CN109639172B - 基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次svpwm控制方法 - Google Patents

基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次svpwm控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法。定义N为每个60度空间角区域内采样点个数，所述方法通过在固定角度处采样并保证N为奇数来实现同步；定义零序分量Z0＝k‑kUmax′+(k‑1)Umin′，通过在30度、150度、270度采样点处令k＝0，在90度、210度、330度采样点处令k＝1，在其余采样点处令k＝0.5，得到三相调制波；通过在30度、150度、270度采样点生成下降沿载波组，在90度、210度、330度采样点生成上升沿载波组，基于调制波与载波比较实现同步(3N+1)/2次SVPWM；通过在30度、150度、270度采样点生成上升沿载波组，在90度、210度、330度采样点生成下降沿载波组，基于调制波与载波比较实现同步(3N‑1)/2次SVPWM。本控制方法相比于传统三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制，计算简单，易于实现。

Description

基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法
技术领域
本发明涉及一种PWM控制方法。
背景技术
三电平变流器指交流侧相电压能输出三种不同电平状态的变流器，常见的三电平变流器如NPC(Neutral Point Clamped)三电平变流器，其拓扑结构如图1所示。NPC三电平变流器于1980年由日本长岗科技大学的A.Nabae在IAS年会上首次提出，它解决了传统两电平拓扑变流器输出电压低、容量小的问题，其结构简单，且可以通过采用背靠背结构实现能量的双向流动，许多著名电气公司如西门子、ABB、东芝、三菱等都推出了基于NPC三电平结构的系列产品，并广泛应用于冶金采矿、机车牵引等行业。
当三电平变流器应用于中高压大功率电机的牵引调速场合时，其逆变侧具备宽频率输出范围的特点。为提高谐波性能，在宽频率输出范围内要配合使用多种调制策略，一般在载波比较高时使用异步调制，在载波比较低时使用同步调制。与其它调制方式相比，空间矢量脉宽调制策略SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)在PWM脉冲设计过程中具有更多的灵活度，因此在三电平变流器中获得了广泛使用。
SVPWM于1982年由德国学者J.Holtz首次提出，三电平变流器下SVPWM在各空间角度区间内的电压空间矢量分布如图2所示。图2中VA、VB、VC分别对应A相、B相、C相相电压峰值点，诸如0°、30°等角度代表对应度数的空间矢量角，即三相电压dq变化后所得到指令电压与VA之间的夹角。以NPC三电平变流器为例，SVPWM各电压空间矢量对应的开关状态总结于表1。
表1 SVPWM各电压空间矢量及对应的开关状态
Figure BDA0001953344500000011
Figure BDA0001953344500000021
传统异步SVPWM会产生非特征次谐波，在载波比较低时，非特征次谐波影响不可忽视，此时应使用同步SVPWM调制。针对低载波比下同步SVPWM调制，文献《低开关频率下SVPWM同步调制策略比较研究》(王堃.[J].中国电机工程学报,2015,35(16):4175-4183.)指出输出电压满足同步可消除分数次谐波，满足三相对称(three phase symmetry,TPS)可消除三倍频次谐波，满足半波对称(half waveform symmetry,HWS)可消除偶数次谐波，满足四分之一周期对称(quarter waveform symmetry,QWS)可消除奇次谐波的余弦项，同步调制应保证输出相电压波形满足同步、TPS、HWS、QWS。文献《Modified SVPWM Algorithm forThree Level VSI With Synchronized and Symmetrical Waveforms》(Beig A R,[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(1)：486–494.)首次给出任意非3倍数次载波比下输出电压波形满足同步、TPS、HWS、QWS的脉冲发生规律，将其总结成两种情况：奇数采样点情况1、奇数采样点情况2。
按图2所示将一个基波周期内360度空间矢量区域划分为6个60度扇形区域，定义N为每个60度扇形区域内的采样点个数，N＝3或N＝5对应采样点分布如图3所示。奇数采样点情况1、奇数采样点情况2具体如下：
奇数采样点情况1：N为奇数，对应同步(3N-1)/2次SVPWM。每个60度扇区内后N-1个采样点在扇区内，按照传统的SVPWM七段法动作；第1个采样点在扇区边界上，采用五段式开关序列动作。此时边界上第一个开关状态和上一个扇区最后一个开关状态相同，扇区切换时不会有多余的开关动作。
奇数采样点情况2：N为奇数，对应同步(3N+1)/2次SVPWM。每个60度扇区内后N-1个采样点在扇区内，按照传统的SVPWM七段法动作；第1个采样点在扇区边界上，采用五段式开关序列动作。此时边界上第一个开关状态和上一个扇区最后一个开关状态不相同，扇区切换时会有额外的开关动作。
按照以上开关状态动作，可实现满足同步、TPS、HWS、QWS的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制，但其在实现过程中需在各采样点处计算各电压空间矢量的作用时间，含有较多三角函数和无理数运算，运算量较大且不可避免的存在一定的计算误差，不利于同步非3倍数次SVPWM控制的工程应用和精确化。
发明内容
为克服传统同步非3倍数次SVPWM控制方法存在的不足，本发明提出一种基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法。本发明利用简单的调制波与三角载波比较的方式等效同步非3倍数次SVPWM控制方法，从而在输出三相电压波形满足同步、三相对称(TPS)、半波对称(HWS)、四分之一周期对称(QWS)的同时减少了计算量，更利于工程实现。
定义N为每个60度空间角区域内采样点个数，本发明基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法通过在固定角度处采样，并保证N为奇数来实现同步；定义Z0＝k-kUmax′+(k-1)Umin′，本发明控制方法通过在30度、150度、270度采样点处令k＝0，在90度、210度、330度采样点处令k＝1，在其余采样点处令k＝0.5，得到各采样点对应的零序分量，并将各采样点对应的零序分量与三相正弦波叠加，得到三相调制波；通过在30度、150度、270度采样点处生成下降沿三角载波组，在90度、210度、330度采样点处生成上升沿三角载波组，本发明控制方法可基于调制波与载波比较实现同步(3N+1)/2次SVPWM控制；通过在30度、150度、270度采样点处生成上升沿三角载波组，在90度、210度、330度采样点处生成下降沿三角载波组，本发明控制方法可基于调制波与载波比较实现同步(3N-1)/2次SVPWM控制。通过以上处理，本发明控制方法可基于载波比较实现同步非3倍数次SVPWM控制。
本发明基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法具体如下：
1、确定各采样点对应的固定空间角位置
本发明中各采样点对应的固定空间角位置按以下步骤确定：
1)定义N为每个60度空间角区域内采样点个数，N个采样点对应各空间角度位置分别定义为α1,α2.....αN，相邻采样点之间空间角度间隔为π/(3N)；
2)α1为每个60度区域边界采样点所在位置，其固定在30度、90度、150度、210度、270度、330度空间角；
3)定义m为分布于1到N-1之间的整数，即m＝1,2…N-1，根据αm+1＝αm+π/(3N)，由α1依次计算出每个60度区域非边界采样点对应的空间角位置α2.....αN。
2、确定三相正弦波表达式
本发明对三相正弦波定义如下：
Figure BDA0001953344500000041
式(1)中，t代表时间，M为调制比，ω代表角速度。
3、确定各采样点统一零序分量表达式
本发明对零序分量Z0定义如下：
Z0＝k-kUmax'+(k-1)Umin'
Figure BDA0001953344500000042
式(2)中，k为每个采样周期内P型冗余小矢量时间分配因子，有0≤k≤1；Umax′,Umin′分别为Ua′,Ub′,Uc′的最大值和最小值。
定义Ux代表三相正弦波Ua、Ub、Uc中任意一相，定义Ua′,Ub′,Uc′分别为Ua、Ub、Uc为正时值不变，为负时值加1处理后的值，其计算如下：
Figure BDA0001953344500000043
4、确定三相调制波表达式
本发明利用三相正弦波叠加零序分量得到三相调制波，其具体计算步骤如下：
1)判断当前采样点位置，若当前采样点为30度、150度、270度边界采样点，令k＝0，对应零序分量Z0＝-Umin′；若当前采样点为90度、210度、330度边界采样点，令k＝1，对应零序分量Z0＝1-Umax′；若当前采样点为非边界处采样点，令k＝0.5，对应零序分量Z0＝{1-(Umax′+Umin′)}/2；
2)各采样点零序分量Z0与三相正弦波Ux叠加得到三相调制波Urx，即有Urx＝Ux+Z0。
5、生成上升沿三角载波组和下降沿三角载波组
本发明在各采样点位置处生成上升沿三角载波组和下降沿三角载波组。三角载波组为由取值范围0到1和取值范围-1到0的两个幅值、频率相同的三角载波C1，C2同相层叠构成，其生成的方法如下：
1)定义三角载波频率为fcarr，采样频率为fs，对应采样周期为1/fs，不对称规则采样下，有：
Figure BDA0001953344500000051
式(4)中，N为每个60度区域采样点个数，f1为调制波基波频率。不对称规则采样下，各采样点分别对应三角载波的零点或峰值点；
2)定义时间因子tn为随时间从0到1/fs循环变化的值，tn取值如式(5)：
Figure BDA0001953344500000052
式(5)中，t为时间，α1,α2.....αN为各采样点对应的空间角位置，α为当前指令电压对应空间角位置。t0为时间节点，在每个采样点处令t0为当前时间t，从而对时间因子tn清零；
3)利用时间因子tn和采样频率fs生成三角载波组。其中，上升沿三角载波组生成的方法如式(6)：
Figure BDA0001953344500000053
下降沿三角载波组生成的方法如式(7)：
Figure BDA0001953344500000054
式(6)、式(7)中，C1，C2为三角载波。
6、各采样点位置选择上升沿三角载波组或下降沿三角载波组
本发明在各采样点位置处生成上升沿三角载波组和下降沿三角载波组，其选择规则如下：
1)为基于载波比较实现同步(3N+1)/2次SVPWM控制，在30度、150度、270度边界采样点处生成下降沿三角载波组，在90度、210度、330度边界采样点处生成上升沿三角载波组，其余非边界采样点处对应三角载波组方向与各自前一采样点相反；
2)为基于载波比较实现同步(3N-1)/2次SVPWM控制，在30度、150度、270度边界采样点处生成上升沿三角载波组，在90度、210度、330度边界采样点处生成下降沿三角载波组，其余非边界采样点处对应三角载波组方向与各自前一采样点相反；
7、利用三相调制波与三角载波组比较得到PWM信号
本发明利用三相调制波与三角载波组比较得到三电平变流器各功率开关器件的PWM信号。定义三电平变流器直流侧电压为Vdc，调制波与三角载波的比较规则具体如下：
1)当三相调制波Urx大于三角载波C1和C2，三电平变流器对应相输出电压为Vdc/2；
2)当三相调制波Urx小于三角载波C1且大于三角载波C2，三电平变流器对应相输出电压为0；
3)当三相调制波Urx小于三角载波C1和C2，三电平变流器对应相输出电压为-Vdc/2。
附图说明
图1背靠背三电平NPC变流器拓扑图；
图2 SVPWM空间电压矢量图及60度扇形区域划分；
图3 60度扇形区域内奇数采样点分布情况，其中：图3a对应3个采样点，图3b对应5个采样点；
图4利用调制波与载波比较得到七段式开关状态
Figure BDA0001953344500000061
示意图；
图5奇数采样点情况1和情况2全角度区域内N型小矢量首发区域和P型小矢量首发区域分布；
图6本发明基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法的具体实施流程图；
图7是实施例中定频率本发明控制方法下同步11次对应的三相相电压、A相调制波和三角载波，其中：图7a中Vao、Vbo、Vco分别为A相、B相、C相相电压，图7b中Uar为A相调制波，C1、C2为三角载波；
图8是实施例中定频率本发明控制方法下同步10次对应的三相相电压；
图9是实施例中定频率本发明控制方法下同步8次对应的三相相电压；
图10是实施例中定频率本发明控制方法下同步7次对应的三相相电压；
图11是实施例中定频率本发明控制方法下同步5次对应的三相相电压；
图12是实施例中定频率本发明控制方法下同步4次对应的三相相电压；
图13是实施例中定频率本发明控制方法下同步2次对应的三相相电压；
图14是实施例中定频率本发明控制方法下同步1次对应的三相相电压；
图15是实施例中变频率下各载波比段切换频率示意图；
图16是实施例中本发明控制方法下全速度范围内的频率、切换标志位和三相电流；
图17是实施例中变频率本发明控制方法下异步到同步11次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
图18是实施例中变频率本发明控制方法下同步11次到同步10次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
图19是实施例中变频率本发明控制方法下同步10次到同步8次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
图20是实施例中变频率本发明控制方法下同步8次到同步7次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
图21是实施例中变频率本发明控制方法下同步7次到同步5次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
图22是实施例中变频率本发明控制方法下同步5次到同步4次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
图23是实施例中变频率本发明控制方法下同步4次到同步2次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
图24是实施例中变频率本发明控制方法下同步2次到同步1次切换的A相相电压，切换标志位和三相电流；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
定义N为每个60度空间角区域内采样点个数，本发明控制方法通过在固定角度处采样，并保证N为奇数来实现同步。定义Z0＝k-kUmax′+(k-1)Umin′，本发明控制方法通过在30度、150度、270度采样点处令k＝0，在90度、210度、330度采样点处令k＝1，在其余采样点处令k＝0.5，得到各采样点对应的零序分量，并将各采样点对应的零序分量与三相正弦波叠加得到三相调制波；通过在30度、150度、270度采样点处生成下降沿三角载波组，在90度、210度、330度采样点处生成上升沿三角载波组，本发明控制方法可基于调制波与载波比较实现同步(3N+1)/2次SVPWM控制；通过在30度、150度、270度采样点处生成上升沿三角载波组，在90度、210度、330度采样点处生成下降沿三角载波组，本发明控制方法可基于调制波与载波比较实现同步(3N-1)/2次SVPWM控制。通过以上处理，本发明控制方法可基于载波比较实现同步非3倍数次SVPWM控制。
本发明基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法具体如下：
1、确定各采样点对应的固定空间角位置
本发明通过在固定角度处采样，并保证N为奇数来实现同步。为实现同步控制，需首先确定每个60度扇区内各采样点所在位置并进行采样。
2、确定三相正弦波表达式
本发明利用载波与三相调制波比较实现同步非3倍数次SVPWM。为基于载波得到各采样点处的开关动作序列，需求解各采样点处对应的调制波表达式和载波表达式。三相调制波表达式由三相正弦波叠加零序分量得到，故首先确定三相正弦波表达式。
3、确定各采样点统一零序分量表达式
定义零序分量Z0＝k-kUmax′+(k-1)Umin′，本发明控制方法通过在各采样点将三相正弦波Ux叠加Z0得到三相调制波Urx，其中Umax′、Umin′分别为三相正弦波Ux为正时值不变，为负时值加1处理后的最大值和最小值，k为每个采样周期内P型冗余小矢量时间分配因子，有0≤k≤1。对零序分量Z0推导过程如下：
假设当前采样点位置为330度边界采样点且调制比大于0.5，则对于P型小矢量首发的七段式开关状态为POO-PNO-ONO-ONN。设采样周期为Ts，POO在一个采样周期内作用时间为kT1，对应冗余状态ONN作用时间为(1-k)T1，PNO作用时间为T2，ONO作用时间为T3，则有:
Figure BDA0001953344500000081
式(8)中，Ura、Urb和Urc分别为对应A相、B相、C相的调制波，Ua、Ub和Uc分别为对应A相、B相、C相的正弦波，Z0为零序分量，Ts为采样周期，T1为电压矢量POO和ONN在一个采样周期内作用时间，T2为PNO作用时间，T3为ONO作用时间，k为P型冗余小矢量因子，有0≤k≤1。
调制波的采样值可认为在一个采样周期内保持不变，利用调制波与载波比较得到POO-PNO-ONO-ONN的示意图如图4a，由图4a可得式(9)：
Figure BDA0001953344500000082
将式(9)代入式(8)，可得：
Figure BDA0001953344500000091
定义Umax′、Umin′分别为三相正弦波Ux为正时值不变，为负时值加1处理后的最大值和最小值，三相正弦波同时叠加零序分量Z0后不会改变三相对应的大小关系，则对于图4所示调制波，有：
Figure BDA0001953344500000092
将式(11)代入式(10)，可得：
Figure BDA0001953344500000093
由式(12)可得Z0＝k-kUmax′+(k-1)Umin′，同样原理可推导其余扇区内零序分量表达式结果和式(12)一致，则得到了P型小矢量首发七段式SVPWM对应的零序分量表达式。
4、确定三相调制波表达式
在确定三相正弦波表达式和各采样点统一零序分量表达式基础上，进一步确定各采样点处三相调制波表达式。为此需首先对奇数采样点情况1和情况2的开关动作特性进行分析。
以扇区1和扇区2内采样点个数N＝3的情况为例，奇数采样点情况1对应的开关状态分别如表2所示。
由表2知，对于奇数采样点情况1，第1个采样点在扇区边界上，舍弃七段法首发的冗余小矢量。在扇区1、3、5为N型小矢量首发，扇区2、4、6为P型小矢量首发，则边界采样点在扇区1、3、5舍弃首发N型冗余小矢量，在扇区2、4、6舍弃首发P型冗余小矢量。
表2 N＝3，奇数采样点情况1对应的开关状态
Figure BDA0001953344500000094
以扇区1和扇区2内采样点个数N＝3的情况为例，奇数采样点情况2对应的开关状态分别如表3所示。
表3 N＝3，奇数采样点情况2对应的开关状态
Figure BDA0001953344500000101
由表3知，对于奇数采样点情况2，第1个采样点在扇区边界上，舍弃七段法结尾的冗余小矢量。在扇区1、3、5为P型小矢量首发，扇区2、4、6为N型小矢量首发，则边界采样点在扇区1、3、5舍弃结尾N型冗余小矢量，在扇区2、4、6舍弃结尾P型冗余小矢量。
综合表2、表3可知，对于奇数采样点情况1和情况2，两种情况下边界采样点均在扇区1、3、5舍弃N型冗余小矢量，在扇区2、4、6舍弃P型冗余小矢量；区别在于奇数采样点情况1在扇区1、3、5为N型小矢量首发，扇区2、4、6为P型小矢量首发，奇数采样点情况2在扇区1、3、5为P型小矢量首发，扇区2、4、6为N型小矢量首发。两种采样情况下全角度区域内N型小矢量首发和P型小矢量首发区域分布如图5所示。
通过分析奇数采样点情况1和情况2的开关动作特性，可得到以下结论：
1)对于奇数采样点情况1和情况2，每个60度扇区内后N-1个非边界采样点按照传统七段式SVPWM动作，则当采样点为非边界处采样点，令k＝0.5，两冗余小矢量作用时间相同，对应零序分量Z0＝{1-(Umax′+Umin′)}/2；
2)对于奇数采样点情况1和情况2，扇区1、3、5的边界采样点舍弃N型冗余小矢量，则当采样点为90度、210度、330度边界采样点，令k＝1，舍弃N型冗余小矢量，对应零序分量Z0＝1-Umax′；
3)对于奇数采样点情况1和情况2，扇区2、4、6的边界采样点舍弃P型冗余小矢量，则当采样点为30度、150度、270度边界采样点，令k＝0，舍弃P型冗余小矢量，对应零序分量Z0＝-Umin′。
则得到了各采样点处对应的三相调制波表达式。
5、生成上升沿三角载波组和下降沿三角载波组
本发明利用载波与三相调制波比较实现同步非3倍数次SVPWM。为基于载波得到各采样点处的开关动作序列，需求解各采样点处对应的载波表达式。载波在各采样点处对应为上升沿三角载波组或下降沿三角载波组，同时生成上升沿三角载波组和下降沿三角载波组，然后在各采样点处进行选择。
6、各采样点位置选择上升沿三角载波组或下降沿三角载波组
各采样点处对应开关序列不同，所选择三角载波组的方向也不同。应在P型小矢量首发区域利用调制波与上升沿三角载波组比较，在N型小矢量首发区域利用调制波与下降沿三角载波组比较。
由图4a可知，利用调制波与上升沿三角载波组比较可得到P型小矢量首发的SVPWM开关动作序列；由图4b可知，利用调制波与下降沿三角载波组比较可得到N型小矢量首发的SVPWM开关动作序列。
对应奇数采样点情况1，在扇区1、3、5为N型小矢量首发，扇区2、4、6为P型小矢量首发，则在90度、210度、330度边界采样点处生成下降沿三角载波组，在30度、150度、270度边界采样点处生成上升沿三角载波组，在其余非边界采样点处生成三角载波组的方向与各自前一采样点对应三角载波方向相反，可基于调制波与载波比较实现同步(3N-1)/2次SVPWM控制。
对应奇数采样点情况2，在扇区1、3、5为P型小矢量首发，扇区2、4、6为N型小矢量首发，则在90度、210度、330度边界采样点处生成上升沿三角载波组，在30度、150度、270度边界采样点处生成下降沿三角载波组，其在余非边界采样点处生成的三角载波组方向与各自前一采样点对应三角载波方向相反，可基于调制波与载波比较实现同步(3N+1)/2次SVPWM控制。
7、利用三相调制波与三角载波组比较得到PWM信号
在确定三相调制波和各采样点处对应三角载波组的基础上，制定三相调制波与三角载波组的比较规则，利用三相调制波与三角载波组比较得到PWM信号，从而基于载波实现三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制。
基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法的实施流程如图6所示。
本发明克服了传统同步非3倍数次SVPWM控制方法计算量大、计算步骤复杂的不足，利用简单的调制波与三角载波比较的方式等效同步非3倍数次SVPWM控制方法，从而在输出三相电压波形满足同步、TPS、HWS、QWS的同时减少了各采样点处的计算量，更方便于工程应用。
下面结合实施例说明本发明的实施效果。
对于奇数采样点情况1和奇数采样点情况2，在每个60度区域采样点个数为奇数N下，其对应的同步SVPWM情况如表4。
表4奇数采样点情况1和情况2对应同步SVPWM情况
Figure BDA0001953344500000121
本发明实施例借助PSIM软件搭建三电平NPC逆变器模型，利用仿真验证本发明提出的基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法的有效性。实施例仿真条件如表5。
表5实施例仿真条件
Figure BDA0001953344500000122
首先固定基波频率f1＝50Hz，载波频率随采样点个数变化，在定频率下通过观测输出相电压波形是否满足TPS、QWS和HWS来分别验证同步11/10/8/7/5/4/2/1次SVPWM控制方法的有效性。
图7是实施例中本发明控制方法下同步11次对应的三相相电压、A相调制波和三角载波，其中：图7a中Vao、Vbo、Vco分别为A相、B相、C相相电压，图7b中Uar为A相调制波，C1、C2为三角载波。由图7可知，对应奇数采样点情况2，在每个60度扇区内采样点个数为7时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步11次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
图8是实施例中本发明控制方法下同步10次对应的三相相电压。由图8可知，对应奇数采样点情况1，在每个60度扇区内采样点个数为7时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步10次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
图9是实施例中本发明控制方法下同步8次对应的三相相电压。由图9可知，对应奇数采样点情况2，在每个60度扇区内采样点个数为5时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步8次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
图10是实施例中本发明控制方法下同步7次对应的三相相电压。由图10可知，对应奇数采样点情况1，在每个60度扇区内采样点个数为5时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步7次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
图11是实施例中本发明控制方法下同步5次对应的三相相电压。由图11可知，对应奇数采样点情况2，在每个60度扇区内采样点个数为3时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步5次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
图12是实施例中本发明控制方法下同步4次对应的三相相电压。由图12可知，对应奇数采样点情况1，在每个60度扇区内采样点个数为3时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步4次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
图13是实施例中本发明控制方法下同步2次对应的三相相电压。由图13可知，对应奇数采样点情况2，在每个60度扇区内采样点个数为1时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步2次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
图14是实施例中本发明控制方法下同步1次对应的三相相电压。由图14可知，对应奇数采样点情况1，在每个60度扇区内采样点个数为1时，利用三相调制波与载波比较，可简单方便的实现同步1次SVPWM控制，其三相相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
如图7～图14所示，实施例的结果验证了本发明基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法的有效性，其可以在定频率下利用调制波与载波比较快速实现同步11/10/8/7/5/4/2/1次SVPWM控制，输出相电压波形满足TPS、QWS和HWS。
设计载波比切换为异步-11-10-8-7-5-4-2-1，在开关频率不超过450Hz的前提下设计各载波比段切换频率如图15。设定频率每秒增加6Hz，由0上升到160Hz。在变基波频率下通过观测输出相电压波形是否满足TPS、QWS和HWS来验证全速度范围同步非3倍数次SVPWM控制方法的有效性。
图16是实施例中本发明控制方法下全速度范围内的频率Freq、切换标志位state和三相电流Iu、Iv、Iw。由图15可知，随着频率增加，三电平变流器所使用的调制策略依次为异步-同步11-同步10-同步8-同步7-同步5-同步4-同步2-同步1。
图17～图24分别是实施例中变频率本发明控制方法下异步到同步11次切换、同步11次到同步10次切换、同步10次到同步8次切换、同步8次到同步7次切换、同步7次到同步5次切换、同步5次到同步4次切换、同步4次到同步2次切换、同步2次到同步1次切换的A相相电压Uao，切换标志位state和三相电流Iu、Iv、Iw。
由图16～图24所示，实施例的结果验证了本发明基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法的有效性，其可以在变频率下利用调制波与载波比较快速实现同步11/10/8/7/5/4/2/1次SVPWM控制，输出相电压波形满足TPS、QWS和HWS，且在异步到同步和同步各分段之间切换时电流冲击不大。
如图7～图24所示，实施例的结果验证了本发明基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法的有效性，无论是变频率还是定频率，其均可以利用调制波与载波比较快速实现同步11/10/8/7/5/4/2/1次SVPWM控制，输出相电压波形满足同步、TPS、QWS和HWS。本发明利用简单的调制波与三角载波比较的方式等效同步非3倍数次SVPWM控制方法，其无需计算各电压空间矢量的作用时间，减少了在各采样点处的计算量，更利于同步非3倍数次SVPWM控制方法的工程应用。

Claims (7)

1.一种基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法，其特征在于，定义N为每个60度空间角区域内采样点个数，所述控制方法通过在固定角度处采样并保证N为奇数来实现同步；定义零序分量Z0＝k-kUmax′+(k-1)Umin′，所述控制方法通过在30度、150度、270度采样点处令k＝-0，在90度、210度、330度采样点处令k＝-1，在其余采样点处令k＝-0.5，得到各采样点对应的零序分量；将各采样点对应的零序分量与三相正弦波叠加得到三相调制波；通过在30度、150度、270度采样点处生成下降沿三角载波组，在90度、210度、330度采样点处生成上升沿三角载波组，所述控制方法基于调制波与载波比较实现同步(3N+1)/2次SVPWM控制；通过在30度、150度、270度采样点处生成上升沿三角载波组，在90度、210度、330度采样点处生成下降沿三角载波组，所述控制方法基于调制波与载波比较实现同步(3N-1)/2次SVPWM控制；通过以上控制方法，基于载波比较实现同步非3倍数次SVPWM控制；
所述的零序分量Z0定义如下：
Z0＝k-kUmax’+(k-1)Umin’
Figure FDA0002521687170000011
上式中，k为每个采样周期内P型冗余小矢量时间分配因子，有0≤k≤1；Umax’，Umin’分别为Ua′，Ub′，Uc′的最大值和最小值；
定义Ux代表三相正弦波Ua、Ub、Uc中任意一相，定义Ua’，Ub’，Uc’分别为Ua、Ub、Uc为正时值不变，为负时值加1处理后的值，其计算如下：
Figure FDA0002521687170000012
2.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法，其特征在于，各采样点对应的固定空间角位置按以下步骤确定：
1)定义N为每个60度空间角区域内采样点个数，N个采样点对应各空间角度位置分别定义为α1，α2.....αN，相邻采样点之间空间角度间隔为π/(3N)；
2)α1为每个60度区域边界采样点所在位置，其固定在30度、90度、150度、210度、270度、330度空间角；
3)定义m为分布于1到N-1之间的整数，即m＝1，2…N-1，根据αm+1＝αm+π/(3N)，由α1依次计算出每个60度区域非边界采样点对应的空间角位置α2.....αN。
3.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法，其特征在于，所述的三相正弦波定义如下：
Figure FDA0002521687170000021
上式中，t代表时间，M为调制比，ω代表角速度。
4.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法，其特征在于，所述的三相调制波计算步骤如下：
1)判断当前采样点位置，若当前采样点为30度、150度、270度边界采样点，令k＝-0，对应零序分量Z0＝-Umin′；若当前采样点为90度、210度、330度边界采样点，令k＝1，对应零序分量Z0＝1-Umax′；若当前采样点为非边界处采样点，令k＝-0.5，对应零序分量Z0＝{1-(Umax′+Umin′)}/2；
2)各采样点零序分量Z0与三相正弦波Ux叠加得到三相调制波Urx，即有Urx＝Ux+Z0。
5.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法，其特征在于，所述的三角载波组为由取值范围0到1和取值范围-1到0的两个幅值、频率相同的三角载波C1，C2同相层叠构成，其生成的方法如下：
1)定义三角载波频率为fcarr，采样频率为fs，对应采样周期为1/fs，不对称规则采样下，有：
Figure FDA0002521687170000022
上式中，N为每个60度区域采样点个数，f1为调制波基波频率；不对称规则采样下，各采样点分别对应三角载波的零点或峰值点；
2)定义时间因子tn为随时间从0到1/fs循环变化的值，tn取值如下：
Figure FDA0002521687170000023
上式中，t为时间，α1，α2.....αN为各采样点对应的空间角位置，α为当前指令电压对应空间角位置；t0为时间节点，在每个采样点处令t0为当前时间t，从而对时间因子tn清零；
3)利用时间因子tn和采样频率fs生成三角载波组；其中，上升沿三角载波组生成的方法如下：
Figure FDA0002521687170000031
下降沿三角载波组生成的方法如下：
Figure FDA0002521687170000032
式中，C1，C2为三角载波。
6.根据权利要求5所述的基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法，其特征在于，所述控制方法在各采样点位置处生成上升沿三角载波组和下降沿三角载波组；各采样点位置对上升沿三角载波组或下降沿三角载波组选择规则如下：
1)为基于载波比较实现同步(3N+1)/2次SVPWM控制，在30度、150度、270度边界采样点处生成下降沿三角载波组，在90度、210度、330度边界采样点处生成上升沿三角载波组，其余非边界采样点处对应三角载波组方向与各自前一采样点相反；
2)为基于载波比较实现同步(3N-1)/2次SVPWM控制，在30度、150度、270度边界采样点处生成上升沿三角载波组，在90度、210度、330度边界采样点处生成下降沿三角载波组，其余非边界采样点处对应三角载波组方向与各自前一采样点相反。
7.根据权利要求1所述的基于载波比较的三电平变流器同步非3倍数次SVPWM控制方法，其特征在于，所述控制方法利用三相调制波与三角载波组比较得到三电平变流器各功率开关器件的PWM信号；定义三电平变流器直流侧电压为Vdc，调制波与三角载波的比较规则具体如下：
1)当三相调制波Urx大于三角载波C1和C2，三电平变流器对应相输出电压为Vdc/2；
2)当三相调制波Urx小于三角载波C1且大于三角载波C2，三电平变流器对应相输出电压为0；
3)当三相调制波Urx小于三角载波C1和C2，三电平变流器对应相输出电压为-Vdc/2。
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