[發明專利]一種逆變電路及其電壓空間矢量脈沖寬度調制方法

有效

• 申請號: 201110253186.8
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN102307018A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 王文山;朱永強;趙正奎
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H02M7/49
• 分類號: H02M7/49;H02M7/5387
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 童曉琳

技術領域

本發明屬于電路設計技術領域，尤其涉及一種逆變電路及其電壓空間矢量脈沖寬度調制方法。

背景技術

在中壓大功率電能變換應用中，多電平逆變技術以其獨特的優勢受到越來越多的重視。相對于傳統的兩電平逆變電路，多電平逆變器具有輸出電壓電平數目多、諧波含量少、由開關動作引起的du/dt小、器件耐壓要求降低、產生相同輸出時器件開關頻率低等優點。

常見的多電平結構主要有二極管鉗位型多電平逆變器、電容鉗位型多電平逆變器、具有獨立直流電源的H橋級聯型逆變器。以三電平為例，二極管鉗位型三電平逆變器和電容鉗位型三電平逆變器分別通過鉗位二極管和鉗位電容實現相電壓的零電平輸出，從而增加輸出電壓的階梯電平數目。但這兩種結構在零電平的引入時，導致了電容電壓不均衡的問題。H橋級聯型逆變器依靠級聯疊加的方式來增加輸出電壓的電平數目，不存在電容電壓不均衡問題，但所有H橋的直流輸入電源必須相互隔離，因而其供電系統結構比較復雜。

另外，目前逆變器的調制技術大都采用正弦波脈寬調制、特定諧波消除脈寬調制、電流滯環跟蹤調制以及電壓SVPWM(Space?Vector?Pulse?Width?Modulation，空間矢量脈沖寬度調制)。其中，電壓SVPWM控制方式具有直流電壓利用率高、動態響應速度快、易于數字化實現等突出優點。而且，由于多電平逆變器能夠產生更多的基本電壓空間矢量，期望電壓空間矢量合成方式也更加靈活多樣，因此多電平逆變器較多的采用電壓SVPWM控制方式。

電壓SVPWM控制方式的實現，因逆變器主電路拓撲的差異而各不相同。圖1是傳統的三相橋式兩電平逆變器電路圖。圖1中，傳統的三相橋式兩電平逆變器包括三個橋臂，每個橋臂由上下兩個半橋臂串聯組成。每個半橋臂都由一個全控型功率開關管和一個功率二極管并聯構成。圖1中，每個橋臂有兩種輸出狀態，即上半橋臂導通且下半橋臂關斷的P狀態和上半橋臂關斷且下半橋臂導通的N狀態。這樣，三個橋臂一共可產生8種不同組合的輸出狀態。每一種輸出狀態在三相輸出端A1、B1和C1都會產生相應的3個相對于直流側假想中點(圖1中的O′點)的相電壓。根據這3個相電壓的軸線在空間位置上依次相差120度的對稱關系(如圖2所示)，由平行四邊形法則可以合成一個基本電壓空間矢量。圖1中傳統的三相橋式兩電平逆變器電路可以合成6個基本電壓空間矢量，其開關管開關狀態與基本電壓空間矢量對應關系圖如圖3所示。圖3中，“P”和括號中的“1”代表上半橋臂(例如T1)導通，同時下半橋臂(例如T4)關斷的狀態。“N”和括號中的“0”代表上半橋臂(例如T1)關斷，同時下半橋臂(例如T4)導通的狀態。PNN(100)則代表圖1中從左至右三個橋臂的開關管的開關狀態，即T1、T6、T2導通，同時開關管T4、T3、T5關斷的狀態。假設三相橋式兩電平逆變器某一時刻的輸出狀態為PNN(100)，即A相電壓為U_d/2，B、C相電壓為-U_d/2，合成矢量為U_de^j0(其中，U_d為直流電源的電壓，U_de^j0為電壓矢量極坐標表示方式)，按照等功率原則乘以的系數，得到最終基本電壓空間矢量為按照相同的方式可以得到另外5個幅值相等，相位依次相差60度的基本電壓空間矢量，以及兩個輸出狀態對應幅值為零的零矢量，具體如圖3所示。在電壓SVPWM控制方式，當得到基本電壓空間矢量后，期望電壓空間矢量按照伏秒平衡法則由相鄰的兩個基本電壓空間矢量以不同的作用時間來合成。

二極管鉗位型三電平逆變器每個橋臂有三種輸出狀態，上半橋臂兩個開關管導通且下半橋臂兩個開關管關斷的P狀態、上半橋臂兩個開關管關斷且下半橋臂兩個開關管導通的N狀態、中間兩個開關管導通其余兩個開關管關斷的O狀態，三個橋臂一共可以產生27種不同的組合，其中有19個互斥的基本電壓空間矢量，期望電壓空間矢量的合成矢量可以從這19個基本電壓空間矢量中選取。由于二極管鉗位型三電平逆變器本身的結構特點，O狀態導致了對直流側電容的充放電作用，從而產生電容電壓不均衡問題，因此基本電壓空間矢量的選擇受到電容電壓不均衡問題的限制。并且，同一個橋臂的狀態禁止在P狀態和N狀態間直接切換，中間必須添加O狀態作為過渡狀態，這就再次限制了合成矢量的選擇范圍。二極管鉗位型三電平逆變器雖然增加了輸出電壓的電平數目，但其輸出線電壓基波的最大幅值沒有增加，仍然為直流側電壓。

發明內容