一种三相三电平逆变器的18模态切换控制方法 |
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| 申请号 | CN201710862411.5 | 申请日 | 2017-09-22 | 公开(公告)号 | CN107528490A | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 张波; 王文斌; 丘东元; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种三相三电平逆变器的18模态切换控制方法。本发明具体包括：1）由三相三电平逆变器需要输出的 电压 矢量的相 角 确定其所在大扇区和所处小三角形区域；2）根据所述的小三角形区域，选择对应的三相三电平逆变器的三个工作模态，确定各个模态的工作时间；3）根据工作时间生成三个工作模态的切换序列；4）根据切换序列控制三个工作模态合成电压矢量，使其按圆形轨迹旋转输出三相三电平逆变器的正弦线电压。本发明与SVPWM控制策略相比，所采用的 电路 模态数量减少1/4.与七段式SVPWM相比，三相逆变器的功率 开关 管开关次数减少1/3，与九段式SVPWM相比，功率开关管开关次数减少1/2，从而有效地降低了三相逆变器的开关 频率 与损耗。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种三相三电平逆变器的18模态切换控制方法，其特征在于通过对三电平三相逆变器18个工作模态在不同工作区间的不同组合和切换控制来实现，具体包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种三相三电平逆变器的18模态切换控制方法技术领域背景技术[0002] 三相逆变器作为工业应用中不可或缺的电力电子设备，随着电气设备精确度要求日益提高，三电平逆变器广泛应用于电力系统、高速列车、电动汽车、大型不间断电源、新能源发电等电能转换领域。然而，随着逆变器功率的增大，以及功率开关管的开关频率的提高，开关管的开关损耗越来越大，已成为制约高功率密度逆变器发展的一个关键问题。 [0003] SVPWM是目前三电平逆变器常用的控制策略，它与传统的正弦PWM策略相比，输出电流波形谐波含量小，直流母线电压利用率高，更易于数字化实现。SVPWM调制下，三电平逆变器三相桥臂每相有三个(2-1-0)开关状态，整个系统就有27种开关状态，分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢量和中矢量没有冗余开关状态，而零矢量和小矢量存在冗余状态；对于中点电流而言，零矢量和大矢量对应的中点电流为零，中矢量虽然能够对中点电位产生影响，然而由于并不存在冗余状态，因此中矢量并不能参与中点平衡控制。为此考虑利用多余的小矢量来控制，一般采用改变作用次序的方法使波形在一个控制周期内对称。由于传统空间电压矢量调制模式都是基于七段式调制模式的方法，是利用冗余小矢量对中点电位平衡的作用，对中点电位的控制仍旧有限，且控制策略非常复杂。 发明内容[0004] 本发明的目的在于简化传统七段式三电平SVPWM控制策略，而提出一种基于三电平三相逆变器的18模态切换控制方法。 [0005] 本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。 [0006] 一种三相三电平逆变器的18模态切换控制方法，其通过对三电平三相逆变器18个工作模态在不同工作区间的不同组合和切换控制来实现，具体包括以下步骤： [0007] 步骤1、由三相三电平逆变器需要输出的电压矢量即参考电压矢量的相角确定其所在大扇区，进一步分析输出矢量的长度及相角关系得到所处小三角形区域； [0008] 步骤2、根据所述的小三角形区域，选择对应的三相三电平逆变器的三个工作模态，确定各个模态的工作时间； [0009] 步骤3、根据工作时间生成三个工作模态的切换序列； [0010] 步骤4、根据切换序列控制三个工作模态合成电压矢量，使其按圆形轨迹旋转输出三相三电平逆变器的正弦线电压。 [0011] 进一步地，在线性工作区间，工作模态仅有6个大矢量(200,220,020,022,002,202)，6个中矢量(210,120，021,012,102,201)，3个N型小矢量(110,011，101)以及3个P型小矢量(211,121,112)；其工作区间可划分为6大扇区，包括：对应0°～60°的扇区S1、对应60°～120°的扇区S2、对应120°～180°的扇区S3、对应180°～240°的扇区S4、对应240°～300°扇区S5、对应300°～360°的扇区S6；6大扇区又分为4个小三角形区(1～4)，划分依据由各矢量末端点连线构成，各个大扇区划分方式一致，且呈中心对称，具体区域划分情况如图2所示。 [0012] 进一步地，步骤1中，参考电压矢量Uref所在大扇区的判断方法如下： [0013] 1)当 时，Uref∈S1，Uref所在三角大扇区的相对位置角θ0＝θ； [0014] 2)当 时，Uref∈S2，Uref所在三角大扇区的相对位置角 [0015] 3)当 时，Uref∈S3，Uref所在三角大扇区的相对位置角 [0016] 4)当 时，Uref∈S4，Uref所在三角大扇区的相对位置角θ0＝θ-π； [0017] 5)当 时，Uref∈S5，Uref所在三角大扇区的相对位置角 [0018] 6)当 时，Uref∈S6，Uref所在三角大扇区的相对位置角 [0019] 参考矢量所在小三角形区域可由相对位置角θ0以及参考矢量的长度共同确定： [0020] [0021] [0022] [0023] Udc为逆变器直流母线电压；θ是Uref与α轴的实际位置角；判断规律如表1所示，表中Y表示对应规则成立，N表示对应规则不成立，-表示无关。进一步地，步骤2具体包括： [0024] 选择所使用的空间电压矢量：由于18模态切换控制方法仅使用了一半的小矢量，因此选择矢量时仅需根据参考电压矢量所在三角形区域，选择临近的三个电压矢量来拟合输出电压矢量，具体的矢量选择方案如图3所示。 [0025] 按照选择出的空间电压矢量，由输出电压矢量的长度以及相对位置角可以确定各空间矢量的作用时间： [0026] 1)在一个控制周期Ts中，当参考电压矢量处于小三角形1时，参考电压矢量由小矢量U1、小矢量U2及零矢量U0合成，对应的各矢量具体作用时间如下所示： [0027] [0028] 2)当参考电压矢量处于小三角形2时，参考电压矢量由小矢量U1、小矢量U2及中矢量U3合成，对应各矢量具体作用时间如下所示： [0029] [0030] 3)当参考电压矢量处于小三角形3时，参考电压矢量由小矢量U1、中矢量U2及大矢量U3合成对应的，各矢量具体作用时间如下所示： [0031] [0032] 4)当参考电压矢量处于小三角形4时，参考电压矢量由小矢量U1、中矢量U2及大矢量U3合成，对应的各矢量具体作用时间如下所示： [0033] [0034] 进一步地，步骤3中，考虑开关序列的连续性以及对称性，各大扇区的开关序列确定如下： [0035] 大扇区S1：1)三角形区1，开关序列为: [0036] 211(T1/2)-111(T0/2)-110(T2)-111(T0/2)-211(T1/2)； [0037] 2)三角形区2，开关序列为: [0038] 211(T1/2)-210(T3/2)-110(T2)-210(T3/2)-211(T1/2) [0039] 3)三角形区3，开关序列为: [0040] 110(T1/2)-210(T2/2)-220(T3)-210(T2/2)-110(T1/2) [0041] 4)三角形区4，开关序列为: [0042] 211(T1/2)-210(T2/2)-200(T3)-210(T2/2)-211(T1/2) [0043] 大扇区S2：1)三角形区1，开关序列为: [0044] 110(T1/2)-111(T0/2)-121(T2)-111(T0/2)-110(T1/2)； [0045] 2)三角形区2，开关序列为: [0046] 110(T1/2)-120(T3/2)-121(T2)-120(T3/2)-110(T1/2) [0047] 3)三角形区3，开关序列为: [0048] 121(T1/2)-120(T2/2)-020(T3)-120(T2/2)-121(T1/2) [0049] 4)三角形区4，开关序列为: [0050] 110(T1/2)-120(T2/2)-220(T3)-120(T2/2)-110(T1/2) [0051] 大扇区S3：1)三角形区1，开关序列为: [0052] 121(T1/2)-111(T0/2)-011(T2)-111(T0/2)-121(T1/2)； [0053] 2)三角形区2，开关序列为: [0054] 121(T1/2)-021(T3/2)-011(T2)-021(T3/2)-121(T1/2) [0055] 3)三角形区3，开关序列为: [0056] 011(T1/2)-021(T2/2)-022(T3)-021(T2/2)-011(T1/2) [0057] 4)三角形区4，开关序列为: [0058] 121(T1/2)-021(T2/2)-020(T3)-021(T2/2)-121(T1/2) [0059] 大扇区S4：1)三角形区1，开关序列为: [0060] 011(T1/2)-111(T0/2)-112(T2)-111(T0/2)-011(T1/2)； [0061] 2)三角形区2，开关序列为: [0062] 011(T1/2)-012(T3/2)-112(T2)-012(T3/2)-011(T1/2) [0063] 3)三角形区3，开关序列为: [0064] 112(T1/2)-012(T2/2)-002(T3)-012(T2/2)-112(T1/2) [0065] 4)三角形区4，开关序列为: [0066] 011(T1/2)-012(T2/2)-022(T3)-012(T2/2)-022(T1/2) [0067] 大扇区S5：1)三角形区1，开关序列为: [0068] 112(T1/2)-111(T0/2)-101(T2)-111(T0/2)-112(T1/2)； [0069] 2)三角形区2，开关序列为: [0070] 112(T1/2)-102(T3/2)-101(T2)-102(T3/2)-112(T1/2) [0071] 3)三角形区3，开关序列为: [0072] 101(T1/2)-102(T2/2)-202(T3)-102(T2/2)-101(T1/2) [0073] 4)三角形区4，开关序列为: [0074] 112(T1/2)-102(T2/2)-002(T3)-102(T2/2)-112(T1/2) [0075] 大扇区S6：1)三角形区1，开关序列为: [0076] 101(T1/2)-111(T0/2)-211(T2)-111(T0/2)-101(T1/2)； [0077] 2)三角形区2，开关序列为: [0078] 101(T1/2)-201(T3/2)-211(T2)-201(T3/2)-101(T1/2) [0079] 3)三角形区3，开关序列为: [0080] 211(T1/2)-201(T2/2)-200(T3)-201(T2/2)-211(T1/2) [0081] 4)三角形区4，开关序列为: [0082] 101(T1/2)-201(T2/2)-202(T3)-201(T2/2)-101(T1/2)。 [0083] 本发明只采用18个工作模态进行切换控制，而SVPWM控制策略则采用24个工作模态。18模态切换控制方式相比于传统SVPWM控制策略，在输出相同正弦线电压情况下所需的工作模态减少1/4。相对于传统七段式SVPWM控制策略，18模态切换控制方法在一个输出电压周期内开关次数减少了1/3。 [0084] 本方法采用18个工作模态，即6个大矢量、6个中矢量以及6个小矢量。舍弃6个冗余小矢量，使得在一个扇区中N型小矢量与P型小矢量的作用时间相等，从而达到消除中点偏移的目的。本控制方法由6个大扇区，总共24个小三角形工作区以及在24个小三角形区内不同矢量的组合控制构成。该控制方法通过对三电平三相逆变器的18个工作模态的切换控制，从而获得三相正弦线电压输出。18模态切换控制方法的控制目标是使得三电平逆变器在中点电位稳定的前提下，实现功率管的开关次数减少，从而有效降低开关损耗。与现有技术相比，本发明具有如下优点：1.所采用的工作模态数量较SVPWM控制减少1/4，控制简单；2.对于同样的载波频率，其功率管开关次数比SVPWM控制减少1/3。 附图说明 [0085] 图1是三电平三相逆变器的电路拓扑结构图； [0086] 图2是三电平三相逆变器的18模态切换控制方法示意图； [0087] 图3是三电平三相逆变器18模态切换控制方法在各个区域作用矢量示意图； [0088] 表1是三电平三相逆变器18模态切换控制方法在各个区域的开关序列； [0089] 图4是三电平三相逆变器18模态切换控制在大扇区1内工作模态切换序列图； [0090] 图5是三电平三相逆变器SVPWM方法在大扇区1内工作模态切换序列图； [0091] 图6是三电平三相逆变器在18模态切换控制下的线电压波形； [0092] 图7是三电平三相逆变器在18模态控制下带20kVA，功率因素0.54负载时中点电位波形； [0093] 图8是三电平三相逆变器在18模态控制下突加单相负载时中点电位波动情况。 具体实施方式[0094] 以下是结合三电平三相逆变器的18模态切换控制方法对本发明技术方案的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。 [0095] 如图2所示，三电平三相逆变器的18模态切换控制方法使用的工作模态仅有6个大矢量(200,220,020,022,002,202)，6个中矢量(210,120，021,012,102,201)，3个N型小矢量(110,011，101)以及3个P型小矢量(211,121,112)。如图3所示，根据所选择的18个模态以及所划分的工作区域，在各个开关周期内由参考电压所在三角形区域顶点所代表的三个电压矢量组合出逆变器的输出电压矢量，并使其按圆形轨迹旋转，从而获得如图所示的三相正弦线电压输出。 [0096] 假设需构造的逆变器输出电压矢量为Uref，三电平三相逆变器的18模态切换控制方法实现步骤如下： [0097] 1.输出电压矢量所在区间确定 [0098] ①输出电压矢量所在大扇区的判断 [0099] 矢量包括幅值与相角，因此输出电压矢量所在扇区可由相角确定。具体实现如下： [0100] [0101] 其中，θ是Uref与α轴的实际位置角，S1，S2，S3，S4，S5和S6分别代表大扇区1～6，θ0是Uref的相对位置角。 [0102] ②输出电压矢量所在小三角形区域的判断 [0103] 确定输出电压矢量所在大扇区之后，小区域的判断需要借助Uref和θ0来进行判断。参考电压矢量所处的小三角形区域可由参考电压矢量的长度以及其相对位置角θ0通过如下规则判断： [0104] [0105] [0106] [0107] 判断规律如下表所示，表中“Y”表示对应规则成立，“N”表示对应规则不成立，“-”表示无关。 [0108] 表1 [0109]小区间 式1 式2 式3 1 Y - - 2 N N N 3 N - Y 4 N Y - [0110] 2.工作模态的工作时间确定 [0111] 结合18模态切换控制方法的矢量分布图的对称性，各大扇区的时间仅需要由参考矢量的长度以及相对位置角θ0即可确定，具体分析如下： [0112] 如图3三角形列1所示，当参考电压矢量处于小三角形区域1，输出电压矢量由两个小矢量U1和模态U2合成，则有UrefTs＝U1T1+U2T2，其中T1是模态U1工作时间；T2是模态U2工作时间，且有Ts＝T1+T2+T0，T0是模态U1、U2不工作时，逆变器三相桥臂均处于零电位的工作时间。设Uref的相对位置角为θ0，逆变器直流母线电压为Udc则有： [0113] [0114] 由上式可确定模态U1、U2及U0的时间如下所示： [0115] [0116] 如图3三角形列2所示，若输出电压矢量Uref位于小三角形区域2时，输出电压矢量由两个小矢量U1，U2与一个中矢量U3合成，其工作时间可由下式确定： [0117] [0118] 求解得到： [0119] [0120] 如图3三角形列3所示，若输出电压矢量Uref位于小三角形区域3时，输出电压矢量由一个小矢量U1，一个中矢量U2与一个大矢量U3合成，其工作时间可由下式确定： [0121] [0122] 求解可得： [0123] [0124] 如图3三角形列4所示。若输出电压矢量Uref位于小三角形区域4时，输出电压矢量由一个小矢量U1，一个中矢量U2与一个大矢量U3合成，其工作时间可由下式确定： [0125] [0126] 求解可得： [0127] [0128] 3.工作模态的切换序列生成 [0129] 确定小三角形区域各矢量工作时间之后，各区间的开关序列随着确定，具体如下： [0130] 大扇区S1：1)三角形区1，开关序列为: [0131] 211(T1/2)-111(T0/2)-110(T2)-111(T0/2)-211(T1/2)； [0132] 2)三角形区2，开关序列为: [0133] 211(T1/2)-210(T3/2)-110(T2)-210(T3/2)-211(T1/2) [0134] 3)三角形区3，开关序列为: [0135] 110(T1/2)-210(T2/2)-220(T3)-210(T2/2)-110(T1/2) [0136] 4)三角形区4，开关序列为: [0137] 211(T1/2)-210(T2/2)-200(T3)-210(T2/2)-211(T1/2) [0138] 大扇区S2：1)三角形区1，开关序列为: [0139] 110(T1/2)-111(T0/2)-121(T2)-111(T0/2)-110(T1/2)； [0140] 2)三角形区2，开关序列为: [0141] 110(T1/2)-120(T3/2)-121(T2)-120(T3/2)-110(T1/2) [0142] 3)三角形区3，开关序列为: [0143] 121(T1/2)-120(T2/2)-020(T3)-120(T2/2)-121(T1/2) [0144] 4)三角形区4，开关序列为: [0145] 110(T1/2)-120(T2/2)-220(T3)-120(T2/2)-110(T1/2) [0146] 大扇区S3：1)三角形区1，开关序列为: [0147] 121(T1/2)-111(T0/2)-011(T2)-111(T0/2)-121(T1/2)； [0148] 2)三角形区2，开关序列为: [0149] 121(T1/2)-021(T3/2)-011(T2)-021(T3/2)-121(T1/2) [0150] 3)三角形区3，开关序列为: [0151] 011(T1/2)-021(T2/2)-022(T3)-021(T2/2)-011(T1/2) [0152] 4)三角形区4，开关序列为: [0153] 121(T1/2)-021(T2/2)-020(T3)-021(T2/2)-121(T1/2) [0154] 大扇区S4：1)三角形区1，开关序列为: [0155] 011(T1/2)-111(T0/2)-112(T2)-111(T0/2)-011(T1/2)； [0156] 2)三角形区2，开关序列为: [0157] 011(T1/2)-012(T3/2)-112(T2)-012(T3/2)-011(T1/2) [0158] 3)三角形区3，开关序列为: [0159] 112(T1/2)-012(T2/2)-002(T3)-012(T2/2)-112(T1/2) [0160] 4)三角形区4，开关序列为: [0161] 011(T1/2)-012(T2/2)-022(T3)-012(T2/2)-022(T1/2) [0162] 大扇区S5：1)三角形区1，开关序列为: [0163] 112(T1/2)-111(T0/2)-101(T2)-111(T0/2)-112(T1/2)； [0164] 2)三角形区2，开关序列为: [0165] 112(T1/2)-102(T3/2)-101(T2)-102(T3/2)-112(T1/2) [0166] 3)三角形区3，开关序列为: [0167] 101(T1/2)-102(T2/2)-202(T3)-102(T2/2)-101(T1/2) [0168] 4)三角形区4，开关序列为: [0169] 112(T1/2)-102(T2/2)-002(T3)-102(T2/2)-112(T1/2) [0170] 大扇区S6：1)三角形区1，开关序列为: [0171] 101(T1/2)-111(T0/2)-211(T2)-111(T0/2)-101(T1/2)； [0172] 2)三角形区2，开关序列为: [0173] 101(T1/2)-201(T3/2)-211(T2)-201(T3/2)-101(T1/2) [0174] 3)三角形区3，开关序列为: [0175] 211(T1/2)-201(T2/2)-200(T3)-201(T2/2)-211(T1/2) [0176] 4)三角形区4，开关序列为: [0177] 101(T1/2)-201(T2/2)-202(T3)-201(T2/2)-101(T1/2) [0178] 表2 [0179] [0180] [0181] 表3 [0182] [0183] 为了方便理解，以大扇区S1为例说明切换方法。如图4-1所示，若Uref位于扇区S1小三角形区域1时，当前周期开始时模态U100处于工作状态，让模态U100持续工作T100/2时间至图4-1所示a点，然后切换至模态U110，模态U110持续T110/2时间至图4-1所示b点，然后切换至零矢量，零矢量工作完T111时间后，为了保证波形对称性，在c点再次切换回模态U110，使其工作T110/2时间后在d点切换回模态U100，模态U100持续T100/2时间后结束。若Uref位于小三角形区域2，其开关序列如图4-2所示，Uref位于小三角形区域3时，其开关序列如图4-3所示，Uref位于小三角形区域4时，其开关序列如图4-4所示。其他各扇区模态切换与扇区S1类似。 [0184] 相应的18模态切换控制方法控制下输出线电压在滤波后波形如图6所示，非常接近标准正弦波。Udc＝600V时，调制系数M＝0.8，带功率因素为0.54的感性负载20kVA条件下，中点电位波形如图7所示，波动范围为：10/600＝1.67％。突加单相负载时，即三相负载不平衡时中点电位波动较大，但仍旧处于平衡状态，且撤去突加负载后，中点电位迅速恢复原先状态，具体如图8所示。 [0185] 对于18模态切换控制方法控制的三相逆变器，如表2所示在小三角形区域1时逆变器在一个周期内工作状态切换4次，对应地，开关管总共开关4次；在其他小三角形区域中开关管均切换4次；而逆变器由SVPWM方法控制时，如图6所示在每个小三角形区域内，逆变器在一个周期内工作状态切换6次，对应地，功率管开关6次，因此在相同的载波频率以及相同的线电压输出情况下，18模态切换控制方法相比SVPWM控制其开关次数减少1/3。 |
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