本發(fā)明涉及一種三相三電平逆變器的控制方法，尤其是一種基于N型和P型SVPWM控制結(jié)合的控制方法。

背景技術：

隨著逆變器功率的增大，以及功率開關管的開關頻率的提高，開關管的開關損耗越來越大，已成為制約高功率密度逆變器發(fā)展的一個關鍵問題，為此，多電平逆變器已逐漸成為工業(yè)應用的主流。其中，三電平逆變器由于特性優(yōu)良且控制較為簡單，得到了廣泛應用。

空間矢量調(diào)制技術(SVPWM)是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的脈寬調(diào)制方法,在電力電子調(diào)制中已經(jīng)被廣泛應用。它的核心思想就是將變換器的不同開關狀態(tài)作為基本作用矢量，根據(jù)所選擇的基本矢量及其特定的作用時間來合成參考矢量。相比普通的PWM調(diào)制算法，它有很多突出的優(yōu)點：電壓的利用率高,易于數(shù)字化實現(xiàn),輸出波形質(zhì)量好,接近正弦,合理安排空間矢量,可以降低開關頻率,減少開關損耗。SVPWM調(diào)制下，三電平逆變器三相橋臂每相有三個(2-1-0)開關狀態(tài)，整個系統(tǒng)就有27種開關狀態(tài)，分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢量和中矢量沒有冗余開關狀態(tài)，而零矢量和小矢量存在冗余狀態(tài)；對于中點電流而言，零矢量和大矢量對應的中點電流為零，中矢量雖然能夠?qū)χ悬c電位產(chǎn)生影響，然而由于并不存在冗余狀態(tài)，因此中矢量并不能參與中點平衡控制。為此考慮利用多余的小矢量來控制，一般采用改變作用次序的方法使波形在一個控制周期內(nèi)對稱。由于傳統(tǒng)空間電壓矢量調(diào)制模式都是基于七段式調(diào)制模式的方法，是利用冗余小矢量對中點電位平衡的作用，對中點電位的控制仍舊有限，且控制策略非常復雜。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于簡化傳統(tǒng)七段式三電平SVPWM控制策略，而提出一種基于三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法，具體技術方案如下。

一種三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法，其通過將三電平三相逆變器24個工作模態(tài)進行劃分，通過分離三電平三相逆變器N型小矢量和P型小矢量，N型小矢量與6個大矢量和6個中矢量構(gòu)成N型控制方法，P型小矢量與6個大矢量和6個中矢量構(gòu)成P型SVPWM控制方法，并將兩種控制方法作為獨立控制策略，僅依靠中點電位的需要聯(lián)系起來，兩種控制方法在不同工作區(qū)間的不同組合和切換控制實現(xiàn)。

進一步地，三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法具體包括以下步驟：

1)由三相三電平逆變器需要輸出的電壓矢量的相角確定其所在大扇區(qū)，進一步分析參考矢量的長度及相角關系得到所處小三角形區(qū)域；

2)根據(jù)所處的小三角形區(qū)域，選擇對應的三相三電平逆變器的三個工作模態(tài)，確定各個工作模態(tài)的工作時間；

3)根據(jù)所述各個工作模態(tài)的工作時間生成三個工作模態(tài)的切換序列，按照切換序列控制三個工作模態(tài)合成電壓矢量，使三個工作模態(tài)按參考矢量的圓形軌跡旋轉(zhuǎn)輸出三相三電平逆變器的正弦線電壓；

4)通過對中點電位以及各相電流的采樣檢測，決定當前時刻需采用N型還是P型SVPWM控制方法。

進一步地，上述方法中，在線性工作區(qū)間，N型SVPWM控制方法工作模態(tài)僅有6個大矢量即(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量即(210,120，021,012,102,201)，6個N型小矢量即(100，110,010，011,001，101)，該工作區(qū)間能劃分為6大扇區(qū)，包括：扇區(qū)S₁，對應0°～60°；扇區(qū)S₂，對應60°～120°；扇區(qū)S₃，對應120°～180°；扇區(qū)S₄，對應180°～240°；扇區(qū)S₅，對應240°～300°；扇區(qū)S₆，對應300°～360°；6大扇區(qū)又能為4個小三角形區(qū)，劃分依據(jù)由該工作區(qū)間的各矢量末端點連線構(gòu)成，各個大扇區(qū)劃分方式一致，且呈中心對稱，具體區(qū)域劃分情況如圖3所示。

P型SVPWM控制方法工作模態(tài)僅有6個大矢量即(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量即(210,120，021,012,102,201)，6個P型小矢量即(211，221,121，122,112，212)，該工作區(qū)間能劃分為6大扇區(qū)，包括：包括：扇區(qū)S₁，對應0°～60°；扇區(qū)S₂，對應60°～120°；扇區(qū)S₃，對應120°～180°；扇區(qū)S₄，對應180°～240°；扇區(qū)S₅，對應240°～300°；扇區(qū)S₆，對應300°～360°；6大扇區(qū)又能為4個小三角形區(qū)，劃分依據(jù)由由該工作區(qū)間的各矢量末端點連線構(gòu)成，各個大扇區(qū)劃分方式一致，且呈中心對稱，具體區(qū)域劃分情況如圖4所示。

兩種控制方法差別僅在小矢量的差異，因此，所述步驟1,2在兩種控制方法中均一致，不同僅在開關序列的差異。

進一步地，上述方法步驟2)中，參考電壓矢量為U_ref，θ是U_ref與SVPWM中α軸的實際位置角，θ₀是U_ref的相對位置角，逆變器直流母線電壓為U_dc，參考矢量所在大扇區(qū)的判斷方法如下：

1)當時，U_ref∈S₁，U_ref所在三角大扇區(qū)的相對位置角θ₀＝θ；

2)當時，U_ref∈S₂，U_ref所在三角大扇區(qū)的相對位置角

3)當時，U_ref∈S₃，U_ref所在三角大扇區(qū)的相對位置角

4)當時，U_ref∈S₄，U_ref所在三角大扇區(qū)的相對位置角θ₀＝θ-π；

5)當時，U_ref∈S₅，U_ref所在三角大扇區(qū)的相對位置角

6)當時，U_ref∈S₆，U_ref所在三角大扇區(qū)的相對位置角

參考矢量所在小三角形區(qū)域能由相對位置角θ₀以及參考矢量的長度共同確定：

判斷規(guī)律如下表1所示，表中Y表示式中對應規(guī)則成立，N表示式中對應規(guī)則不成立，-表示無關；

表1

進一步地，上述方法步驟2)中，選擇所使用的空間電壓矢量時，由于N型或者P型SVPWM控制方法都僅使用了一半的小矢量，因此選擇矢量時僅需根據(jù)參考電壓矢量所在三角形區(qū)域，選擇臨近的三個電壓矢量來擬合參考電壓矢量，具體的矢量選擇方案如圖3、圖4所示。

按照選擇出的空間電壓矢量，由參考電壓矢量的長度以及相對位置角能確定各空間矢量的作用時間：

1)當參考電壓矢量處于小三角形1時，參考電壓矢量由小矢量U₁、小矢量U₂及零矢量U₀合成，各矢量具體作用時間如下所示：

2)當參考電壓矢量處于小三角形2時，參考電壓矢量由小矢量U₁、小矢量U₂及中矢量U₃合成，各矢量具體作用時間如下所示：

3)當參考電壓矢量處于小三角形3時，參考電壓矢量由小矢量U₁、中矢量U₂及大矢量U₃合成，各矢量具體作用時間如下所示：

4)當參考電壓矢量處于小三角形4時，參考電壓矢量由小矢量U₁、中矢量U₂及大矢量U₃合成，各矢量具體作用時間如下所示：

進一步地，上述方法所述步驟3)中，考慮開關序列的連續(xù)性以及對稱性，各大扇區(qū)的開關序列確定如下：

對于N型SVPWM控制方法，其切換序列為:

表2

對于P型SVPWM控制方法，其切換序列為:

表3

進一步地，上述方法中，對于N型或者P型SVPWM控制方法，每一種都只采用18個工作模態(tài)進行切換控制；NP互補型SVPWM控制方式相比于傳統(tǒng)SVPWM控制策略，在一個輸出電壓周期內(nèi)開關次數(shù)減少1/3。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：

本方法通過N、P型兩種SVPWM控制方法的結(jié)合，簡化了傳統(tǒng)SVPWM控制策略的切換序列，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1.對于同樣的載波頻率，其功率管開關次數(shù)比SVPWM控制減少1/3；2.單一一種控制方法的實現(xiàn)均較SVPWM簡單，且思路清晰，對中點電位的調(diào)控反應迅速。

附圖說明

圖1是三電平三相逆變器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖；

圖2是三電平三相逆變器的N型與P型SVPWM控制方法矢量分布圖；

圖3是三電平三相逆變器N型SVPWM控制方法在各個區(qū)域作用矢量示意圖；

圖4是三電平三相逆變器P型SVPWM控制方法在各個區(qū)域作用矢量示意圖；

圖5是三電平三相逆變器在N型SVPWM控制下的中點電壓波形；

圖6是三電平三相逆變器在P型SVPWM控制下的中點電壓波形；

圖7是三電平三相逆變器在NP互補型SVPWM控制下的線電壓波形；

圖8是三電平三相逆變器在NP互補型SVPWM控制下中點電位波形；

圖9是三電平三相逆變器在NP互補型SVPWM控制下單相突加雙倍負載時中點電位波動情況。

具體實施方法

以下是結(jié)合三電平三相逆變器NP互補型SVPWM控制方法對本發(fā)明技術方案的具體實施作進一步詳細說明，但本發(fā)明的實施和保護范圍不限于此。需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或參數(shù)，均是本領域技術人員可參照現(xiàn)有技術(SVPWM)中理解或?qū)崿F(xiàn)的。

圖1是三電平三相逆變器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖，電路構(gòu)成并非本發(fā)明設計，因此在此無需贅述，其中的元件符號也是通用的規(guī)范符號。三電平三相逆變器電路拓撲各相電平狀態(tài)對應的開關狀態(tài)如表4所示。

表4

如圖2所示，在線性工作區(qū)間，N型SVPWM控制方法工作模態(tài)僅有6個大矢量(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量(210,120，021,012,102,201)，6個N型小矢量(100，110,010，011,001，101)。P型SVPWM控制方法工作模態(tài)僅有6個大矢量(200,220,020,022,002,202)，6個中矢量(210,120，021,012,102,201)，6個P型小矢量(211，221,121，122,112，212)。根據(jù)中點電位以及三相電流在每個開關周期T_s內(nèi)選擇的合適的SVPWM控制方法，由參考電壓所在三角形區(qū)域頂點所代表的三個電壓矢量組合出逆變器的參考電壓矢量，并使其按圓形軌跡旋轉(zhuǎn)，從而獲得如圖7所示的三相正弦線電壓輸出。

假設參考電壓矢量為U_ref，三電平三相逆變器的NP互補型SVPWM控制方法實現(xiàn)步驟如下：

1.參考電壓矢量所在區(qū)間確定

①參考電壓矢量所在大扇區(qū)的判斷

矢量包括幅值與相角，因此參考電壓矢量所在扇區(qū)可由相角確定。具體實現(xiàn)如下：

其中，θ是U_ref與α軸的實際位置角，S₁，S₂，S₃，S₄，S₅和S₆分別代表大扇區(qū)1～6，θ₀是U_ref的相對位置角。

②參考電壓矢量所在小三角形區(qū)域的判斷

確定參考電壓矢量所在大扇區(qū)之后，小區(qū)域的判斷需要借助U_ref和θ₀來進行判斷。參考電壓矢量所處的小三角形區(qū)域可由參考電壓矢量的長度以及其相對位置角θ₀通過如下規(guī)則判斷：

判斷規(guī)律如表1所示，表中“Y”表示對應規(guī)則成立，“N”表示對應規(guī)則不成立，“-”表示無關。

1、工作模態(tài)的工作時間確定：

結(jié)合N型、P型SVPWM控制方法的矢量分布圖的對稱性，各大扇區(qū)的時間僅需要由參考矢量的長度以及相對位置角θ₀即可確定，具體分析如下：

如圖3、圖4三角形列1所示，當參考矢量即參考電壓矢量處于小三角形區(qū)域1，參考電壓矢量由兩個小矢量即模態(tài)U₁和模態(tài)U₂跟隨，則有U_refT_s＝U₁T₁+U₂T₂，其中T₁是模態(tài)U₁工作時間；T₂是模態(tài)U₂工作時間，且有T_s＝T₁+T₂+T₀，T₀是模態(tài)U₁、U₂不工作時，逆變器三相橋臂均處于零電位的工作時間。設U_ref的相對位置角為θ₀，逆變器直流母線電壓為U_dc則有：

由上式可確定模態(tài)U₁、U₂及U₀的時間如下所示：

如圖3、圖4三角形列2所示，若參考電壓矢量U_ref位于小三角形區(qū)域2時，參考電壓矢量由兩個小矢量U₁，U₂與一個中矢量U₃合成，其工作時間可由下式確定：

求解得到：

如圖3、圖4三角形列3所示，若參考電壓矢量U_ref位于小三角形區(qū)域3時，參考電壓矢量由一個小矢量U₁，一個中矢量U₂與一個大矢量U₃合成，其工作時間可由下式確定：

求解可得：

如圖3、圖4三角形列4所示。若參考電壓矢量U_ref位于小三角形區(qū)域4時，參考電壓矢量由一個小矢量U₁，一個中矢量U₂與一個大矢量U₃合成，其工作時間可由下式確定：

求解可得：

2、工作模態(tài)的切換序列生成

確定小三角形區(qū)域各矢量工作時間之后，各區(qū)間的開關序列隨著確定，具體如下：

對于N型SVPWM控制方法，其切換序列為:

大扇區(qū)S₁：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

100(T₁/2)-110(T₂/2)-111(T₀)-110(T₂/2)-100(T₁/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

100(T₁/2)-110(T₂/2)-210(T₃)-110(T₂/2)-110(T₁/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

110(T₁/2)-210(T₂/2)-220(T₃)-210(T₂/2)-110(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

100(T₁/2)-200(T₃/2)-210(T₂)-200(T₃/2)-100(T₁/2)

大扇區(qū)S₂：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

010(T₂/2)-110(T₁/2)-111(T₀)-110(T₁/2)-010(T₂/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

010(T₂/2)-110(T₁/2)-120(T₃)-110(T₁/2)-010(T₂/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

010(T₁/2)-020(T₃/2)-120(T₂)-020(T₃/2)-010(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

110(T₁/2)-120(T₂/2)-220(T₃)-120(T₂/2)-110(T₁/2)

大扇區(qū)S₃：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

010(T₁/2)-011(T₂/2)-011(T₀)-011(T₂/2)-010(T₁/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

010(T₁/2)-011(T₂/2)-021(T₃)-011(T₂/2)-010(T₁/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

011(T₁/2)-021(T₂/2)-022(T₃)-021(T₂/2)-011(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

010(T₁/2)-020(T₃/2)-021(T₂)-020(T₃/2)-010(T₁/2)

大扇區(qū)S₄：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

001(T₂/2)-011(T₁/2)-111(T₀)-011(T₁/2)-001(T₂/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

001(T₂/2)-011(T₁/2)-012(T₃)-011(T₁/2)-001(T₂/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

001(T₁/2)-002(T₃/2)-012(T₂)-002(T₃/2)-001(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

011(T₁/2)-012(T₂/2)-022(T₃)-012(T₂/2)-022(T₁/2)

大扇區(qū)S₅：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

001(T₁/2)-101(T₂/2)-111(T₀)-101(T₂/2)-001(T₁/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

001(T₁/2)-101(T₂/2)-102(T₃)-101(T₂/2)-001(T₁/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

101(T₁/2)-102(T₂/2)-202(T₃)-102(T₂/2)-101(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

001(T₁/2)-002(T₃/2)-102(T₂)-002(T₃/2)-001(T₁/2)

大扇區(qū)S₆：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

100(T₂/2)-101(T₁/2)-111(T₀)-101(T₁/2)-100(T₂/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

100(T₂/2)-101(T₁/2)-201(T₃)-101(T₁/2)-100(T₂/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

100(T₁/2)-200(T₃/2)-201(T₂)-200(T₃/2)-100(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

101(T₁/2)-201(T₂/2)-202(T₃)-201(T₂/2)-101(T₁/2)

對于P型SVPWM控制方法，其切換序列為:

大扇區(qū)S₁：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

221(T₂/2)-211(T₁/2)-111(T₀)-211(T₁/2)-221(T₂/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

221(T₂/2)-211(T₁/2)-210(T₃)-211(T₁/2)-221(T₂/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

221(T₁/2)-220(T₃/2)-210(T₂)-220(T₃/2)-221(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

211(T₁/2)-210(T₂/2)-220(T₃)-210(T₂/2)-211(T₁/2)

大扇區(qū)S₂：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

221(T₁/2)-121(T₂/2)-111(T₀)-121(T₂/2)-221(T₁/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

221(T₁/2)-121(T₂/2)-120(T₃)-121(T₂/2)-221(T₁/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

121(T₁/2)-120(T₂/2)-220(T₃)-120(T₂/2)-121(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

221(T₁/2)-220(T₃/2)-120(T₂)-220(T₃/2)-221(T₁/2)

大扇區(qū)S₃：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

122(T₂/2)-121(T₁/2)-111(T₀)-121(T₁/2)-122(T₂/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

122(T₂/2)-121(T₁/2)-021(T₃)-121(T₁/2)-122(T₂/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

122(T₁/2)-022(T₃/2)-021(T₂)-022(T₃/2)-122(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

121(T₁/2)-021(T₂/2)-020(T₃)-021(T₂/2)-121(T₁/2)

大扇區(qū)S₄：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

122(T₁/2)-112(T₂/2)-111(T₀)-112(T₂/2)-122(T₁/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

122(T₁/2)-112(T₂/2)-012(T₃)-112(T₂/2)-122(T₁/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

112(T₁/2)-012(T₂/2)-002(T₃)-012(T₂/2)-112(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

122(T₁/2)-022(T₃/2)-012(T₂)-022(T₃/2)-122(T₁/2)

大扇區(qū)S₅：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

212(T₂/2)-112(T₁/2)-111(T₀)-112(T₁/2)-212(T₂/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

212(T₂/2)-112(T₁/2)-102(T₃)-112(T₁/2)-212(T₂/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

212(T₁/2)-202(T₃/2)-102(T₂)-202(T₃/2)-212(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

112(T₁/2)-102(T₂/2)-002(T₃)-102(T₂/2)-112(T₁/2)

大扇區(qū)S₆：1)三角形區(qū)1，開關序列為:

212(T₁/2)-211(T₂/2)-111(T₀)-211(T₂/2)-212(T₁/2)；

2)三角形區(qū)2，開關序列為:

212(T₁/2)-211(T₂/2)-201(T₃)-211(T₂/2)-212(T₁/2)

3)三角形區(qū)3，開關序列為:

211(T₁/2)-201(T₂/2)-200(T₃)-201(T₂/2)-211(T₁/2)

4)三角形區(qū)4，開關序列為:

212(T₁/2)-202(T₃/2)-201(T₂)-202(T₃/2)-212(T₁/2)。

前述表2是三電平三相逆變器N型SVPWM控制方法在各個區(qū)域的開關序列；表3是三電平三相逆變器P型SVPWM控制方法在各個區(qū)域的開關序列。

3、確定當前時刻所選用的SVPWM控制方法

單獨使用N型SVPWM控制方法時，由于中點電位不加以控制，會發(fā)生嚴重的偏移，具體如圖5所示；單獨使用P型SVPWM控制方法時，由于中點電位未加控制，也會發(fā)生嚴重偏移，具體如圖6所示。

為了保證中點電位的穩(wěn)定，將兩種控制方法結(jié)合使用，具體實施如下.

表5

如表5所示，參考電壓矢量U_ref處于扇區(qū)S₁和S₄時，中點平衡電流為Ia。當直流側(cè)上側(cè)電容的電壓U_dc1高于直流側(cè)下側(cè)電容的電壓U_dc2時，即U_dc1>U_dc2，若Ia>0，則應該選用P型SVPWM控制以升高中點電位，若Ia<0，則應該選用N型SVPWM控制以降低中點電位；當U_dc1<U_dc2時，則相反。參考電壓矢量U_ref處于扇區(qū)S₂和S₅時，中點平衡電流為Ib。當U_dc1>U_dc2，若Ib>0，則應該選用P型SVPWM控制以升高中點電位，若Ib<0，則應該選用N型SVPWM控制以降低中點電位；當U_dc1<U_dc2，則相反。參考電壓矢量U_ref處于扇區(qū)S₃和S₆時，中點平衡電流為Ic。當U_dc1>U_dc2，若Ic>0，則應該選用P型SVPWM控制以升高中點電位，若Ic<0，則應該選用N型SVPWM控制以降低中點電位；當U_dc1<U_dc2，則相反。

相應的NP互補型SVPWM控制方法控制下輸出線電壓在濾波后波形如圖7所示，非常接近標準正弦波。U_dc＝600V時，調(diào)制系數(shù)M＝0.8，帶功率因素為0.67的感性負載18kVA條件下，中點電位波形如圖8所示，波動范圍為：3/600＝0.5％。突加單相負載時，即三相負載不平衡時中點電位波動較大，但仍舊處于平衡狀態(tài)，且撤去突加負載后，中點電位迅速恢復原先狀態(tài)，具體如圖9所示。

對于NP互補型SVPWM控制方法控制的三相逆變器，在每個小三角形區(qū)域內(nèi)，在一個周期內(nèi)逆變器工作狀態(tài)切換4次，對應地，開關管總共開關4次；而逆變器由SVPWM方法控制時，在每個小三角形區(qū)域內(nèi)，逆變器在一個周期內(nèi)工作狀態(tài)切換6次，對應地，功率管開關6次，因此在相同的載波頻率以及相同的線電壓輸出情況下，NP互補型SVPWM控制方法相比SVPWM控制其開關次數(shù)減少1/3。