專利名稱：一種用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，屬于電氣設(shè)備自動化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法(以下簡稱PWM)是實現(xiàn)逆變器變壓變頻功能的關(guān)鍵技術(shù)問題。文[A new multilevel PWM method:a theoretical analysis.Carrara，G.；Gardella，S.；Marchesoni，M.；Salutari，R.；Sciutto，G.；IEEE Transactions onPower Electronics，1992，7(3)497-505]提出了一種基于載波錯位調(diào)制的多電平PWM算法，該方法是將三相參考電壓分別與若干個相互錯開位置的三角波比較得到多電平逆變器的PWM觸發(fā)脈沖，算法原理如圖1所示。其缺點是三角波的個數(shù)隨著逆變器輸出的最大電平數(shù)的增加而增加，因此隨著逆變器輸出電平數(shù)目的增加，基于載波錯位調(diào)制的PWM脈沖生成方法計算的復(fù)雜程度增加，不易于數(shù)字實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，為多電平逆變器變壓變頻的電能轉(zhuǎn)換和傳輸提供一種簡單實用的PWM控制方法。
本發(fā)明提出的用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，包括以下各步驟(1)將用于控制多電平逆變器的三相參考電壓進(jìn)行分解，得到偏移電壓分量和兩電平電壓分量；(2)根據(jù)逆變器的輸出電壓與參考電壓之間的等效原則，上述偏移電壓分量即為逆變器當(dāng)前控制周期內(nèi)每相電路的前、后兩個開關(guān)函數(shù)；(3)將上述兩電平電壓分量乘以逆變器的控制周期，得到逆變器每相電路前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間；(4)將上述前、后開關(guān)函數(shù)與各開關(guān)函數(shù)的作用時間進(jìn)行合成，得到多電平逆變器的控制脈沖。
上述方法中所述的對三相參考電壓進(jìn)行分解的方法包括如下步驟(1)對參考電壓進(jìn)行取整，得到參考電壓的偏移分量；(2)從參考電壓中減去偏移分量，得到參考電壓的二電平分量。
上述方法中所述的將開關(guān)函數(shù)及其作用時間進(jìn)行合成的方法包括以下步驟(1)根據(jù)上一控制周期末端輸出的開關(guān)函數(shù)，使兩個相鄰控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化量最小，由此確定當(dāng)前控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化方向；(2)根據(jù)逆變器的輸出脈沖，建立相應(yīng)的開關(guān)函數(shù)與逆變器各功率器件開關(guān)狀態(tài)之間的映射表，從映射表中根據(jù)逆變器當(dāng)前控制周期的開關(guān)函數(shù)確定逆變器當(dāng)前控制周期內(nèi)各功率器件的開關(guān)狀態(tài)；(3)在當(dāng)前控制周期內(nèi)，各功率器件處于上述開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時間等于相應(yīng)前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間，由功率器件的開關(guān)狀態(tài)及其持續(xù)時間構(gòu)成了逆變器的控制脈沖。
本發(fā)明提出的用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，基于三相參考電壓分解和等面積法則實現(xiàn)，是一種多電平的直接PWM算法，因此稱之為多電平直接PWM方法，將三相參考電壓分解為偏移分量和二電平分量，接著由偏移分量得到逆變器三相開關(guān)函數(shù)，再由二電平分量計算開關(guān)函數(shù)的作用時間，最后合成逆變器的PWM控制脈沖。本發(fā)明的方法，不受逆變器電路結(jié)構(gòu)和電平數(shù)的限制，是一種通用的多電平PWM算法，其原理簡單，數(shù)字實現(xiàn)容易。


圖1是已有的基于載波錯位的多電平PWM算法原理示意圖。
圖2是本發(fā)明方法的流程框圖。
圖3為多電平逆變器的PWM功能等效圖。
圖4為多電平逆變器PWM算法原理示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，其流程框圖如圖2所示，首先將用于控制多電平逆變器的三相參考電壓進(jìn)行分解，得到偏移電壓分量和兩電平電壓分量；Vrex＝Vrefx(OFF)+Vrefx(TWL)上式中Vrefx為三相參考電壓，x＝A，B，C三相，Vrefx(OFF)為參考電壓的偏移分量，Vrefx(TWL)為參考電壓的二電平分量；然后根據(jù)逆變器的輸出電壓與參考電壓之間的等效原則，上述偏移電壓分量即為逆變器當(dāng)前控制周期內(nèi)每相電路的前、后兩個開關(guān)函數(shù)；Sx，N＝Vrefx(OFF)以及Sx，N+1＝Vrefx(OFF)+1上式中，Sx，N和Sx，N+1均為當(dāng)前控制周期內(nèi)多電平逆變器的三相開關(guān)函數(shù)，x＝A，B，C；將上述兩電平電壓分量乘以逆變器的控制周期，得到逆變器每相電路前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間； 上式中TSx1是開關(guān)函數(shù)Sx，N+1的作用時間，Tsx0是開關(guān)函數(shù)Sx，N的作用時間，Ts是逆變器的控制周期；最后將上述前、后開關(guān)函數(shù)與各開關(guān)函數(shù)的作用時間進(jìn)行合成，得到多電平逆變器的控制脈沖。
上述方法中對三相參考電壓進(jìn)行分解的方法為首先對參考電壓進(jìn)行取整，得到參考電壓的偏移分量Vrefx(OFF)＝int(Vrefx)其中下標(biāo)“OFF”表示偏移分量，int()表示趨向于零的取整函數(shù)；然后從參考電壓中減去偏移分量，得到參考電壓的二電平分量；Vrefx(TWL)＝Vrefx-Vrefx(OFF)其中下標(biāo)“TWL”表示二電平分量。
上述方法中將開關(guān)函數(shù)及其作用時間進(jìn)行合成的方法為首先根據(jù)上一控制周期末端輸出的開關(guān)函數(shù)，使兩個相鄰控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化量最小，由此確定當(dāng)前控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化方向；然后根據(jù)逆變器的輸出脈沖，建立相應(yīng)的開關(guān)函數(shù)與逆變器各功率器件開關(guān)狀態(tài)之間的映射表，從映射表中根據(jù)逆變器當(dāng)前控制周期的開關(guān)函數(shù)確定逆變器當(dāng)前控制周期內(nèi)各功率器件的開關(guān)狀態(tài)；最后在當(dāng)前控制周期內(nèi)，各功率器件處于上述開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時間等于相應(yīng)前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間，由功率器件的開關(guān)狀態(tài)及其持續(xù)時間構(gòu)成了逆變器的控制脈沖。
本發(fā)明各部分的原理和功能的詳細(xì)介紹如下。
1)逆變器三相參考電壓的分解方法多電平逆變器的基本思想是用若干個直流電壓合成一個交流電壓輸出，因此在原理上可以用如圖3所示的多電平逆變器功能等效圖表示，其中N為多電平逆變器可輸出的最大電平數(shù)目，E為每個電平所對應(yīng)的直流電壓，則等效的直流側(cè)總電壓為Edc＝(N-1)·E (1)定義Sx，N為N電平逆變器三相電路的開關(guān)函數(shù)，于是每相的輸出電壓可以表示為vx，N＝Sx，N·E，其中開關(guān)函數(shù)Sx，N＝0，1，2，…，N-1，x＝a，b，c。若以E為基值，則輸出電壓可寫為Vx，N＝Sx，N(2)一般多電平逆變器的參考電壓由上層控制算法產(chǎn)生，且通常是三相正序參考電壓。設(shè)正弦載波調(diào)制時的三角波幅值為1，則三相正弦參考電壓可寫為
其中M為調(diào)制比。對于三相三線制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，作為控制自由度，三相參考電壓中可以含有實現(xiàn)逆變器性能優(yōu)化控制的綜合指令信號，即零序電壓分量v0。于是，逆變器三相參考電壓為 其中參考電壓瞬時值必須滿足|Vrefx|≤1.0 (5)式(4)是逆變器三相參考電壓的標(biāo)么值模型，基值為直流側(cè)電壓幅值的一半。對于圖3所示的N電平逆變器，式(4)的基值等于Edc/2。因此以直流電壓E為基值，式(4)的參考電壓可改寫為VREF=VrefaVrefbVrefc=(N-1)2Msin(ωt)+V0Msin(ωt-2π/3)+V0Msin(ωt+2π/3)+V0]]>以圖3中直流側(cè)0點為參考點，得到VREF=VrefaVrefbVrefc=(N-1)2Msin(ωt)+V0+1Msin(ωt-2π/3)+V0+1Msin(ωt+2π/3)+V0+1---(6)]]>式(6)中參考電壓的取值范圍為0≤Vrefx≤N-1。
在(6)式的參考電壓標(biāo)么值模型的基礎(chǔ)上可將逆變器的三相參考電壓分解為兩個分量偏移電壓分量和二電平電壓分量，計算方法如下a)偏移電壓分量Vrefx(OFF)＝int(Vrefx)，其中下標(biāo)“OFF”表示為偏移分量，int()表示趨向于零的取整函數(shù)。
b)二電平電壓分量Vrefx(TWL)＝Vrefx-Vrfex(OFF)，其中下標(biāo)“TWL”表示為二電平分量。
2)逆變器三相電路開關(guān)函數(shù)的確定圖4為N電平逆變器的PWM算法原理示意圖，其中 為tk時刻的參考電壓采樣的標(biāo)么值。如圖4(a)所示，設(shè)在tk時刻采樣的參考電壓值位于電平區(qū)間[n，n+1]之中，其中n=int(Vrefx(tk)).]]>下面，根據(jù)圖4(b)分析圖中橢圓虛線框內(nèi)的參考電壓值與逆變器輸出開關(guān)函數(shù)之間的關(guān)系。如圖4(b)所示，其中兩塊陰影部分的長方形邊長參數(shù)分別為ab=Vrefx(tk)-n,]]>bc＝Tn0和fg=n+1-Vrefx(tk),]]>ef＝Tn1。令圖4(b)中兩塊陰影部分的面積相等，可得到Vrefx(tk)·TS=n·Tn0+(n+1)·Tn1---(7)]]>其中Ts為逆變器的控制周期。
將(7)式改寫為n=Vrefx(tk)-Tn1/TS---(8)]]>定義在一個控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)Sx，N+1的作用時間為TSx1，Sx，N的作用時間為TSx0。按照逆變器PWM算法在伏秒平均意義上的等效原則，有Vrefx(tk)·TS=Sx,N·TSx0+(Sx,N+1)·TSx1---(9)]]>同樣(9)式可改寫為Sx,N=Vrefx(tk)-TSx1/TS---(10)]]>對于多電平逆變器，為了減小輸出的dv/dt，開關(guān)函數(shù)的變化一般只能變化一個電平，因此選擇與參考電壓采樣值距離最近的電平狀態(tài)，即n或n+1。而且由圖4(b)可知，式(8)中有0≤Tn1/TS≤1，式(10)中有0≤TSx1/TS≤1，并且由Sx，N和n的定義可知，兩者的取值都為正整數(shù)，因此在圖4所示的控制周期內(nèi)有Sx,N=n=int(Vrefx(tk))---(11)]]>由(11)式可知，逆變器的三相開關(guān)函數(shù)是分別根據(jù)三相參考電壓確定的，相互之間并不關(guān)聯(lián)。于是，對于多電平逆變器的任一相逆變電路，在當(dāng)前控制周期內(nèi)逆變器的前、后開關(guān)函數(shù)分別為Sx，N＝Vrefx(OFF)以及Sx，N+1＝Vrefx(OFF)+1 (12)3)前、后開關(guān)函數(shù)作用時間的計算上述說明只是確定了在當(dāng)前控制周期內(nèi)的前、后開關(guān)函數(shù)。由(7)可知，要得到當(dāng)前控制周期內(nèi)多電平逆變器的PWM脈沖波形，還需要計算前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間。由(8)式，在當(dāng)前控制周期內(nèi)，三相開關(guān)函數(shù)的作用時間由各相參考電壓的二電平分量決定，其中開關(guān)函數(shù)Sx，N+1的作用時間與二電平分量大小成正比，于是得到前、后開關(guān)函數(shù)對應(yīng)的作用時間為
4)逆變器控制脈沖的合成在確定了逆變器在當(dāng)前控制周期內(nèi)的前、后開關(guān)函數(shù)及其作用時間之后，下面就將得到的前、后開關(guān)函數(shù)和作用時間合成逆變器的控制脈沖輸出。
首先確定在當(dāng)前控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化方向。有兩種方向可供選擇Sz，N到Sx，N+1和Sx，N+1到Sx，N。通常，為了盡量降低逆變器功率器件的開關(guān)頻率，減小損耗，在當(dāng)前控制周期內(nèi)起始的開關(guān)函數(shù)與前一控制周期末端的開關(guān)函數(shù)相同。也就是說，在當(dāng)前控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化方向取決于前一控制周期末端的開關(guān)函數(shù)，設(shè)前一控制周期末端開關(guān)函數(shù)為Sx,N，則當(dāng)前控制周期開關(guān)函數(shù)的變化方向是Sx，N到Sx，N+1，反之，開關(guān)函數(shù)的變化方向則是Sx，N+1到Sx，N。每相開關(guān)函數(shù)的變化方向由各自前一控制周期末端的開關(guān)函數(shù)值獨立確定的。
以上只考慮了參考電壓波形連續(xù)的情況，在實際應(yīng)用中，還有可能出現(xiàn)參考電壓波形跳變的情況，這時上述的開關(guān)函數(shù)變化方向的判定方法就不適用了。因此綜合考慮參考電壓波形連續(xù)和跳變兩種情況，按照逆變器相鄰控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)變化最小的原則，確定開關(guān)函數(shù)變化方向的判定方法。以變量vos表示開關(guān)函數(shù)的變化方向，取值設(shè)定為 于是當(dāng)前控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化方向的判定方法為 其中Sx，N(k-1)表示為前一控制周期末端的開關(guān)函數(shù)。
然后根據(jù)逆變器的前、后開關(guān)函數(shù)確定各功率器件在當(dāng)前控制周期內(nèi)的前、后開關(guān)狀態(tài)。首先，根據(jù)逆變器的輸出電壓與各功率器件開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系，建立一個開關(guān)函數(shù)與各功率器件開關(guān)狀態(tài)之間的映射表，然后分別按照逆變器每相電路在當(dāng)前控制周期內(nèi)的前、后開關(guān)函數(shù)查詢映射表，得到逆變器各功率器件在當(dāng)前控制周期內(nèi)的前、后開關(guān)狀態(tài)。
功率器件處于上述前、后開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時間即為當(dāng)前控制周期內(nèi)對應(yīng)開關(guān)函數(shù)的作用時間。例如，某個功率器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時，其對應(yīng)的開關(guān)函數(shù)為Sx，N，則該功率器件處于導(dǎo)通狀態(tài)的持續(xù)時間就是TSx0。最后按照(15)式的方法判斷得到的當(dāng)前控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化方向，由各功率器件的前、后開關(guān)狀態(tài)及其持續(xù)時間構(gòu)成逆變器的控制脈沖。
權(quán)利要求
1.一種用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)將用于控制多電平逆變器的三相參考電壓進(jìn)行分解，得到偏移電壓分量和兩電平電壓分量；(2)根據(jù)逆變器的輸出電壓與參考電壓之間的等效原則，上述偏移電壓分量即為逆變器當(dāng)前控制周期內(nèi)每相電路的前、后兩個開關(guān)函數(shù)；(3)將上述兩電平電壓分量乘以逆變器的控制周期，得到逆變器每相電路前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間；(4)將上述前、后開關(guān)函數(shù)與各開關(guān)函數(shù)的作用時間進(jìn)行合成，得到多電平逆變器的控制脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的對三相參考電壓進(jìn)行分解的方法包括如下步驟(1)對參考電壓進(jìn)行取整，得到參考電壓的偏移分量(2)從參考電壓中減去偏移分量，得到參考電壓的二電平分量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的將開關(guān)函數(shù)及其作用時間進(jìn)行合成的方法包括以下步驟(1)根據(jù)上一控制周期末端輸出的開關(guān)函數(shù)，使兩個相鄰控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化量最小，由此確定當(dāng)前控制周期內(nèi)開關(guān)函數(shù)的變化方向；(2)根據(jù)逆變器的輸出脈沖，建立相應(yīng)的開關(guān)函數(shù)與逆變器各功率器件開關(guān)狀態(tài)之間的映射表，從映射表中根據(jù)逆變器當(dāng)前控制周期的開關(guān)函數(shù)確定逆變器當(dāng)前控制周期內(nèi)各功率器件的開關(guān)狀態(tài)；(3)在當(dāng)前控制周期內(nèi)，各功率器件處于上述開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時間等于相應(yīng)前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間，由功率器件的開關(guān)狀態(tài)及其持續(xù)時間構(gòu)成了逆變器的控制脈沖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，屬于電氣設(shè)備自動化技術(shù)領(lǐng)域。本方法首先將用于控制多電平逆變器的三相參考電壓進(jìn)行分解，得到偏移電壓分量和兩電平電壓分量；根據(jù)逆變器的輸出電壓與參考電壓之間的等效原則，上述偏移電壓分量即為逆變器當(dāng)前控制周期內(nèi)每相電路的前、后兩個開關(guān)函數(shù)；將兩電平電壓分量乘以逆變器的控制周期，得到逆變器每相電路前、后開關(guān)函數(shù)的作用時間；將前、后開關(guān)函數(shù)與各開關(guān)函數(shù)的作用時間進(jìn)行合成，得到多電平逆變器的控制脈沖。本發(fā)明的方法，不受逆變器電路結(jié)構(gòu)和電平數(shù)的限制，是一種通用的多電平脈寬調(diào)整算法，其原理簡單，數(shù)字實現(xiàn)容易。
文檔編號H02M7/48GK1490925SQ03156358
公開日2004年4月21日 申請日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者劉文華, 陳遠(yuǎn)華 申請人:清華大學(xué)