專利名稱：一種三相四橋臂三電平逆變器中點(diǎn)電位漂移抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三電平逆變器中點(diǎn)電位漂移抑制方法，尤其一種三相四橋臂三電平逆 變器中點(diǎn)電位漂移抑制方法。
背景4支術(shù)
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，逆變器廣泛應(yīng)用于大功率領(lǐng)域，因此， 多電平技術(shù)逐漸成為研究的熱門方向。傳統(tǒng)的多電平拓樸可分為電容箝位式、二極管箝位 式和級(jí)聯(lián)式，其中二極管箝位式由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到了廣泛關(guān)注。利用多電平技術(shù)，可以減 少每個(gè)功率管承受的壓降，從而提高系統(tǒng)功率，同時(shí)減少輸出電壓的諧波含量，并降低電
磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；但是隨著電平數(shù)目的增多，電路拓樸和控制策略復(fù)雜程度急 劇增加?；谏鲜龈鞣N原因，三電平顯示出了很大的優(yōu)越性。然而，三電平技術(shù)也存在著 不容忽視的難題直流側(cè)電容中點(diǎn)電位的平衡問題。若能對(duì)其進(jìn)行較好的控制，不僅能減 少輸出波形的諧波含量，且有助于三相的解耦控制。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于三相三橋臂三電 平的拓樸研究出了多種算法，但大多以"減少"中點(diǎn)電位漂移為主，且抑制效果與所帶負(fù) 載的功率因數(shù)和調(diào)制比密切相關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出 一種三相四橋臂三電平逆變 器中點(diǎn)電位漂移抑制方法。
本發(fā)明提出的 一種三相四橋臂三電平逆變器中點(diǎn)電位漂移抑制方法特征在于包括如下
步驟
(1)采用三個(gè)橋臂的中點(diǎn)電壓即第一橋臂中點(diǎn)電壓K、第二橋臂中點(diǎn)電壓R、第三橋
臂中點(diǎn)電壓F3合成坐標(biāo)下的綜合電壓矢量rre/ =
中，J^為^v在"y 坐標(biāo)下的"軸分量，j^為^,在""坐標(biāo)下的A軸分量，為自然底數(shù),
J'為虛部；
5并將所述綜合電壓矢量Fre,轉(zhuǎn)換到g/z坐標(biāo)下的g軸分量^ ，/2軸分量Frt:
—, 1 —
卞-1 ——(
—、0 2廠 L 」
(2 )將步驟(1)所述的g軸分量Rg , /2軸分量Krt分別向上向下取整得到四個(gè)頂點(diǎn) 第一頂點(diǎn)f;為g軸分量Kg向上取整、A軸分量/^向下取整，第二頂點(diǎn)^^為g軸分量Kg 向下取整、/2軸分量J^向上取整，第三頂點(diǎn)F^為g軸分量F^上取整、/z軸分量FM向上 取整，第四頂點(diǎn)Fu為g軸分量向下取整、軸分量Frt向下取整；
(3)選取與f^相鄰的三個(gè)開關(guān)矢量合成r^并定義第一開關(guān)矢量^、第二開關(guān)矢量
《、第三開關(guān)矢量《，且《=Fra、當(dāng)^g+FA—(F^+F固)大于零則 《=1
'd廣D 《=1 一《一 d2
、
當(dāng)Rg+^ - (r吸+小于或等于零則《=&
《=r 一 r〃
<《A《'
<i3 = 1 -《 一 《
其中《為第一開關(guān)矢量R'的占空比、《為第二開關(guān)矢量《的占空比、《為第三開關(guān)矢量
6《的占空比，r^為第一頂點(diǎn)p;的g軸分量，r^為第一頂點(diǎn)j^的/z軸分量，r^g為第 三頂點(diǎn)^^的g軸分量，KM^為第三頂點(diǎn)Fw的/ 軸分量，K^為第四頂點(diǎn)^的g軸分量，
K^,為第四頂點(diǎn)r"的/ 軸分量；
(4 )將步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量經(jīng)過矢量選擇得到第四橋臂0狀態(tài)的作用占空比 為《；第一橋臂P狀態(tài)占空比為《p, 0狀態(tài)占空比為《。，N狀態(tài)占空比為4";第二橋臂 P狀態(tài)占空比為^p，0狀態(tài)占空比為^。，N狀態(tài)占空比為^";第三橋臂P狀態(tài)占空比為4p， 0狀態(tài)占空比為《。，N狀態(tài)占空比為t^;所述矢量選擇具體如下
當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含中矢量，則用與中矢量最相鄰的兩個(gè)長(zhǎng)矢 量各作用一半占空比來合成此中矢量；
當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含正負(fù)小矢量，則成對(duì)使用且作用相同的占 空比，其中一個(gè)小矢量所對(duì)應(yīng)的第四橋臂開關(guān)狀態(tài)為O狀態(tài)，另一個(gè)小矢量所對(duì)應(yīng)的第四 橋臂開關(guān)狀態(tài)待定為P狀態(tài)或N狀態(tài)；
當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含長(zhǎng)矢量，所選的長(zhǎng)矢量第四橋臂開關(guān)狀態(tài) 不為O狀態(tài)；
當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含零矢量，第四橋臂開關(guān)狀態(tài)采用O狀態(tài)； (5)由第四橋臂相電壓r4:l(^+r2+^)即
A*《+0*《+(-《-《)=丄
|*(W~) + 0*(《+c/2。+"3。) + (—|)*(《
可得到第四橋臂P狀態(tài)的作用占空比力，上式中第四橋臂N狀態(tài)的作用占空比 l-《-力，0狀態(tài)時(shí)第四橋臂中點(diǎn)電壓為O, P狀態(tài)時(shí)第四橋臂中點(diǎn)電壓為l^， N狀態(tài)時(shí)
第四橋臂中點(diǎn)電壓為一一，五為所述逆變器母線電壓，P狀態(tài)為所述橋臂正向?qū)顟B(tài)，0
2
狀態(tài)為所述橋臂關(guān)斷狀態(tài)，N狀態(tài)為所述橋臂反向?qū)顟B(tài)。
本發(fā)明基于三相四橋臂三電平逆變器的拓樸，提出一種直流側(cè)電容中點(diǎn)電位漂移抑制 策略，不僅可帶不對(duì)稱負(fù)載，還能在任何負(fù)載功率因數(shù)和調(diào)制比的情況下基本"消除"中
點(diǎn)電位波動(dòng)。發(fā)明提出的三相四橋臂三電平逆變器中點(diǎn)電位漂移抑制策略包具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)系統(tǒng)具有帶不對(duì)稱負(fù)栽的能力。
(2 )在任何負(fù)載功率因數(shù)和調(diào)制比下都能完全抑制中點(diǎn)電位漂移。
7(3)輸出電壓波形正弦度良好。
(4 )降低了系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)穩(wěn)壓電容的要求。
(5)該算法無須采樣電流，開環(huán)閉環(huán)都適用。


圖1:三相四橋臂三電平逆變器的電路拓樸圖。 圖2:三電平SVPWM電壓矢量分布圖。 圖3: g —/2坐標(biāo)與a-Z 坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明基于三相四橋臂三電平逆變器提出一種直流側(cè)電容中點(diǎn)電位漂移 抑制策略。電路拓樸的特征在于在傳統(tǒng)三橋臂逆變器的基礎(chǔ)上加上第四橋臂以流通零序 電流，帶不對(duì)稱負(fù)載。
下面結(jié)合附圖1至圖3具體敘述本發(fā)明。
1、數(shù)學(xué)模型
三相四橋臂逆變器的數(shù)學(xué)模型如下
設(shè)R、 r2、 K3、 ！^分別為四個(gè)橋臂相對(duì)于直流電容中點(diǎn)的電壓，r。卩r。2、 K。3分別為 輸出三相電壓，z: /2、 /3分別為流過三相電感的電流，
廣K —J/ +
"1 「4 一 L丄"ol
《
2 4 & 。2
m=￡,《 (1)
、 欲 忽略電感上的低頻壓降，上式近似等于<formula>formula see original document page 9</formula>
由于^、 K2、巳3為三個(gè)獨(dú)立變量'因此三相四橋臂逆變器的數(shù)學(xué)模型是三維的，其 開關(guān)矢量合成的綜合矢量構(gòu)成六棱柱。傳統(tǒng)的算法將六棱柱分解為空間三棱柱，再將每個(gè) 三棱柱分解為四面體，對(duì)于任意的綜合開關(guān)矢量確定其所在的四面體，用四面體四個(gè)頂點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的開關(guān)矢量來合成所需要的綜合矢量，再通過矩陣運(yùn)算求出每個(gè)開關(guān)矢量的作用時(shí)
間。這種相當(dāng)算法繁瑣，工作量巨大，提高了對(duì)DSP的要求。本發(fā)明采用降維策略，避開 了這種繁瑣的運(yùn)算。
2、前三橋臂開關(guān)矢量選取和作用時(shí)間計(jì)算
現(xiàn)令 「4=丄(^!+^+^) (3)
將其代入(2 )中方程組得到 ^ + r。2 + r。3 = 0 ( 4 )
則逆變器的輸出為兩個(gè)獨(dú)立變量，模型從三維降到了 二維。
定義"—"坐標(biāo)系下的綜合矢量I^ =2[" —。 + (F2 -F4)e"2°° +(F3 -。,4<r
3
(5)
化簡(jiǎn)得 =f (R+K—12?！?+K3—24?！? (6)
3
K、 r2、 ^均可耳又A (P (1, 1, 0， O))、 0 (0 (0， 1, 1, O))、 (N (0, 0, 1， l))
2 2
(五為母線電壓)三種狀態(tài)，得出由27個(gè)開關(guān)矢量構(gòu)成的矢量表。前三橋臂的開關(guān)狀態(tài)即 可在此矢量表中選擇。
設(shè)利用公式(3 )得到的a - 〃坐標(biāo)系下的參考綜合矢量為,將其轉(zhuǎn)換到g - /z坐標(biāo) 系(坐標(biāo)系如附圖3所示)，轉(zhuǎn)換公式如下將Re 、 KA分別除以A ，得到的數(shù)在-2到2之間。由此得到60°坐標(biāo)下的三電平空間 矢量圖，如圖2所示。
對(duì)任意的空間參考矢量^V (^， ^),將兩個(gè)坐標(biāo)分別向上向下取整得到P; (4向 上取整，K^向下取整)、Fw (F,g向下取整，P^向上取整)、(Kg向上取整，K^向上 取整)、^ (、向下取整，^向下取整)，設(shè)選取的三個(gè)綜合矢量(圖2中小三角形的三 個(gè)頂點(diǎn))為《、《、K，并令《=^,判斷^+^-(F^+^J的符號(hào)，若 大于零則取^、F^，否則《=^￡。利用選出的這三個(gè)開關(guān)矢量擬合參考矢量，它們的作
用占空比由以下公式計(jì)算 ①若^3 =^^時(shí)，
= -(4 -7謡) A 二 -(Kg — ^/(7g ) ^ = 1 —《一j，
(8)
若《=&丄時(shí)，
^ = 1 一《一A
(9)
3、中點(diǎn)電位漂移抑制策略
從前三橋臂的空間矢量圖可以看出，開關(guān)綜合矢量可以分為三類
① 長(zhǎng)矢量六個(gè)，位于正六邊形的頂點(diǎn)上，三個(gè)開關(guān)都僅有P、 N兩種狀態(tài)，只要第四橋 臂開關(guān)狀態(tài)不為0,就對(duì)直流電容中點(diǎn)電位漂移無影響。
② 中矢量六個(gè)，位于正六邊形每條邊的中點(diǎn)，開關(guān)含有0狀態(tài)，對(duì)直流電容中點(diǎn)電位漂 移有影響。
③ 短矢量六對(duì)，位于正六邊形中心與頂點(diǎn)連線中點(diǎn)。每一對(duì)短矢量對(duì)直流電容中點(diǎn)電位 漂移的影響可相互抵消。以頂點(diǎn)(O， 1 ) (PP0/00N)為例，若加上第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)， 使PP00和OONx ( x為P或N )的作用占空比相等，那么-(/。 +4)(開關(guān)狀態(tài)為PP00時(shí)流過 電容中點(diǎn)的電流)對(duì)電容放電時(shí)間和(/。 + 。(開關(guān)狀態(tài)為OONx時(shí)流過電容中點(diǎn)的電流)對(duì)
電容充電時(shí)間相同，則在單周期內(nèi)，通過電容中點(diǎn)的電流平均值為零。④零矢量三個(gè)，位于正六邊形中心。若取PPPx、 NNNx、 0000，則對(duì)電容中點(diǎn)電位漂移 無影響。
由上述敘述可知，若要直流電容中點(diǎn)電位無漂移，可選用長(zhǎng)矢量、零矢量、成對(duì)使用 短矢量，而中矢量則以與它相鄰的兩個(gè)長(zhǎng)矢量合成，這樣可使每個(gè)采樣周期內(nèi)通過電容中 點(diǎn)的電流平均值都為零，并且與所帶負(fù)載的功率因數(shù)及調(diào)制比無關(guān)。
下面以區(qū)域(*)內(nèi)的參考矢量為例介紹算法的具體實(shí)施方案。
若、/ (Kg, 落在區(qū)域(*)內(nèi)，則R' (1, 0),《(0, 1),《(1， 1)。用公
式組(8 )或(9 )計(jì)算它們的作用占空比分別為《、《、《。則各矢量的作用情況如下表
所示；
P0000NNxPP00OONxPPNxP麗x
《《《《《
了TT
z'。-((+4)00
表中第一行表示四個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)(其中x表示第四橋臂開關(guān)狀態(tài)未定，可以是P 或N),第二行表示各開關(guān)狀態(tài)所作用的占空比。該區(qū)域中的短矢量P0N(P/0/N)由PPNx和
PNNx分別作用&合成。第三行為該矢量作用時(shí)通過直流側(cè)電容中點(diǎn)的電流。 2
由此確定第四橋臂0狀態(tài)占空比《=^ + & ，第 一橋臂P狀態(tài)占空比
2 2
& + & + & + o狀態(tài)占空比為d ^L + ^L, N狀態(tài)占空比為《^0;第二橋臂P lp2222 1 2 2
狀態(tài)占空比為^^, + ,， 0狀態(tài)占空比為^。=* + ,, N狀態(tài)占空比為^^:, + f; 第三橋臂P狀態(tài)占空比為^p-0， 0狀態(tài)占空比為^。=脊+ ,， N狀態(tài)占空比為
113"22 2 2
其它區(qū)域計(jì)算方法與此相同。
至此，前三橋臂開關(guān)狀態(tài)的選取已全部完成，接下來選取第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)。 第四橋臂P狀態(tài)和N狀態(tài)的總作用占空比為1減去0狀態(tài)作用的占空比，即為u。
設(shè)第四橋臂P狀態(tài)作用占空比為d，橋臂中點(diǎn)電壓為#; N狀態(tài)作用的占空比為
—^，橋臂中點(diǎn)電壓為—A; o狀態(tài)時(shí)橋臂中點(diǎn)電壓為0，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的平均電 22 2
壓無影響。代入公式(3)得
2 2 22 3
22 322 2 2
解之
付
d = —G —2《一A)
由此可確定第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)為:
P狀態(tài)占空比為d;
0狀態(tài)占空比為4 + ^ 2 2
N狀態(tài)占空比為1-4 —^一^
2 2
4、確定每個(gè)開關(guān)管的作用時(shí)間。
由三相四橋臂三電平逆變器的電路拓樸可知，每一個(gè)橋臂由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，從上到 下依次定義為1、 2、 3、 4號(hào)開關(guān)管。因?yàn)槊總€(gè)橋臂的作用狀態(tài)只能為P (1, 1， 0, 0), 0 (0， 1, 1， 0)， N(O, 0, 1, 1),所以同一橋臂上的l、 3號(hào)管的工作狀態(tài)恰好相反，2、 4號(hào)管的工作狀態(tài)恰好相反，因此只需求出1、 2號(hào)管的工作占空比，并與三角載波相交得
12到PWM脈沖波，反相即為3、 4號(hào)管的脈沖波。仍以上例為例，下表為各橋臂每種開關(guān)狀態(tài) 的占空比。
p0N
橋臂①+ w、《 c/， 」+J 2 20
橋臂②2 2t/, d， 2 2《 c/3 T+了
橋臂③2 2C/,t/， ' 22 30
橋臂④—(3 — 2" _^/7) 6 ' 22 2丄(3-^ _2《) 6 1 2
下表為每個(gè)開關(guān)管的占空比列表:
l號(hào)管2號(hào)管3號(hào)管4號(hào)管
橋臂①4d， ' 22 312 20
橋臂②l" + i《 《 1---- 2 2， f/7 12 2《+《 2 2
橋臂③c/, d， 2 21、。 々 々-|(N0
橋臂④丄(3-2^-《) 6 1 2丄(3 +《+2fi 2) 6 1 2丄(3 + 2^ +^) 6 1 2丄(3-《-2^2) 6 1 2
將所得到的占空比與栽波相交，得到各自的脈沖波作用于各開關(guān)管，輸出電壓即可跟 蹤給定電壓，且保證中點(diǎn)電位基本恒定。
1權(quán)利要求
1. 一種三相四橋臂三電平逆變器中點(diǎn)電位漂移抑制方法特征在于包括如下步驟(1)采用三個(gè)橋臂的中點(diǎn)電壓即第一橋臂中點(diǎn)電壓V1、第二橋臂中點(diǎn)電壓V2、第三橋臂中點(diǎn)電壓V3合成αβ坐標(biāo)下的綜合電壓矢量其中，Vrα為Vref在αβ坐標(biāo)下的α軸分量，Vrβ為Vref在αβ坐標(biāo)下的β軸分量，為自然底數(shù)，j為虛部；并將所述綜合電壓矢量Vref轉(zhuǎn)換到gh坐標(biāo)下的g軸分量Vrg，h軸分量Vrh(2)將步驟(1)所述的g軸分量Vrg，h軸分量Vrh分別向上向下取整得到四個(gè)頂點(diǎn)第一頂點(diǎn)VUL為g軸分量Vrg向上取整、h軸分量Vrh向下取整，第二頂點(diǎn)VLU為g軸分量Vrg向下取整、h軸分量Vrh向上取整，第三頂點(diǎn)VUU為g軸分量Vrg上取整、h軸分量Vrh向上取整，第四頂點(diǎn)VLL為g軸分量Vrg向下取整、h軸分量Vrh向下取整；(3)選取與Vref相鄰的三個(gè)開關(guān)矢量合成Vref并定義第一開關(guān)矢量第二開關(guān)矢量第三開關(guān)矢量且當(dāng)Vrg+Vrh-(VULg+VULh)大于零則當(dāng)Vrg+Vrh-(VULg+VULh)小于或等于零則其中d1為第一開關(guān)矢量的占空比、d2為第二開關(guān)矢量的占空比、d3為第三開關(guān)矢量的占空比，VULg為第一頂點(diǎn)VUL的g軸分量，VULh為第一頂點(diǎn)VUL的h軸分量，VUUg為第三頂點(diǎn)VUU的g軸分量，VUUh為第三頂點(diǎn)VUU的h軸分量，VLLg為第四頂點(diǎn)VLL的g軸分量，VLLh為第四頂點(diǎn)VLL的h軸分量；(4)將步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量經(jīng)過矢量選擇得到第四橋臂0狀態(tài)的作用占空比為do；第一橋臂P狀態(tài)占空比為d1p，0狀態(tài)占空比為d1o，N狀態(tài)占空比為d1n；第二橋臂P狀態(tài)占空比為d2p，0狀態(tài)占空比為d2o，N狀態(tài)占空比為d2n；第三橋臂P狀態(tài)占空比為d3p，0狀態(tài)占空比為d3o，N狀態(tài)占空比為d3n；所述矢量選擇具體如下當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含中矢量，則用與中矢量最相鄰的兩個(gè)長(zhǎng)矢量各作用一半占空比來合成此中矢量；當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含正負(fù)小矢量，則成對(duì)使用且作用相同的占空比，其中一個(gè)小矢量所對(duì)應(yīng)的第四橋臂開關(guān)狀態(tài)為0狀態(tài)，另一個(gè)小矢量所對(duì)應(yīng)的第四橋臂開關(guān)狀態(tài)待定為P狀態(tài)或N狀態(tài)；當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含長(zhǎng)矢量，所選的長(zhǎng)矢量第四橋臂開關(guān)狀態(tài)不為0狀態(tài)；當(dāng)步驟3所述的三個(gè)開關(guān)矢量中包含零矢量，第四橋臂開關(guān)狀態(tài)采用0狀態(tài)；(5)由第四橋臂相電壓即可得到第四橋臂P狀態(tài)的作用占空比dp，上式中第四橋臂N狀態(tài)的作用占空比1-do-dp，0狀態(tài)時(shí)第四橋臂中點(diǎn)電壓為0，P狀態(tài)時(shí)第四橋臂中點(diǎn)電壓為N狀態(tài)時(shí)第四橋臂中點(diǎn)電壓為E為所述逆變器母線電壓，P狀態(tài)為所述橋臂正向?qū)顟B(tài)，0狀態(tài)為所述橋臂關(guān)斷狀態(tài)，N狀態(tài)為所述橋臂反向?qū)顟B(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種三相四橋臂三電平逆變器中點(diǎn)電位漂移抑制方法。本發(fā)明將三相四橋臂三電平逆變器的SVPWM矢量從傳統(tǒng)的三維空間降維至平面，前三橋臂和第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)分開選取，充分利用前三橋臂三電平空間矢量表，選取零矢量，長(zhǎng)矢量，成對(duì)使用小矢量，不直接使用中矢量，利用相鄰長(zhǎng)矢量合成中矢量，以電容充電效應(yīng)和放電效應(yīng)相抵消為原則選擇第四橋臂的開關(guān)狀態(tài)。該算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，不僅可帶不對(duì)稱負(fù)載，且在任何負(fù)載功率因數(shù)和調(diào)制比下流過直流側(cè)電容中點(diǎn)的電流在一個(gè)周期內(nèi)平均值嚴(yán)格為零，從而有效抑制了中點(diǎn)電位的漂移。該算法無須采樣電流，降低了系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)穩(wěn)壓電容的要求，開環(huán)控制和閉環(huán)控制均可使用。
文檔編號(hào)H02M7/44GK101510736SQ200910030320
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者朱婷婷, 宇 王, 王曉琳, 鄧智泉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)