申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2018-10-11

公开（公告）日：2020-05-15

公开（公告）号：CN109347347B

主分类号：H02M7/483(20070101)

分类号：H02M7/483(20070101);H02M7/5387(20070101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.05.15#授权;2019.03.12#实质审查的生效;2019.02.15#公开

摘要：本发明公开了一种不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D‑SVPWM控制方法及控制系统，方法为根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到三相输出电压状态组合；利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系；定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；将坐标平移后的三维子空间投影至α‑β平面，结合零轴矢量进行矢量合成；分解矢量式，通过调节成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。本发明在空间划分的过程中不需要考虑冗余小矢量再额外划分内外子空间，简化了空间扇区划分的算法；同时三维子空间在α‑β平面内的投影与零轴矢量相结合，可以避免复杂的矢量选择和计算，具有很好的通用性。

主权项：1.不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到27种三相输出电压状态组合；2利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系，得到对应的基矢量；3以αβo三维坐标系中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；以基矢量中的6对小矢量为平移矢量进行坐标平移，并将小矢量的终点定义为新的坐标原点，共6个新的坐标原点；然后将空间矢量所处的三维空间划分为6个三维子空间，转换为新坐标原点下的两电平三维空间，每个两电平空间中的零轴矢量为成对平移矢量在零轴上的投影分量，方向相反、大小不等；4将坐标平移后的6个三维子空间投影至α-β平面，确定参考电压扇区，结合子空间投影与零轴矢量，采用两电平空间SVPWM调制方法确定矢量作用顺序进行目标矢量合成，得到矢量计算式；根据子空间在α-β平面内的投影以及新坐标原点处的零轴矢量，采用两电平空间SVPWM方法确定各扇区的矢量作用顺序，列出矢量计算式为： 其中，U1、U2为新坐标系下所假设的α-β平面内合成目标矢量Uref的两个矢量，t1、t2分别为矢量U1、U2对应的作用时间；U01、U02分别为新坐标系下的正、负零轴矢量，t01、t02为零轴矢量的作用时间；Uref为三相电压合成目标矢量，Ts为开关周期；5分解矢量式，计算零轴矢量的作用时间，通过调节该成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。

全文数据：不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法及控制系统技术领域本发明涉及电力电子变换装置领域的控制技术，特别是涉及不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法及控制系统。背景技术随着电力电子技术的发展，两电平逆变器在小功率有源滤波及电机调速系统中的运用已经相当成熟，但受电力电子器件耐压等级、工作频率的限制，在高压大功率工业领域中两电平逆变器已无法适应实际需求，以三电平逆变器为代表的多电平逆变器应运而生。与两电平相比，三电平逆变器具有输出波形畸变率低、器件电压应力小以及系统电磁干扰低等优点，因此被广泛应用于电网有源滤波、电机变频调速和电力系统无功补偿等领域。三相四线制逆变器具有零序通路，可满足不平衡负载或非线性负载等应用场合，成为三电平逆变器的研究关注点之一。常见的三相四线制逆变器包括带隔离变压器的三相四线制逆变器、分裂电容式三相四线制逆变器和三相四桥臂逆变器等，这些逆变器基本原理都是通过控制电源中点电压，提高系统处理不平衡负载的能力。传统的三相三线制三电平逆变器一般采用空间电压矢量脉宽调制SVPWM，将参考电压矢量投影至α-β坐标系进行调制策略分析，而在三相四线制三电平逆变器中由于中线的存在，零矢量不能简单作为过渡矢量进行忽略，分析时需要考虑α、β和ο轴三个分量，实现零序分量的控制。此外四桥臂三电平逆变器在现有SVPWM控制方法中常作为一个整体进行矢量控制，算法复杂度提高，与分裂电容式等四线制逆变器控制方法存在很大差别，现有控制方法无法通用，增加研究分析的重复性。发明内容发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法。技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，包括以下步骤：1根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到27种三相输出电压状态组合；2利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系，得到对应的基矢量；3以αβo三维坐标系中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；4将坐标平移后的6个三维子空间投影至α-β平面，确定参考电压扇区，结合子空间投影与零轴矢量，采用两电平空间SVPWM调制方法确定矢量作用顺序进行目标矢量合成，得到矢量计算式；5分解矢量式，计算零轴矢量的作用时间，通过调节该成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。进一步的，步骤3中以基矢量中的6对小矢量为平移矢量进行坐标平移，并将小矢量的终点定义为新的坐标原点，共6个新的坐标原点；然后将空间矢量所处的三维空间划分为6个三维子空间，转换为新坐标原点下的两电平三维空间，每个两电平空间中的零轴矢量为成对平移矢量在零轴上的投影分量，方向相反、大小不等。进一步的，步骤4中根据子空间在α-β平面内的投影以及新坐标原点处的零轴矢量，采用两电平空间SVPWM方法确定各扇区的矢量作用顺序，列出矢量计算式为：其中，U01、U02分别为新坐标系下的正、负零轴矢量，Uref为三相电压合成目标矢量，t1、t2、t01和t02为零轴矢量的作用时间，Ts为开关周期。进一步的，步骤5中将步骤4中合成的矢量计算式在αβο坐标系三个方向上分解，并且根据新坐标原点处的零轴矢量列出零轴分解式，整理得t1、t2表达式与两电平SVPWM相似，但三维子空间中方向相反、大小不等的一对零轴矢量U01、U02作用时间t01、t02不再均等，通过调节零轴矢量的作用时间达到不平衡负载时补偿零序分量的目的。其中，该控制方法所适用的三相四线制三电平逆变器包括：NPC型三相四线制三电平逆变器、NPC型三相四桥臂三电平逆变器、T型三相四线制三电平逆变器以及T型三相四桥臂三电平逆变器。一种上述控制方法适用的控制系统，包括三相桥臂3D-SVPWM控制模块和第四桥臂独立控制模块，所述三相桥臂3D-SVPWM控制模块前级调制三相电压以及零轴电压得到三相四线制三电平逆变器在不平衡负载下目标矢量在αβο轴各分量，输入3D-SVPWM控制进行目标矢量的合成，输出三相桥臂的PWM调制波；第四桥臂独立控制模块采样零轴电流，经电压电流双环调制输出第四桥臂PWM调制波；该系统适用于NPC型三相四桥臂三电平逆变器和T型三相四桥臂三电平逆变器。有益效果：本发明控制方法基于αβο坐标系，以基矢量中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及对应零轴矢量，采用两电平SVPWM控制方法的矢量合成原则合成目标矢量，分别计算零轴矢量的作用时间，调节该成对零矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，从而保持电压输出的平衡。与现有技术相比，该种新的通用型3D-SVPWM控制方法将所有基矢量统一转化至新坐标原点下的两电平空间合成参考矢量，对原三电平输出的零矢量以及冗余小矢量进行统一讨论，不需要额外划分内外子空间，简化了三维空间划分的算法；同时6个子空间以及新坐标原点处零轴矢量的定义，使得各子空间内的矢量作用与两电平空间SVPWM调制方法具有相似性，可以避免复杂的矢量选择和计算。并且实现前三桥臂与第四桥臂分别独立控制，前三桥臂使用3D-SVPWM调制，对第四桥臂的负载零序电流进行独立的跟踪，解决了针对某一种拓扑结构的控制研究很难应用到其他拓扑结构的问题，减少研究分析的重复性。附图说明图1是本发明方法适用的四种三相四线制三电平逆变器拓扑结构图，a为NPC型三相四线制拓扑，b为NPC型三相四桥臂拓扑，c为T型三相四线制拓扑，d为T型三相四桥臂拓扑；图2是实现本发明所提3D-SVPWM控制方法的三相桥臂控制框图；图3是第四桥臂独立控制框图；图4是本发明方法流程图；图5中a为三电平逆变器的空间矢量在三维空间的矢量分布图，b为空间矢量在α-β平面的投影；图6是第一扇区第一小区域七段式脉冲序列图；图7是平衡负载下电压电流波形图；图8是单相不平衡负载稳态输出波形图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方案作进一步的解释，但是以下内容不用于限定本发明的保护范围。如图1所示，本发明所适用的四种三相四线制三电平逆变器拓扑结构图包括：a二极管箝位NPC型三相四线制三电平逆变器、bNPC型三相四桥臂三电平逆变器、cT型三相四线制三电平逆变器以及dT型三相四桥臂三电平逆变器拓扑，其中ac基于NPC型三电平逆变器，a将其星型连接的三相输出负载中点和分裂电容的中点相连，为带不平衡负载或非线性负载产生的零序分量提供通路，c在a的基础上加入由两个开关器件串联组成的第四桥臂；bd基于T型三电平逆变器，该拓扑使用两个背靠背的开关器件Q3、Q2连接分裂电容中点和电压输出点，实现零电压输出时电流的双向流动，b将其星型连接的三相输出负载中点和分裂电容的中点相连，d在b的基础上加入第四桥臂。本发明所提出的3D-SVPWM控制方法可直接用于如图1中ac所示的三相四线制的三电平逆变器，图1中a和c直接采用如图2所示的控制框图，对三相输出电压Ua、Ub、Uc以及零轴电压调制，其中零轴电压调制包括电容电压Uc1、Uc2均压环和零序电压Ua+Ub+Uc3控制环，将两个环路的输出量叠加作为零轴环路的调制信号，得到目标矢量在αβο轴各分量输入3D-SVPWM控制进行目标矢量的合成，最终得到三相桥臂的PWM调制波。而在对如图1中bd进行控制时需要结合图3电压电流的双环控制器对第四桥臂进行独立控制，其中Uo为分裂电容中点电压、U*为参考电压、iL为第四桥臂与分裂电容相连的电感电流、iN为零轴电流、iC为流入分裂电容的电流，最终输出Uo调制得到第四桥臂的PWM调制波，结合三相桥臂的控制，解决并网或离网运行中各相电路参数不一致或某相出现故障时引起的三相电压输出不对称的问题。如图4所示，本发明的不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，包括以下步骤：1根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到27种三相输出电压状态组合；由于三电平逆变器以A相为例有Q1Q2闭合、Q2Q3闭合、Q3Q4闭合三种开关状态，定义为P、O、N状态，对应电压输出为0、因此整个三电平逆变器的开关状态组合数为33＝27种。2利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系，得到对应基矢量，并根据矢量幅值分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量；对三相输出电压进行等幅值变换得到αβο坐标系内的基矢量，如表1所示：表1合成后得到图5a，αβο坐标系下对应的三维空间矢量图，其中，V01、V02、V03、V04、V05和V06为成对的小矢量，V12、V23、V34、V45、V56和V61为中矢量，V1、V2、V3、V4、V5和V6为大矢量，坐标原点处的矢量为零矢量，包括零轴方向相反、大小相等的一对矢量以及幅值为零的矢量。3以αβο三维坐标系中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；基于αβο三维坐标系，以基矢量中的成对小矢量为平移矢量，定义小矢量的终点为新的坐标原点，然后将空间矢量所处的三维空间划分为6个三维子空间，转换为新坐标原点下的两电平三维空间，投影至α-β平面如图5b所示，子空间对应投影为I～Ⅵ扇区，其中A～F是以小矢量为平移矢量进行坐标平移后定义的新坐标原点，每个两电平空间中的零轴矢量为成对平移矢量在零轴上的投影分量，方向相反、大小不等。将所有基矢量统一转化至新坐标原点下的两电平空间进行扇区划分和矢量合成，不需要额外划分内外子空间，简化了三维空间划分的算法，同时6个子空间以及新坐标原点处零轴矢量的定义，使得各子空间内的矢量作用与两电平空间SVPWM调制方法具有相似性，可以避免复杂的矢量选择和计算。4将坐标平移后的6个三维子空间投影至α-β平面，确定参考电压扇区，结合子空间投影与零轴矢量，采用两电平空间SVPWM调制方法进行矢量合成；由于三维空间的划分不够直观，将三电平空间矢量投影至α-β平面划分6个三维子空间，转换为新坐标原点下的两电平三维空间进行讨论，每个两电平空间中的零轴矢量为成对平移矢量在零轴上的投影分量，方向相反、大小不等。由图5b可知，三电平空间矢量在α-β平面的投影由六个边比为的正六边形组成，将重合部分一分为二，每个小六边形各占一半，以中矢量为起始矢量可将平面内的投影划分为I～Ⅵ共6个部分，其中A～F是以小矢量为平移矢量进行坐标平移后定义的新坐标原点，且在新坐标原点处定义新的零轴矢量，则在平面各扇区即子空间内的矢量调制与两电平空间SVPWM调制相似，基于此将三电平SVPWM转换为两电平方式进行矢量合成。首先将三电平空间的目标矢量和基矢量转换至两电平，表2反映各扇区内目标矢量在两电平空间α-β轴分量u'α、u'β与三电平空间α-β轴分量uα、uβ的关系。表2结合上述两电平子空间在α-β平面的投影以及新坐标原点处的零轴矢量，类比两电平空间SVPWM控制方法确定各扇区的矢量作用顺序，可知落在每个小等边三角形子空间扇区内的电压目标矢量由α-β平面矢量以及新坐标原点处大小不等、方向相反的零轴矢量合成；零轴矢量的作用时间分别设为t1、t2、t01和t02，开关周期为Ts，则落在每个小等边三角形子空间扇区内的电压目标矢量计算式为：其中，U01、U02分别为新坐标系下的正、负零轴矢量，Uref为三相电压合成目标矢量。5分解矢量式，计算零轴矢量的作用时间，通过调节该成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。将步骤4中合成的矢量计算式在αβο坐标系的三个方向上分解，并且根据新坐标原点处定义的零轴矢量列出零轴分解式，然后分别计算两电平子空间中包括零轴矢量在内的各矢量作用时间t1、t2、t01和t02，整理可得t1、t2表达式与两电平SVPWM相似，如表3所示，其中变量X、Y、Z为：uα、uβ为目标矢量在三电平空间α-β轴分量。表3但相对现有三电平SVPWM控制，两电平三维子空间中方向相反、大小不等的一对零轴矢量U01、U02作用时间t01、t02不再均等，因此，通过调节零轴矢量的作用时间可以补偿不对称负载产生的零序分量。以三相合成参考电压矢量位于第一扇区第一小区域为例，根据三电平转两电平的控制方式，确定开关周期Ts内矢量作用顺序为POO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO，根据矢量计算式解得该区域内大小不等、方向相反的成对零轴矢量作用时间为：通过调节三维子空间中零轴矢量的作用时间，可以补偿因负载不平衡产生的零序分量。本发明使用七段式脉冲序列确定各桥臂开关管开关状态，如附图6所示。采用上述新的通用型3D-SVPWM控制方法，成对零轴矢量作用时间t01、t02大小不一致，从而可以通过调节该成对零矢量的作用时间补偿三相四线制三电平逆变器因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡，达到不平衡负载时补偿零序分量的目的。针对T型和NPC型拓扑，加入第四桥臂的控制可独立于原有3D-SVPWM控制下的三相四线制三电平逆变器，为现有三电平SVPWM控制下加入第四桥臂解决中点电位平衡问题提供了很大的便利。作用于NPC型和T型拓扑时，也可使用四线制拓扑带不平衡负载，为零序分量提供通路，并对零序分量进行控制；作用于加入第四桥臂的NPC型和T型拓扑时，可实现前三桥臂和第四桥臂分别独立控制，简化三电平四桥臂联调的算法复杂度。以T型拓扑三相四线制三电平逆变器为例，验证采用该新的通用型3D-SVPWM控制方法的可行性。首先对其在三相平衡负载下进行仿真验证。附图7为三相平衡负载时的输出电压Uabc和电流Iabc波形图，三相均接满载4kW，可以看出，当负载平衡时，逆变器输出稳定。以不平衡度最为严重的单相满载情况验证该控制方法下逆变器带不平衡负载的能力。附图8为A相带载4kW时的输出电压Uabc和电流Iabc波形图，图中三相电压保持平衡，验证该控制方案下的逆变器具有较好的带不平衡负载能力。相对现有常用的3D-SVPWM控制方法，本发明的通用型3D-SVPWM控制方法定义了新坐标原点处的零轴矢量，将所有基矢量统一转化至新坐标原点下的两电平空间合成参考矢量，对原三电平输出的零矢量以及冗余小矢量进行统一讨论，在空间划分的过程中不需要考虑冗余小矢量再额外划分内外子空间，简化了空间扇区划分的算法；同时6个三维子空间在α-β平面内的投影以及新坐标原点处零轴矢量相结合，使得各扇区即子空间内的矢量作用与两电平空间SVPWM调制方法具有相似性，可以避免复杂的矢量选择和计算，具有很好的通用性。

权利要求：1.不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到27种三相输出电压状态组合；2利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系，得到对应的基矢量；3以αβo三维坐标系中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；4将坐标平移后的6个三维子空间投影至α-β平面，确定参考电压扇区，结合子空间投影与零轴矢量，采用两电平空间SVPWM调制方法确定矢量作用顺序进行目标矢量合成，得到矢量计算式；5分解矢量式，计算零轴矢量的作用时间，通过调节该成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。2.根据权利要求1所述的不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于：步骤3中以基矢量中的6对小矢量为平移矢量进行坐标平移，并将小矢量的终点定义为新的坐标原点，共6个新的坐标原点；然后将空间矢量所处的三维空间划分为6个三维子空间，转换为新坐标原点下的两电平三维空间，每个两电平空间中的零轴矢量为成对平移矢量在零轴上的投影分量，方向相反、大小不等。3.根据权利要求1所述的不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于：步骤4中根据子空间在α-β平面内的投影以及新坐标原点处的零轴矢量，采用两电平空间SVPWM方法确定各扇区的矢量作用顺序，列出矢量计算式为：其中，U01、U02分别为新坐标系下的正、负零轴矢量，Uref为三相电压合成目标矢量，t1、t2、t01和t02为零轴矢量的作用时间，Ts为开关周期。4.根据权利要求1所述的不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于：步骤5中将步骤4中合成的矢量计算式在αβο坐标系三个方向上分解，并且根据新坐标原点处的零轴矢量列出零轴分解式，整理得t1、t2表达式与两电平SVPWM相似，但三维子空间中方向相反、大小不等的一对零轴矢量U01、U02作用时间t01、t02不再均等，通过调节零轴矢量的作用时间达到不平衡负载时补偿零序分量的目的。5.根据权利要求1-4任一项所述的不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于，该控制方法所适用的三相四线制三电平逆变器包括：NPC型三相四线制三电平逆变器、NPC型三相四桥臂三电平逆变器、T型三相四线制三电平逆变器以及T型三相四桥臂三电平逆变器。6.一种权利要求1-4任一项所述控制方法适用的控制系统，其特征在于，包括三相桥臂3D-SVPWM控制模块和第四桥臂独立控制模块，所述三相桥臂3D-SVPWM控制模块前级调制三相电压以及零轴电压得到三相四线制三电平逆变器在不平衡负载下目标矢量在αβο轴各分量，输入3D-SVPWM控制进行目标矢量的合成，输出三相桥臂的PWM调制波；第四桥臂独立控制模块采样零轴电流，经电压电流双环调制输出第四桥臂PWM调制波；该系统适用于NPC型三相四桥臂三电平逆变器和T型三相四桥臂三电平逆变器。

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