若电压矢量Uref位于小三角区域n6时，生成切换序列如图7d所示，当前周期开始时 工作模态U100处于工作状态，让工作模态U100持续工作T100/2时间到达图7d中所示a点，然后切换至工作模态U10-1，工作模态U10-1持续T10-1/2时间到达图7d中所示b点；然后切换至工作模态U1-1-1，工作模态U1-1-1工作T1-1-1时间后结束，即图7d中所示c点；切换至工作模态U10-1直至T10-1/2时间结束，即图7d中所示d点；最后切换至工作模态U100并工作至周期结束；如图7d下方的A、B、C三相桥臂控制所示，B相桥臂的S1处，从0变为-1，即开关管Qb1关 断；C相桥臂的S2处，从0变为-1，即开关管Qc2关断；A相桥臂一直保持不变的状态1； 可见在一个周期的三相桥臂控制中，前半周期B相桥臂的开关管Qb1关断一次，C相桥臂的 开关管Qc2关断一次；后半周期B相桥臂的开关管Qb1开通一次，C相桥臂的开关管Qc2开 通一次，即开关共4次。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实 施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明 的实质内容。

Claims (1)

1.一种基于多模态切换的三相三电平PWM整流器的控制方法，其特征在于：所述方法通过十八个工作模态在六个不同工作扇区内不同的组合控制实现，包括以下步骤：
A.确定三相三电平PWM整流器需输入的参考电压矢量所在大扇区N，包括：
设三相三电平PWM整流器电压矢量Uref，给定Uref幅值和相角，在静止坐标α-β两相坐标轴上，Uref在其上的分量用Uα和Uβ来表示，其所在扇区由以下式(1)确定：
Figure FDA0002495964360000011
若X>0，则m＝1，否则m＝0；若Y>0，则n＝1，否则n＝0；若Z>0，则p＝1，否则p＝0；令S＝m+2n+4p，则当S＝3时，电压矢量位于第一扇区N1；当S＝1时，电压矢量位于第二扇区N2；当S＝5时，电压矢量位于第三扇区N3；当S＝4时，电压矢量位于第四扇区N4；当S＝6时，电压矢量位于第五扇区N5；当S＝2时，电压矢量位于第六扇区N6；
B.确定参考电压矢量所在小三角形区域n，得到与所在扇区对应、合成电压矢量的三个工作模态；其中第一扇区的判断依据如下：
判据一：
Figure FDA0002495964360000012
判据二：
Figure FDA0002495964360000013
判据三：
Figure FDA0002495964360000014
判据四：
Figure FDA0002495964360000015
其中，设Uref与α轴的夹角为θ，三相三电平PWM整流器直流母线电压为Udc；
C.确定三个工作模态的工作时间；其中当电压矢量Uref位于小三角区域n1或n2时，由工作模态U100、U00-1和U000合成，各工作模态的时间T100、T00-1和T000如下：
Figure FDA0002495964360000021
上式中，TS表示载波周期；
D.根据工作时间生成三个工作模态的切换序列；其中第一扇区N1中，若电压矢量Uref位于小三角区域n1或n2时，当前周期开始工作模态U100处于工作状态，让工作模态U100持续工作T100/2时间，然后切换至零矢量，零矢量持续T100/2时间，然后切换至工作模态U00-1，工作模态U00-1工作T00-1时间后结束，切换至零矢量至T000/2时间结束，最后切换至工作模态U100并工作至周期结束；
E.根据切换序列控制三个工作模态合成电压矢量，使其按圆形轨迹输出三相三电平PWM整流器的直流电压。
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