[發明專利]一種多坐標系下的三電平空間矢量調制方法

有效

• 申請號: 201110440542.7
• 申請日: 2011-12-26
• 公開（公告）號: CN102647101A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 榮先亮;彭良平;曾捷;張榮東;謝韜
• 申請（專利權）人: 東方日立(成都)電控設備有限公司
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/537
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種應用于中高壓變頻器和光伏逆變器的三電平空間矢量調制方法及其控制系統，具體涉及一種基于多坐標系的三電平空間矢量調制方法及其脈沖產生機制。

背景技術：

由于加在功率開關管上的電壓僅為傳統兩電平逆變器的一半，因此，中性點箝位(NPC)三電平逆變器非常適合用于中高壓變頻驅動應用中，近年來，由于能夠輸出比兩電平逆變器更好的電壓和電流波形(低諧波含量，低電磁干擾)，NPC三電平逆變器也逐步應用到低壓驅動領域。

NPC三電平逆變器存在的一個主要問題是它的中性點電壓容易偏移，在一定條件下，直流側中性點電壓甚至會劇烈波動，或者持續偏移到逆變器不能承受的程度，這些情況容易導致功率開關管過壓或損壞，逆變器本身也無法正常工作。功率開關管和直流電容的特性不一致是可能導致中性點電壓偏移的原因之一，這種不一致特性容易造成中性點電壓緩慢但持續的偏移，一些動態運行條件如加速、減速和四象限運行等也容易導致中性點電壓偏移，在這種情況下，中性點電壓會產生快速明顯的偏移。

除了逆變器本身的特性外，中性點電壓的偏移還與NPC的穩態運行條件和調制技術有關，盡管大部分調制技術在輸出波形的質量上差不多，但是對中性點電壓則會產生不同的影響。輸出電壓和負載電流增加以及功率因數接近于0同樣會導致中性點電壓的波動逐漸增大，特別地，逆變器輸出電壓最大且在零功率因數運行時，逆變器的中性點電壓波動最大，這些情況會嚴重影響逆變器的輸出特性和可靠性，盡管通過增加直流側電容容量能在一定程度上減小中性點電壓波動，但是這會大幅增加逆變器的生產成本和體積。因此，有必要選擇合適的調制技術和中性點電壓控制技術來控制逆變器的中性點電壓偏移問題。

通過分析可知，27個基本矢量中的中矢量和小矢量會對中性點點位產生影響，并且正小矢量和負小矢量對逆變器中性點電位的影響正好相反，正是基于這種特性，目前控制三電平NPC逆變器中性點電位的方法都是通過調整正負小矢量的作用時間來實現的，但是當逆變器運行在調制度較高的情況下，中矢量的作用時間會占據主導地位，僅僅通過調整正負小矢量都無法控制中性點電位的波動或偏移，因此，在調制度較高時可以通過虛擬中矢量的方式使其在單個開關周期內對中性點電位的影響為零，并且這種方式的條件為逆變器輸出三相電流代數和為零，虛擬中矢量后，由大矢量分割出來的六個大扇區將會被分別再分割成五個小扇區，加起來一共有30個扇區，無論參考電壓空間矢量落在哪個扇區內，離其最近的三個基本空間矢量通過一定作用時間和順序均會有效控制逆變器的中性點電位，但是這是方式的不足之處是，扇區的判斷非常復雜，并且也增加了NPC三電平空間矢量調制算法其他部分的復雜度。

發明內容：

本發明的目的是提供一種多坐標系下的三電平空間矢量調制方法與系統，它計算量小，可簡單方便地實現三電平中性點電位平衡，并且適用于三電平以上的多電平空間矢量調試。

為了解決背景技術所存在的問題，本發明是采用以下技術方案：它的系統組成為：電網接口、升壓裝置、帶中性點的母線電容、組成三相橋臂的功率開關器件、箝位二極管、主控制系統、驅動系統和三相負載，三電平空間矢量調制方法的扇區判斷、作用時間計算、矢量作用順序的排列和兩級比較器比較值的計算將在主控系統中的CPU中進行，PWM波的發波機制將在主控板中的FPGA中進行，這種方式可以降低CPU的工作壓力，使其有足夠的時間完成故障檢測，通訊和系統控制等其他功能。

它的具體操作步驟為：

a、以一個開關周期內中性點電流的平均值為零為前提，虛擬三電平空間矢量的中矢量；

b、分別計算出包括虛擬中矢量在內的基本矢量在30°、60°、90°、120°和150°坐標系中的坐標；

c、根據參考電壓空間矢量在各個坐標系中的特點判斷其所在的扇區；

d、在60°坐標系中分別計算參考電壓空間矢量所在扇區內最近三個基本矢量的作用時間，并確定A扇區、B扇區和C扇區的各小扇區和D扇區、E扇區和F扇區的各小扇區之間的映射關系；

e、確定參考電壓空間矢量所在扇區內最近三個基本矢量的作用順序，在扇區內包含零矢量時，首發零矢量(PPP)，在扇區內不包含零矢量時，首發正小矢量，此外，排序時每個橋臂的P狀態不會跳轉到N狀態，N狀態也不會直接跳轉到P狀態，P狀態和N狀態之間的切換有O狀態作為過渡狀態，按照上述方式可以得出的基本矢量排列順序的特點是起始狀態為P狀態或者O狀態，單個采樣周期內，每個IGBT的開關次數不超過一次；