專利名稱：應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的一種調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的調(diào)制方法，尤其涉及一種采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)技術(shù)的調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)是電壓源型變流器的兩種基本調(diào)制手段，但由于SVPWM具有與電機磁鏈控制緊密結(jié)合，便于數(shù)字實現(xiàn)及直流電壓利用率高的特點，所以SVPWM在電機調(diào)速中較SPWM應(yīng)用更廣泛。近年來隨著工業(yè)的需要，變流器的拓撲結(jié)構(gòu)也從原來的低電壓橋式變流器逐步發(fā)展到二極管鉗位、飛跨電容器鉗位及級聯(lián)型結(jié)構(gòu)等多種高壓大容量多電平的方式。在大容量變流器中級聯(lián)型結(jié)構(gòu)以較低耐壓器件實現(xiàn)高壓大容量，不僅克服了開關(guān)器件電壓和容量的矛盾，且其通過疊加可以使電平數(shù)增加而降低網(wǎng)側(cè)和輸出側(cè)諧波含量，所以該結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)有更多的應(yīng)用范圍。
在拓撲發(fā)展過程中，自然就產(chǎn)生了多種運用于多電平結(jié)構(gòu)變流器的調(diào)制方法，如載波延時移相法、基于60°坐標(biāo)變換的多電平SVPWM法、參考矢量分解法、通用矢量法等。然而，在系統(tǒng)供電電壓下降、部分功率單元故障等情況導(dǎo)致功率單元直流電壓下降時，按控制的要求必然會提高空間矢量的調(diào)制比，由過調(diào)制理論知當(dāng)調(diào)制比大于0.906時，按照線性調(diào)制方法計算的零矢量作用時間為負數(shù)，這是在物理上不存在的現(xiàn)象，必須要進行過調(diào)制方法的改進?，F(xiàn)有用于電壓源型變流器的多電平空間矢量調(diào)制技術(shù)在確定矢量的區(qū)域和作用時間上計算量大，而且裝置每個功率單元開關(guān)器件的作用時間不相等，即存在部分器件容易長期工作疲勞而部分器件僅短期工作的缺陷，未考慮器件的實際工作狀況。為此本發(fā)明提出了錯時相差空間矢量調(diào)制法，除了可以簡化線性調(diào)制區(qū)域的計算，而且還簡化了過調(diào)制區(qū)域的作用時間計算及功率器件平均工作時間問題。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的調(diào)制方法，簡化線性調(diào)制區(qū)域的計算。
技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的調(diào)制方法， 根據(jù)橋式電壓源型功率單元的直流電壓值、控制指令參考電壓矢量及每相的功率單元數(shù)得到線性調(diào)制區(qū)、第一過調(diào)制區(qū)域和第二過調(diào)制區(qū)域； 設(shè)Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，則調(diào)制比0≤m≤0.906區(qū)間為線性調(diào)制區(qū)，0.906≤m≤0.951區(qū)間為第一過調(diào)制區(qū)域，0.951≤m≤1區(qū)間為第二過調(diào)制區(qū)域； 在線性調(diào)制區(qū)，計算七段式調(diào)制時矢量作用時間，方法如下
其中，
為指令參考電壓相位角，TS為開關(guān)周期，Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，t0、t1、t2、t7分別為正六邊形的基本電壓矢量圖中的四個空間電壓基本矢量在開關(guān)周期中對應(yīng)的持續(xù)時間、第一持續(xù)時間、第二持續(xù)時間和第七持續(xù)時間；φ為等效計算相角；S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號，可取1、2、3、4、5、6中的任意數(shù)，分別對應(yīng)第一扇區(qū)I、第二扇區(qū)II、第三扇區(qū)III、第四扇區(qū)IV、第五扇區(qū)V、第六扇區(qū)VI。
優(yōu)選的，在第一過調(diào)制區(qū)域，定義第一矢量作用時間比例系數(shù)k1為 定義線性調(diào)制區(qū)最大內(nèi)切圓電壓矢量為Vr_sin
定義位于正六邊形邊上的電壓矢量為Vr_hexagon
定義第一過調(diào)制區(qū)域的第一修正參考空間矢量為V′ V′＝(1-k1)Vr_sin+k1Vr_hexagon； 則在第一過調(diào)制區(qū)域，作用時間可利用下式計算矢量作用時間
其中
為指令參考電壓相位角，TS為開關(guān)周期，Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，t0、t1、t2、t7分別為正六邊形的基本電壓矢量圖中的四個空間電壓基本矢量在開關(guān)周期中對應(yīng)的持續(xù)時間、第一持續(xù)時間、第二持續(xù)時間和第七持續(xù)時間，φ為等效計算相角；S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號，可取1、2、3、4、5、6中的任意數(shù)，分別對應(yīng)第一扇區(qū)I、第二扇區(qū)II、第三扇區(qū)III、第四扇區(qū)IV、第五扇區(qū)V、第六扇區(qū)VI。
優(yōu)選的，在第二過調(diào)制區(qū)域時，定義第二矢量作用時間比例系數(shù)為 定義第二過調(diào)制區(qū)域第二修正參考空間矢量為V″
Vx為基本電壓矢量即正六邊形的頂點電壓矢量，x與指令參考電壓相位角
必須滿足一定的關(guān)系即
時取x＝1，
時取x＝2，
時取x＝3，
時取x＝4，
時取x＝5，
時取x＝6； 則在第二過調(diào)制區(qū)域，作用時間可利用下式計算矢量作用時間
其中
為指令參考電壓相位角，TS為開關(guān)周期，Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，t0、t1、t2、t7分別為正六邊形的基本電壓矢量圖中的四個空間電壓基本矢量在開關(guān)周期中對應(yīng)的持續(xù)時間、第一持續(xù)時間、第二持續(xù)時間和第七持續(xù)時間，φ為等效計算相角，S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號，可取1、2、3、4、5、6，分別對應(yīng)扇區(qū)I、II、III、IV、V、VI，φ為等效計算相角，S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號可取1、2、3、4、5、6中的任意數(shù)，分別對應(yīng)第一扇區(qū)I、第二扇區(qū)II、第三扇區(qū)III、第四扇區(qū)IV、第五扇區(qū)V、第六扇區(qū)VI。
有益效果本發(fā)明的有益效果在于 (1)利用錯時相差技術(shù)將多電平SVPWM變?yōu)樵诿總€采樣點僅需功率單元左右橋臂控制的兩電平SVPWM，同時也把相關(guān)的多電平過調(diào)制問題簡化為兩電平過調(diào)制算法，簡化了矢量區(qū)域的判斷時間； (2)兩電平過調(diào)制采用低諧波無需矢量計算的算法，繼承了傳統(tǒng)兩電平SVPWM的計算矢量作用時間方法，相應(yīng)程序編寫也簡單； (3)可以使系統(tǒng)從線性工作狀態(tài)平穩(wěn)過渡到六階梯波狀態(tài)，且能保證基波電壓的幅值隨調(diào)制比線性輸出，直至六階梯波時的最大值； (4)采用該調(diào)制方法使輸出的諧波含量也比較小，很適合級聯(lián)型變流器的運行。
圖1為三個H橋型三相電壓源型變流； 圖2為正六邊形的基本電壓矢量圖； 圖3為空間電壓矢量采樣圖； 其中La、Lb、Lc左橋臂組，Ra、Rb、Rc右橋臂組；V1~V6為基本電壓矢量圖六個基本狀態(tài)，VL和矢量VR均為由常規(guī)兩電平SVPWM生成的電壓矢量，V為矢量VL和矢量VR之差；V(k)為空間采樣點分布矢量。
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
為了簡單說明相差SVPWM調(diào)制的實現(xiàn)方法，先將級聯(lián)型變流器的最低層簡化成圖1所示電路，其中3個單相H橋共有6個橋臂，可分為兩組左橋臂組La、Lb、Lc和右橋臂組Ra、Rb、Rc。a、b、c三相電壓可表示為各單元左、右橋臂電壓之差，即 其中，uLi、uRi(i＝a、b、c)分別為a、b、c三個單元左、右橋臂中點對直流母線中點(Oa、Ob、Oc)電位的電壓。
顯然，uLi和uRi(i＝a，b，c)可分別構(gòu)成左橋臂組矢量VL(uLa，uLb，uLc)與右橋臂組矢量VR(uRa，uRb，uRc)，而由三相電壓uan、ubn、ucn構(gòu)成的矢量V(uan，ubn，ucn)為矢量VL和矢量VR之差，即 V＝VL-VR (2) 其中VL和VR均為由常規(guī)兩電平SVPWM生成的電壓矢量。
如圖2所示，為便于分析，以VL為參考且位于扇區(qū)I，與V1相差為φ，為使輸出電壓最大，一般取VL與VR反向，即令VR與VL之間的相位差為θ＝π，VR位于扇區(qū)IV，V與VL同相位，且V幅值為VL的2倍。
實際上，上述兩電平SVPWM調(diào)制的采樣點分布并不是唯一。如圖3所示，理論上可有無數(shù)種采樣點分布，只要第k采樣周期滿足
其中K＝fs/f，為頻率調(diào)制比；θ為相對于V1(100)的采樣起始相位角，0≤θ＜2π/K，很顯然常用兩電平SVPWM調(diào)制僅是令θ＝0，使初始時刻與V1重合。
兩電平錯時相差SVPWM技術(shù)就是使所有級聯(lián)單元(每相共n個)均按上述思想采樣，即將各層級聯(lián)單元的采樣時間相互錯開，使各層級聯(lián)單元采樣點相位依次相差為 則在第一層初始相位為0的前提下，第i層的三相功率單元左橋臂或右橋臂電壓矢量的起始相位角θi都取 其第k個采樣周期所對應(yīng)的相對于V1的位置角φ(k)為
其中φi(k)的取值范圍為0～2π，其后的實際調(diào)制算法可參考上述的錯時兩電平SVPWM調(diào)制，左右橋臂僅相差π角度。
根據(jù)雙模式過調(diào)制理論，把0≤m≤0.906稱為線性調(diào)制區(qū)；0.906≤m≤0.951稱為過調(diào)制區(qū)域1；0.951≤m≤1稱為過調(diào)制區(qū)域2。(定義調(diào)制比) 在線性調(diào)制區(qū)，文獻[張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京機械工業(yè)出版社，2003]給出了計算七段式調(diào)制時矢量作用時間的方法，如圖2所示，在正六邊形區(qū)域I中，可以得到如下V1、V2、V0、V7的計算公式
其中S為扇區(qū)編號可取1、2、…、6，分別對應(yīng)扇區(qū)I、II、…、VI；
為指令參考電壓相位角，TS為開關(guān)周期，Edc為橋式電壓源型變流器的直流電壓值。V0、V1、V2、V7為正六邊形的基本電壓矢量圖中的四個空間電壓基本矢量，它們在開關(guān)周期中對應(yīng)的持續(xù)時間分別為t0、t1、t2、t7；φ為等效計算相角；當(dāng)然，根據(jù)上述相差SVPWM調(diào)制的方法知，通過把矢量角度調(diào)整為(π+φ)就可得出VR合成矢量的作用時間。
在過調(diào)制區(qū)域1，定義矢量作用時間比例系數(shù) 定義線性調(diào)制區(qū)最大內(nèi)切圓電壓矢量
定義位于正六邊形邊上的電壓矢量
定義過調(diào)制區(qū)域I的修正參考空間矢量 V′＝(1-k1)Vr_sin+k1Vr_hexagon(11) 由(9)、(10)知上式(11)計算比較容易，僅需計算幅值的變化。另外，由于所得的修正參考空間矢量必然會在正六邊形區(qū)域內(nèi)，于是合成矢量的作用時間可用公式(7)中各式計算，只是把參考矢量幅值改為式(11)中的計算值，計算比較簡單。
當(dāng)調(diào)制比進入過調(diào)制區(qū)域2時，仍用上述過調(diào)制區(qū)域1的方法時，必然會涉及矢量計算的問題，為此，重新定義矢量作用時間比例系數(shù) 定義過調(diào)制區(qū)域2的修正參考空間矢量
其中Vx為基本電壓矢量即正六邊形的頂點電壓矢量，x與指令參考電壓相位角
必須滿足一定的關(guān)系即
時取x＝1，
時取x＝2，
時取x＝3，
時取x＝4，
時取x＝5，
時取x＝6。于是可得在正六邊形區(qū)域I時V1、V2作用時間為
通過以上的分析知，合成矢量作用時間計算過程中僅是一些判斷和代數(shù)的計算，計算量比較小，且三個調(diào)制區(qū)的公式比較相似，程序編寫比較簡單。
通過上述實施方案的描述可知，把級聯(lián)型變流器各層功率單元的調(diào)制的采樣時刻在時間上錯開一定相位角度(按式(4))，且使每個功率單元左右橋臂電壓矢量間相差π，就可使得級聯(lián)型多電平結(jié)構(gòu)的SVPWM調(diào)制簡化為錯時相差兩電平SVPWM調(diào)制，從而在保證輸出基波電壓不損失的前提下簡化調(diào)制的計算，改善輸出電壓諧波特性。
另外，通過把級聯(lián)型多電平結(jié)構(gòu)的SVPWM調(diào)制簡化為錯時相差兩電平SVPWM調(diào)制后，再結(jié)合上述詳細描述了兩電平SVPWM過調(diào)制的方法，就可以得出基于錯時相差SVPWM的級聯(lián)型多電平變流器的調(diào)制方法(具體計算方法見公式(15)、(16))，該方法繼承了傳統(tǒng)線性調(diào)制方法的計算風(fēng)格，計算簡單，程序編寫也簡化，且各層裝置的作用時間相同，可以使各功率器件平均工作，不出現(xiàn)部分器件工作疲勞。
在過調(diào)制區(qū)域1，可利用式(15)計算矢量作用時間，其中TS為開關(guān)周期，Edc為功率單元的直流電壓值，n為每相得功率單元數(shù)，V*為控制指令參考電壓矢量，φ為指令參考電壓相位角，其中S為扇區(qū)編號可取1、2、…、6，分別對應(yīng)扇區(qū)I、II、…、VI。
式(16)給出了過調(diào)制區(qū)域2的矢量作用時間計算方法，其中S為扇區(qū)編號可取1、2、…、6，分別對應(yīng)扇區(qū)I、II、…、VI。
以上具體實施方式
僅用于說明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的調(diào)制方法，其特征在于
根據(jù)橋式電壓源型功率單元的直流電壓值、控制指令參考電壓矢量及每相的功率單元數(shù)得到線性調(diào)制區(qū)、第一過調(diào)制區(qū)域和第二過調(diào)制區(qū)域；
設(shè)Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，則調(diào)制比0≤m≤0.906區(qū)間為線性調(diào)制區(qū)，0.906≤m≤0.951區(qū)間為第一過調(diào)制區(qū)域，0.951≤m≤1區(qū)間為第二過調(diào)制區(qū)域；
在線性調(diào)制區(qū)，計算七段式調(diào)制時矢量作用時間，方法如下
其中，
為指令參考電壓相位角，TS為開關(guān)周期，Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，t0、t1、t2、t7分別為正六邊形的基本電壓矢量圖中的四個空間電壓基本矢量在開關(guān)周期中對應(yīng)的持續(xù)時間、第一持續(xù)時間、第二持續(xù)時間和第七持續(xù)時間；φ為等效計算相角；S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號，可取1、2、3、4、5、6中的任意數(shù)，分別對應(yīng)第一扇區(qū)I、第二扇區(qū)II、第三扇區(qū)III、第四扇區(qū)IV、第五扇區(qū)V、第六扇區(qū)VI。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的調(diào)制方法，其特征在于在第一過調(diào)制區(qū)域，定義第一矢量作用時間比例系數(shù)k1為
定義線性調(diào)制區(qū)最大內(nèi)切圓電壓矢量為Vr_sin
定義位于正六邊形邊上的電壓矢量為Vr_hexagon
定義第一過調(diào)制區(qū)域的第一修正參考空間矢量為V′
V′＝(1-k1)Vr_sin+k1Vr_hexagon；
則在第一過調(diào)制區(qū)域，作用時間可利用下式計算矢量作用時間
其中
為指令參考電壓相位角，TS為開關(guān)周期，Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，t0、t1、t2、t7分別為正六邊形的基本電壓矢量圖中的四個空間電壓基本矢量在開關(guān)周期中對應(yīng)的持續(xù)時間、第一持續(xù)時間、第二持續(xù)時間和第七持續(xù)時間，φ為等效計算相角；S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號，可取1、2、3、4、5、6中的任意數(shù)，分別對應(yīng)第一扇區(qū)I、第二扇區(qū)II、第三扇區(qū)III、第四扇區(qū)IV、第五扇區(qū)V、第六扇區(qū)VI。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的調(diào)制方法，其特征在于在第二過調(diào)制區(qū)域時，定義第二矢量作用時間比例系數(shù)為
定義第二過調(diào)制區(qū)域第二修正參考空間矢量為V″
Vx為基本電壓矢量即正六邊形的頂點電壓矢量，x與指令參考電壓相位角
必須滿足一定的關(guān)系即
時取x＝1，
時取x＝2，
時取x＝3，
時取x＝4，
時取x＝5，
時取x＝6；
則在第二過調(diào)制區(qū)域，作用時間可利用下式計算矢量作用時間
其中
為指令參考電壓相位角，TS為開關(guān)周期，Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，t0、t1、t2、t7分別為正六邊形的基本電壓矢量圖中的四個空間電壓基本矢量在開關(guān)周期中對應(yīng)的持續(xù)時間、第一持續(xù)時間、第二持續(xù)時間和第七持續(xù)時間，φ為等效計算相角，S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號，可取1、2、3、4、5、6，分別對應(yīng)扇區(qū)I、II、III、IV、V、VI，φ為等效計算相角，S為正六邊形的基本電壓矢量圖中的扇區(qū)編號可取1、2、3、4、5、6中的任意數(shù)，分別對應(yīng)第一扇區(qū)I、第二扇區(qū)II、第三扇區(qū)III、第四扇區(qū)IV、第五扇區(qū)V、第六扇區(qū)VI。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于級聯(lián)型變流器的調(diào)制方法，根據(jù)橋式電壓源型功率單元的直流電壓值、控制指令參考電壓矢量及每相的功率單元數(shù)得到線性調(diào)制區(qū)、第一過調(diào)制區(qū)域和第二過調(diào)制區(qū)域；設(shè)Edc為橋式電壓源型功率單元的直流電壓值，V*為控制指令參考電壓矢量，n為每相的功率單元數(shù)，則調(diào)制比m＝(π|V*/2n|)/2Edc；0≤m≤0.906區(qū)間為線性調(diào)制區(qū)，0.906≤m≤0.951區(qū)間為第一過調(diào)制區(qū)域，0.951≤m≤1區(qū)間為第二過調(diào)制區(qū)域。本發(fā)明能夠簡化矢量區(qū)域的判斷時間。
文檔編號H02M7/48GK101615860SQ200910183230
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者趙劍鋒, 倪喜軍, 鄭良廣, 儀 孫, 閆安心 申請人:東南大學(xué)