本發(fā)明涉及一種三電平虛擬空間矢量調(diào)制方法，尤其涉及一種基于簡(jiǎn)化平衡因子的三電平虛擬空間矢量均壓調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

三電平逆變器自發(fā)明以來(lái)，在高壓大功率場(chǎng)合，例如高壓直流輸電、風(fēng)力發(fā)電、可再生能源以及儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相比于兩電平逆變器，三電平逆變器降低了功率器件承受的電壓應(yīng)力，從而提高了直流母線的電壓容量。同時(shí)由于輸出的相電壓多了一個(gè)電平，從而降低了輸出電壓和電流的諧波含量，使得輸出波形更接近于正弦。以前使用最廣泛的三電平拓?fù)涫嵌O管中點(diǎn)鉗位式拓?fù)洌陙?lái)，T型三電平拓?fù)渲饾u開(kāi)始廣泛使用，由于其顯著的優(yōu)勢(shì)，如更少的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量、無(wú)需考慮開(kāi)關(guān)管順序以及更低的總體損耗等，正逐漸取代二極管中點(diǎn)鉗位式拓?fù)?，成為三電平領(lǐng)域的主流拓?fù)洹?/p>

直流側(cè)電容中點(diǎn)電壓不平衡是制約三電平逆變技術(shù)的重要技術(shù)問(wèn)題，為解決此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。目前的均壓方法主要分為硬件法和軟件法兩大類。硬件法是使用多個(gè)獨(dú)立直流電源或附加硬件電路實(shí)現(xiàn)均壓，都需要增加或改動(dòng)硬件，所付出的成本較大。而使用軟件法平衡直流側(cè)中點(diǎn)電壓不需額外硬件，大大節(jié)約了成本，因此業(yè)界普遍使用的是軟件均壓法。

目前在三電平逆變器的調(diào)制方法中，使用最廣泛的是空間矢量調(diào)制方法(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)。該方法的物理意義明確，電壓利用率比正弦脈寬調(diào)制法高15％，且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，非常適合在含有DSP和FPGA的控制電路上使用。目前基于SVPWM法提出的中點(diǎn)均壓軟件控制法主要有：(1)矢量取舍法，通過(guò)舍去一對(duì)冗余小矢量，增加中點(diǎn)電壓偏移的某個(gè)小矢量，保留余下的對(duì)中點(diǎn)均壓有利的小矢量來(lái)控制中點(diǎn)電位趨向平衡，此方案可以減少開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)，減小系統(tǒng)損耗，但此方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確均壓，同時(shí)可能導(dǎo)致輸出電壓諧波增大；(2)平衡因子法，通過(guò)精確計(jì)算流入流出中點(diǎn)電位的電荷量，在調(diào)制過(guò)程中通過(guò)調(diào)整冗余小矢量的分配時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)電壓的準(zhǔn)確平衡控制，該控制算法目前得到廣泛應(yīng)用。

但是基于SVPWM法的平衡因子均壓法存在局限性，當(dāng)調(diào)制度較高、負(fù)載功率因數(shù)較小時(shí)，這種中點(diǎn)電壓控制方法存在不可控區(qū)域，中點(diǎn)電位總存在三倍頻波動(dòng)。中點(diǎn)電位的波動(dòng)主要是由無(wú)功分量來(lái)決定，故當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)較低時(shí)，引起的中點(diǎn)電壓低頻振蕩較高，此外當(dāng)調(diào)制比較高時(shí)，中矢量對(duì)矢量合成的貢獻(xiàn)增加，冗余小矢量的均壓能力減弱。因此在高調(diào)制比和低功率因數(shù)的條件下，基于SVPWM的中點(diǎn)電壓平衡方法效果會(huì)變差，即存在不可控區(qū)域。鑒于此缺陷，有學(xué)者提出了虛擬空間矢量調(diào)制策略(Virtual Space Vector Pulse Width Modulation，VSVPWM)，可以實(shí)現(xiàn)在全調(diào)制比和功率因數(shù)范圍內(nèi)的均壓，但是該方法仍存在缺陷，不能消除累積效應(yīng)所導(dǎo)致的電容電壓偏置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于簡(jiǎn)化平衡因子的三電平虛擬空間矢量均壓調(diào)制方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于簡(jiǎn)化平衡因子的三電平虛擬空間矢量均壓調(diào)制方法，包括以下步驟：

(1)通過(guò)如式1的坐標(biāo)變換將三電平逆變器三相電壓值轉(zhuǎn)換到60度坐標(biāo)系，整數(shù)化基本電壓矢量坐標(biāo)，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程；

其中，u_a是a相電壓，u_b是b相電壓，u_c是c相電壓，u_g是60度坐標(biāo)系下g軸電壓分量，u_h是60度坐標(biāo)系下h軸電壓分量；

(2)通過(guò)式1構(gòu)造60度坐標(biāo)系下的三電平的空間矢量圖，將空間矢量圖劃分為六個(gè)大區(qū)，每個(gè)大區(qū)包含5個(gè)小區(qū)，然后由式2構(gòu)造第一大區(qū)的虛擬矢量，從而使冗余小矢量得到充分利用；

其中，v_S1、v_S2、v_M1、v_ZS1、v_ZS2、v_ZM1為各分區(qū)矢量；

(3)按照電壓參考矢量在60度坐標(biāo)系下的坐標(biāo)及坐標(biāo)系的對(duì)稱性，計(jì)算最近三矢量各自的作用時(shí)間T₁、T₂、T₃；

(4)按照電壓參考矢量自身所處的坐標(biāo)區(qū)域，判斷任一時(shí)刻中點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)的相電流值；

(5)在空間矢量圖六個(gè)大區(qū)中的每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置簡(jiǎn)化平衡因子f，第一大區(qū)的5個(gè)小區(qū)簡(jiǎn)化平衡因子f如式3；

其中，inp_x(x＝1，2，3，4，5)是九段式前五段各自對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流值，_UC1、_UC2是電容C1、C2兩側(cè)的電壓，C為C1、C2的電容值；

(6)使用簡(jiǎn)化平衡因子調(diào)節(jié)九段式中的各段基本矢量時(shí)間，從而利用冗余小矢量抵消直流側(cè)電容電壓的累積偏差。

有益效果：該方法實(shí)現(xiàn)了三電平逆變器在全調(diào)制比以及全功率因數(shù)范圍內(nèi)的直流側(cè)電壓平衡，不僅避免了傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制法在高調(diào)制比和低功率因數(shù)情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)均壓的固有缺點(diǎn)，而且消除了一般虛擬空間矢量調(diào)制策略在這種情況下無(wú)法處理的累積誤差，改善了三電平逆變器的輸出電壓質(zhì)量，成功實(shí)現(xiàn)了三電平逆變器應(yīng)用在STATCOM、SVC或SVG等需要在并網(wǎng)條件下補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)的直流側(cè)電容電壓平衡，從而提高了三電平系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1是T型三電平逆變器的拓?fù)鋱D；

圖2是直角坐標(biāo)系下的三電平的空間矢量圖；

圖3是60度坐標(biāo)系下的三電平的空間矢量圖；

圖4是VSVPWM第一大區(qū)分區(qū)空間矢量圖；

圖5是VSVPWM分區(qū)空間矢量圖；

圖6是第一大區(qū)第2小區(qū)九段式各基本矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間圖；

圖7是傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制時(shí)的電容電壓波形圖；

圖8是傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制時(shí)的電容電壓波形局部放大圖；

圖9是傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制時(shí)三電平逆變器輸出的相電壓圖；

圖10是傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制時(shí)三電平逆變器輸出的線電壓圖；

圖11是傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制、傳統(tǒng)VSVPWM調(diào)制以及本專利所述調(diào)制下的電容電壓波形圖；

圖12是本專利所述調(diào)制下的電容電壓波形局部放大圖；

圖13是本專利所述調(diào)制下三電平逆變器輸出的相電壓圖；

圖14是本專利所述調(diào)制下三電平逆變器輸出的線電壓圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示是T型三電平逆變器的拓?fù)鋱D。T型逆變器在中點(diǎn)與每相輸出之間增加了雙向開(kāi)關(guān)管，交流側(cè)經(jīng)網(wǎng)側(cè)電感接阻性負(fù)載，T型三電平逆變器的輸出電平與開(kāi)關(guān)狀態(tài)的關(guān)系與二極管中點(diǎn)鉗位型逆變器類似，分為以下三個(gè)狀態(tài)：(1)“P”狀態(tài)：S_a1、S_a2導(dǎo)通，S_a3、S_a4關(guān)斷，輸出電平為U_dc/2；(2)“O”狀態(tài)：S_a2、S_a3導(dǎo)通，S_a1、S_a4關(guān)斷，輸出電平為0；(3)“N”狀態(tài)：S_a1、S_a2關(guān)斷，S_a3、S_a4導(dǎo)通，輸出電平為-U_dc/2。三相三電平逆變器具有a、b、c三相，開(kāi)關(guān)狀態(tài)一共有27個(gè)。

相電壓U_x公式如式1：

其中，開(kāi)關(guān)函數(shù)S_x的表達(dá)式為：S_x＝1，P狀態(tài)；S_x＝0，O狀態(tài)；S_x＝-1，N狀態(tài)；U_dc是直流側(cè)輸入電壓。

將式1代入三相電壓合成空間矢量U_s的表達(dá)式，得到式2：

其中，u_a是a相電壓，u_b是b相電壓，u_c是c相電壓。由式2可以得到如圖2所示的直角坐標(biāo)系下的三電平的空間矢量圖，圖中劃分了6個(gè)大區(qū)。然后通過(guò)如式3所示的坐標(biāo)變換將三相輸出電壓進(jìn)行參考值轉(zhuǎn)換，得到如圖3所示的60度坐標(biāo)系下的三電平的空間矢量圖。從圖3中可知，基本電壓矢量坐標(biāo)已被整數(shù)化。

其中，u_g是g軸電壓分量，u_h是h軸電壓分量。根據(jù)式4構(gòu)造第一大區(qū)的虛擬矢量，如圖4所示，從而使冗余小矢量得到充分利用。其余大區(qū)的虛擬矢量與第一大區(qū)類似。將空間矢量坐標(biāo)圖劃分為六個(gè)大區(qū)，每個(gè)大區(qū)包含5個(gè)小區(qū)，分區(qū)矢量圖如圖5所示。

其中，V_S1、V_S2、v_M1、v_ZS1、v_ZS2、V_ZM1為各分區(qū)矢量。按照電壓參考矢量在60度坐標(biāo)系下的坐標(biāo)及坐標(biāo)系的對(duì)稱性，計(jì)算最近三矢量各自的作用時(shí)間。以第一大區(qū)第2小區(qū)為例，設(shè)置九段式基本矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，如圖6所示，由式5解得各基本矢量的作用時(shí)間。

其中，T_s是開(kāi)關(guān)周期時(shí)間，T₁、T₂、T₃是最近三矢量的作用時(shí)間，t₁，t₂，t₃，t₄，t₅是各段基本矢量時(shí)間，V_rg，V_rh，V_xg，V_xh(x＝1，2，3)是參考電壓矢量和基本矢量在60度坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。由此可見(jiàn)，使用60度坐標(biāo)系進(jìn)行基本矢量作用時(shí)間運(yùn)算避開(kāi)了直角坐標(biāo)系下的三角函數(shù)運(yùn)算，計(jì)算過(guò)程大大簡(jiǎn)化。按照電壓參考矢量自身所處的坐標(biāo)區(qū)域，判斷任一時(shí)刻中點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)的相電流值。在空間矢量圖六個(gè)大區(qū)中的每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)化平衡因子，第一大區(qū)的5個(gè)小區(qū)分別對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化平衡因子f₁、f₂、f₃、f₄和f₅如式6所示：

其中，inp_x(x＝1，2，3，4，5)是九段式前五段各自對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流值，_UC1、_UC2是電容兩側(cè)的電壓，C為電容值。使用簡(jiǎn)化平衡因子調(diào)節(jié)九段式中的各段基本矢量時(shí)間，從而利用冗余小矢量抵消直流側(cè)電容電壓的累積偏差。以第一大區(qū)第2小區(qū)為例，ONN與POO互為一對(duì)冗余小矢量，OON與PPO互為另一對(duì)冗余小矢量，可設(shè)置兩個(gè)平衡因子，而本發(fā)明所述的簡(jiǎn)化平衡因子將兩因子合為一個(gè)，如式7所示：

其中，t₁'、t'₂、t'₃、t'₄、t'₅是九段式前五段各自對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，F(xiàn)₁、F₂是設(shè)置的兩個(gè)平衡因子，f₂是簡(jiǎn)化平衡因子。

根據(jù)式8可計(jì)算出一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)九段式所注入中點(diǎn)的電荷q：

而中點(diǎn)原有的電荷Q表達(dá)式如式9：

Q＝2C(U_C1-U_C2) 9

其中，C為電容值。式6給出的簡(jiǎn)化平衡因子使得注入中點(diǎn)的電荷滿足：

q+Q＝0 10

式10表明，本專利所述的基于簡(jiǎn)化平衡因子的三電平虛擬空間矢量均壓調(diào)制方法充分利用了冗余小矢量抵消直流側(cè)電容電壓的累積偏差。表1給出了第一大區(qū)5個(gè)小區(qū)經(jīng)簡(jiǎn)化平衡因子調(diào)節(jié)后的九段式中的各段基本矢量時(shí)間(由于對(duì)稱性，僅列出前五段)。

表1

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表2，系統(tǒng)仿真時(shí)間1.0s。仿真結(jié)果如圖7-圖14所示。

表2

如圖7所示是使用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制時(shí)的電容電壓波形，0.5s時(shí)刻加入傳統(tǒng)平衡因子法進(jìn)行均壓，在高調(diào)制比和低功率因數(shù)的條件下傳統(tǒng)SVPWM方法無(wú)法達(dá)到中點(diǎn)電壓平衡。如圖8所示是使用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制時(shí)的電容電壓波形局部放大圖，顯示此時(shí)中點(diǎn)電位存在三倍頻振蕩，因此此時(shí)三電平逆變器輸出的相電壓和線電壓均存在較大畸變，相電壓如圖9所示，線電壓如圖10所示。

圖11顯示了先后使用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制、傳統(tǒng)VSVPWM調(diào)制以及本專利所述調(diào)制下的電容電壓波形，系統(tǒng)在0～0.5s依然使用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制，0.5s～0.7s使用傳統(tǒng)VSVPWM調(diào)制，0.7s以后使用本專利所述的基于簡(jiǎn)化平衡因子的調(diào)制。從圖中可以看出，0.5～0.7s時(shí)刻中點(diǎn)電位的三倍頻振蕩消失，但前0.5s累積的中點(diǎn)電位偏移依然存在，而當(dāng)0.7s時(shí)刻本專利所述調(diào)制方法啟動(dòng)后，中點(diǎn)電位的偏移迅速得到了抑制。

如圖12所示是本專利所述調(diào)制下的電容電壓波形局部放大圖，無(wú)論是有功引起的中點(diǎn)電位偏移還是無(wú)功引起的中點(diǎn)電位波動(dòng)，都得到了有效處理，因此系統(tǒng)輸出的相電壓和線電壓畸變減小，電能質(zhì)量得到了改善。相電壓如圖13所示，線電壓如圖14所示。仿真結(jié)果證明了本專利所提出的基于簡(jiǎn)化平衡因子的新型均壓調(diào)制方法對(duì)高調(diào)制比低功率因數(shù)情況下累積中點(diǎn)電壓偏移消除的有效性。