一種NPC三電平逆變器輸出電流特性優化的控制方法與流程

本發明屬于驅動電機的功率變換器控制領域，其涉及一種空間矢量調制原理的NPC三電平逆變器控制方法，用于解決逆變器輸出波形諧波畸變率高的問題。
背景技術：
：中點箝位型三電平逆變器由于具有輸出電壓、電流諧波含量少、dv/dt低等優勢，在機車牽引、艦船推進等大功率高性能電機驅動場合得到了越來越廣泛的應用。作為決定逆變器輸入、輸出性能的關鍵因素，三電平逆變器空間矢量調制策略在近些年來得到了深入的研究。目前應用于三電平逆變器的調制策略主要分為以下三類：①載波層疊PWM；②特定諧波消除PWM；③同步空間矢量PWM。載波層疊調制策略易于實現，在低頻區可充分利用開關頻率，但在中高頻時逆變器輸出諧波含量高，波形質量差，與空間矢量PWM策略相比，直流電壓利用率受到限制，且為保證逆變器輸出電壓波形的同步性與對稱性，脈沖數只能為3的奇數倍，由此導致在恒壓頻比的變速驅動中，開關頻率隨著基波頻率在很寬的范圍內變化。特定諧波消除調制策略(SHEPWM)，通過開關時刻的優化選擇，在保證逆變器輸出電壓波形同步性與對稱性的基礎上，可以消去預期的某些低次諧波，但優化選擇的過程常常伴隨著復雜計算，且開關角度固定，難以在線實現，控制靈活性較差，尤其在低頻時由于開關角度較多，對存儲量要求較高。空間矢量調制策略(SVPWM)，將逆變器和電機視為一個整體，建立逆變器開關模式與電機定子電壓空間矢量的內在聯系，通過控制逆變器的開關模式，使電機定子電壓空間矢量軌跡逼近理想圓。空間矢量調制策略具有較高的電壓利-用率、更易控制的優點。但同時，傳統的空間矢量仍然未能很好地解決逆變器輸出電流諧波畸變率高的問題。已有的NPC三電平逆變器空間矢量調制策略中，針對于解決逆變器輸出電流諧波畸變率高的解決方案依然存在一些問題：大部分調制策略在一個采樣周期內增加了開關管的開關次數，雖然較好地改善了輸出電流特性，但造成了開關損耗的增加，考慮到電機驅動系統設計中的散熱、開關管的死區時間等問題，實用性比較低。技術實現要素：本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種NPC三電平逆變器輸出電流特性優化的控制方法，本發明通過分析三電平逆變器空間矢量調制策略，得出該策略存在冗余開關狀態的占空比分配和開關序列的選擇兩種自由度，并通過建立電流波動評價模型，當冗余開關狀態的占空比比值發生變化和開關序列改變時，對逆變器輸出電流波動量進行比較。以逆變器輸出電流波動量有效值最小為原則，確定了各開關序列內冗余開關狀態作用時間的最優分配方式以及各開關序列作用區域的最優分布，保證了逆變器輸出質量最優。最終實現了在不增加開關頻率的前提下，降低了逆變器輸出電流諧波畸變率。本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種NPC三電平逆變器輸出電流特性優化的控制方法，基于空間矢量調制的原理，對輸出的PWM波形進行改進，從而改善逆變器的輸出特性，具體包括以下步驟：(1)將空間矢量圖分為I～VI六個扇區，將每個扇區再分為7個小區域，該小區域的邊界為各個相鄰矢量終點的連線及其垂直平分線；根據電壓參考矢量位于小區域的位置確定在一個采樣周期內的開關序列；(2)根據最近三矢量原則和伏秒平衡原理，將電壓參考矢量分解得到在最近三矢量方向上的投影，進而得到三個矢量的作用時間，從而確定每種矢量的占空比；(3)在每二分之一采樣周期中，開關序列具有四個開關狀態，其中首尾兩個開關狀態稱為冗余開關狀態且對應同一個矢量；根據電流波動評價模型，計算得到冗余開關狀態的最優作用時間表達式；(4)根據NPC三電平功率器件的開關狀態與每相輸出狀態的關系，并考慮死區時間，確定出三電平共十二個功率器件的PWM輸入信號，通過DSP的運算以及動作寄存器功能，實現PWM信號的輸出，實現對三電平逆變器的輸出特性的優化。步驟(1)通過新的分區策略，確定了特定參考矢量下的開關序列；在三電平空間矢量調制中，由于部分電壓矢量存在冗余的開關狀態，因此在在特定的區間內，同一電壓矢量具有多種開關序列；通過建立電流波動評價波形，分析不同開關序列下所對應的電流波動大小，從而對扇區進行了重新劃分，以保證每個區域內選取的開關序列所對應的電流波動最小，進而確定最優的開關序列；扇區劃分中，每個大扇區劃分為7個小區域，其邊界的表達式為：m=36cosθm=36cos(π/3-θ)θ=π/6m=12sin(π/3+θ)m=16cos(π/3-θ)m=12sinθ]]>式中，θ代表三相電壓合成的電壓矢量與A相電壓矢量正方向的夾角，m為調制度。步驟(3)中通過改變冗余開關狀態的占空比比值，利用電流波動評價模型，確定最優的冗余開關狀態分配比例，從而確定各個開關狀態的作用時間，實現了輸出特性的最優。與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：(1)本發明對輸出電流波動量平均值作為評價指標，優化開關序列和冗余開關狀態的最優作用時間。其計算過程更為簡便，更易推導得到不同開關序列和不同冗余開關狀態作用時間分配方式對輸出電流波動量的量化影響表達式。(2)本發明同時考慮了零矢量和小矢量開關狀態的冗余自由度，以及常規“三矢量四狀態”中冗余矢量兩次作用時間的分配自由度。根據輸出電流波動量平均值的評價指標，利用該兩種自由度實現逆變器電流輸出特性的優化策略。(3)本發明以逆變器輸出電流的諧波畸變率(ITHD)作為評價指標，該發明中的諧波畸變率在全調制度范圍內均小于傳統策略，并且在一定條件下諧波畸變率可以減小20％以上。附圖說明圖1a為三電平逆變器拓撲結構圖；圖1b為三電平逆變器空間矢量圖；圖2a為Vref位于小區域1時的電壓誤差矢量；圖2b為Vref位于小區域1時的電流誤差矢量三角形；圖2c為Vref位于小區域1時，λx_1分別為0,0.5,1時的電流誤差矢量三角形；圖3a為當開關序列為Typex時，電流誤差矢量三角形與重心的關系；圖3b為當開關序列為Typey時，電流誤差矢量三角形與重心的關系；圖3c為當開關序列為Typez時，電流誤差矢量三角形與重心的關系；圖4a為在扇區I中關于m和θ的三維map圖；圖4b為在扇區I中關于m和θ的三維map圖；圖4c為在扇區I中關于m和θ的三維map圖；圖4d為在扇區I中的最小值關于m和θ的三維map圖；圖5a為在扇區I中m-θ坐標系下混合空間矢量調制策略分區圖；圖5b為在空間矢量坐標系下混合空間矢量調制策略分區圖；圖6為本發明的控制原理圖；具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。本發明實施通過對三電平空間矢量圖進行重新分區，并且優化了冗余開關狀態的作用時間，從而改善了逆變器的輸出特性。具體說明如下：NPC三電平逆變器的拓撲結構及輸出電平與功率開關管開關狀態之間的關系如圖1a所示。圖中，Vdc為直流側電壓，NPC三電平逆變器每一相都有3種開關狀態，以a相為例，Sa1和Sa2開通、Sa3和Sa4關斷時，輸出相電壓為Vdc/2，設為狀態“P”；Sa2和Sa3開通、Sa1和Sa4關斷時，輸出相電壓為0，設為狀態“O”；Sa3和Sa4開通、Sa1和Sa2關斷時，輸出相電壓為Vdc/2，設為狀態“N”。三相27種開關狀態下的基本矢量如圖1b所示，根據矢量幅值不同，將基本矢量分為1個零矢量(存在3種開關狀態)、6個小矢量(每個存在2種開關狀態)、6個中矢量(每個存在1種開關狀態)和6個大矢量(每個存在1種開關狀態)。將NPC三電平逆變器空間矢量圖分為I～VI六個大扇區，每個大扇區再細分為4個區域，如圖1b所示。不失一般性，設參考電壓矢量Vref位于第I扇區，根據最近三矢量原則，在不同區域s內合成Vref的基本電壓矢量Vk(k∈{x,y,z})與空間矢量圖中電壓矢量Vn(n＝0,1,2,…,18)的對應關系如表1所示。表1第一扇區內空間矢量和VX,VY,VZ對應關系根據伏秒平衡原理，設在單位開關周期內Vx,Vy,Vz的作用時間分別為Tx,Ty,Tz，則它們應滿足Vref·Ts=Vx·Tx+Vy·Ty+Vz·TzTs=Tx+Ty+Tz---(1)]]>以小區域1為例，由式(1)得到Tx，Ty和Tz的表達式為Tx=2mTs·sin(π/3-θ)Ty=2mTs·sinθTz=[1-2msin(π/3-θ)]·Ts,Z=1,s=1---(2)]]>式中，θ代表參考矢量Vref與α軸的夾角；m為調制度，定義為m=3Vref/Vdc.---(3)]]>在一個開關周期內，合成Vref的開關狀態形成的開關序列采用“三矢量四狀態”方式。其中一個矢量對應有兩種冗余開關狀態，這四種開關狀態形成的開關序列遵循以下原則：第一，開關序列按照雙邊對稱排列分布，即前Ts/2周期和后Ts/2周期的開關狀態相同，但是開關序列方向相反；第二，在每Ts/2內，冗余開關狀態被放置在開關序列的首端和尾端。根據圖1b和表1，當參考電壓矢量位于第I扇區第1小區域時，該區域中三個基本矢量Vx，Vy和Vz均具有冗余的開關狀態。在每Ts/2內，當開關序列的首端和尾端的開關狀態對應的矢量為Vx(V1)時，形成的開關序列為表2的第一行所示，稱其為Typex；當該矢量為Vy(V2)時，形成的開關序列為表2的第二行所示，稱其為Typey；當該矢量為Vz(V0)時，形成的開關序列為表2的第三行所示，稱其為Typez。同理，當參考電壓矢量分別位于區域2，3，4時，可形成的開關序列如表2所示。表2前TS/2內第一扇區各個小區域的開關序列從表2中可以看出，在第1、3小區間中可以有多種開關序列形式，這一開關序列選擇上的自由度，可以有助于改善逆變器的輸出特性。此外，對于表2，開關序列中冗余開關狀態作用時間的設計也可以為三電平逆變器空間矢量調制性能的改善提供另一個自由度。以表2中區域1的Typex序列為例，冗余狀態POO和ONN的作用時間的和為Tx，但他們在Tx中所占的比例是可以調節的。定義λk_s為區域s(s∈{1,2,3,4})中Typek序列(k∈{x,y,z})的冗余開關狀態分布系數，λx_s=TPOOTx---(2)]]>λy_s=TPPOTy---(3)]]>λz_s=TPPPTz---(4)]]>式中，TPOO，TPPO，TPPP分別代表開關狀態POO，PPO和PPP在單位開關周期內作用的時間。由于開關序列按照雙邊對稱排列分布，因此以前Ts/2周期為例，對不同開關序列方式下的電流波動量進行分析。設逆變器輸出的電壓矢量為Vref時，所對應的輸出電流矢量為Iref；當逆變器輸出的電壓矢量為Vj(j∈{x,y,z})時，所對應的輸出電流矢量為Ij。定義誤差電壓、電流矢量為Irip_j=Ij-IrefVrip_j=Vj-Vref---(5)]]>當逆變器驅動異步電機時，忽略定子電阻的影響，誤差電壓矢量Vrip_j與誤差電流矢量Irip_j之間的關系可以表示為dIrip_jdt=Vrip_jLσ=(Vj-Vref)Lσ---(6)]]>式中，Lσ為電機瞬態電感。不失一般性，設Vref位于如圖2a所示的扇區I的區域1位置處，當采用Typex開關序列時(如表2第一行所示)，在前Ts/2周期中誤差電流矢量終端運動軌跡如圖2b所示，該軌跡為三角形ABC。該三角形的形成過程說明如下：在開關周期的開始，假設t＝0時，誤差電流矢量為零，該矢量的起點和終點均位于原點O處。當開關狀態POO(矢量Vx)作用λx_1Tx/2后，誤差電流矢量的終點M由O點運動到A點；根據式(6)，OA的表達式為OA=λx_1Tx2Lσ(Vx-Vref)---(9)]]>當開關狀態OOO和OON分別作用Tz/2和Ty/2時，M由A點運動到點C再到點B；當開關狀態ONN作用(1-λx_1)Tx/2后，即t＝Ts/2時，誤差電流矢量的終點運動回O點(由伏秒平衡保證)，形成三角形軌跡。BA、AC與CB的表達式分別為BA=Tx2Lσ(Vx-Vref)---(7)]]>AC=Tz2Lσ(Vz-Vref)---(8)]]>CB=Ty2Lσ(Vy-Vref).---(9)]]>定義誤差電流矢量在前Ts/2內的平均值為Irip_mean=2Ts∫0Ts2Irip_j(t)dt=2Ts∫0λx_1Tx2Irip_x(t)dt+∫λx_1Tx2λx_1Tx+Tz2Irip_z(t)dt+∫λx_1Tx+Tz2λx_1Tx+Tz+Ty2Irip_y(t)dt+∫Ts-(1-λx_1)Tx2Ts2Irip_x(t)dt=λx_1TxTsOX1+TzTsOZ+TyTsOY+(1-λx_1)TxTsOX2=TxTsOX+TyTsOY+TzTsOZ=OGx---(10)]]>其中X,Y,Z分別為線段AB,BC,AC的中點，X1,X2分別為線段OA,OB的中點，Gx表示開關序列為Typex時三角形ABC的重心。定義輔助矢量Ij'，則Ij'與誤差電流矢量平均值Irip_mean和電流誤差矢量Irip_j的關系滿足Irip_j(t)＝Irip_mean+Ij′＝OGx+GxM(t)(11)根據圖2b，Ij'在圖中等效為矢量GxM。定義誤差電流矢量在Ts/2內的有效值為Irip_rms=2Ts∫0Ts2|Irip_k|2dt---(12)]]>將式(11)代入式(12)，電流波動量的有效值可以表示為Irip_rms=2Ts∫0Ts2(OGx+GxM(t))2dt=|OGx|2+4OGxTs∫0Ts2GxM(t)dt+2Ts∫0Ts2|GxM(t)|2dt---(13)]]>根據圖2b，由于M在[0,Ts/2]內從O點運動回O點，因此式(16)中根號內第二項為0。圖2c給出了序列為Typex時，當λx_1在[0,1]取不同值時，三角形ABC及其重心Gx的變化情況，由圖中以及式(9)可以看到，當λx_1取值變化時，|OGx|的值隨著O點與A點的相對位置而變化，而三角形ABC的形狀和大小不變(由式(10)～式(12)可知)，因此當λx_1取值不同時，式(16)中根號下第一項|OGx|會發生變化，而第三項始終恒定。綜合上述內容，電流波動量的大小可以由|OGx|的大小來比較。同理，圖3a～圖3c為當采用不同的序列Typex，Typey和Typez時，三角形ABC及其重心Gx，Gy或Gz的變化情況。由圖可得，當序列類型不同時，三角形ABC過O點的邊會發生變化，即當序列為Typex時，AB邊過O點；當序列為Typey時，BC邊過O點；當序列為Typez時，AC邊過O點。但對于任意序列Typek以及冗余矢量分布系數λk_s，經過推導可以證明是相同的，因此通過計算不同序列以及冗余矢量分布系數下的|OGk|的數值，并將它們進行比較，就可以得到輸出電流波動量最低的開關序列及其開關序列分布方式。不失一般性，以參考矢量位于第I扇區區域1，采用Typex序列進行分析。圖2c畫出了當λx_1分別為0，0.5和1所對應的矢量誤差三角形A1B1C1，A2B2C2和A3B3C3，其重心分別為Gx1，Gx2和Gx3。可以證明當λx_1連續變化時，誤差矢量三角形重心在線段Gx1Gx3之間運動，且該線段Gx1Gx3//AB，因此當OGx⊥AB時，|OGx|值最小，從而得到使電流波動量最小的最優分布系數為λx_1opt=TPOOTPOO+TONN=|AG|·cosδ|AB|=AG·ABAB·AB---(14)]]>式中，δ表示AB與AG的夾角，AG·AB表示矢量AG和AB的矢量乘積。由式(10)，根據向量關系可以得到OGx＝γ1·OA+γ2·OB+γ3·OC(15)其中，比例系數γ1，γ2和γ3分別為γ1=Tx+Tz2Ts,γ2=Tx+Ty2Ts,γ3=Ty+Tz2Ts---(16)]]>將式(15)中A代替O可得到AGx＝γ2·AB+γ3·AC(17)將式(17)代入式(14)，可得λx_1opt=γ2+γ3AC·ABAB·AB---(18)]]>將式(7)、式(8)代入式(18)可得的表達式如表3中第1行第1列所示。同理，在第1區域中，采用Typey和Typez序列時，得到的最優分布系數和表達式分別見表3中第1行的第2列和第3列。同理，當電壓參考矢量位于區域2,3,4時，均可以通過改變冗余開關狀態的占空比實現電流波形的優化。其中區域2和4只有一種開關序列，對應的最優分布系數分別為和區域3中具有Typex和Typey兩種序列，最優分布系數分別為和具體表達式見表3。表3在第一扇區內不同小區域內表達式同理，當電壓參考矢量位于區域2,3,4時，均可以通過改變冗余開關狀態的占空比實現電流波形的優化。其中區域2和4只有一種開關序列，對應的最優分布系數分別為和區域3中具有Typex和Typey兩種序列，最優分布系數分別為和具體表達式見表3。圖3a～圖3c為當參考矢量位于圖2a所示區域時，開關序列為Typek，且分布系數為最優值時誤差電流矢量構成的三角形ABC及其重心Gk的關系。不失一般性，以Typex序列，分布系數為最優值對誤差電流矢量三角形ABC及其重心Gx的關系進行分析。由圖中幾何關系可以得到，該序列所對應的|OGk|的最小值可以表示為式中，角為AB和AC的夾角，又由三角形ABC幾何關系可知式中，SABC為三角形ABC面積。將式(20)代入式(19)可得|OGx|1min=γ3·2SABC|AB|---(21)]]>根據歐拉定理，SABC可由AB、BC、CA表示，將式(7)、式(8)帶入式(21)可得表達式如表4中第1行第1列所示。同樣地，當參考電壓矢量位于區域1，選擇開關序列Typey或Typez時，兩個序列所對應的|OGk|最小值分別為G到邊BC和AC最短距離，即和具體表達式分別見表4第1行第2，3列所示。當電壓參考矢量位于第2、3和4區域時，當各自序列的冗余開關狀態作用時間分布系數取最優解時，序列k所對應的誤差電流矢量三角形的重心Gk與起點O的距離即為該序列下最小的|OGk|值，其中第2和第4區域只有一種開關序列，對應的|OGk|最小值分別為和第3區域中Typex和Typey兩種序列所對應的最小距離分別為和其表達式如表4所示。表4扇區I內不同區域的表達式由表4可以看出各序列下的最小距離是關于m和θ的函數，其中Lσ為公共項，其大小變化僅會使各種開關序列下對應的值以Lσ為比例進行縮放，不影響其對比效果。即使當電機處于飽和狀態時，仍不影響其對比效果。所以為計算簡便，令Lσ＝1。此外，通過式(7)～式(9)以及SABC的表達式可知，SABC與Ts的平方成正比，因此Ts也為公共項，為使計算簡便，在比較時令Ts＝1。圖4a～圖4c分別為當m和θ發生變化時，開關序列Typex，Typey和Typez作用下的和值。圖4d為在第一大扇區的任意位置時，取和三者最小值得到的關于m和θ的三維圖，且圖中注明了當取三種序列最小值時，所對應的三種序列的分布情況。對于每種開關序列，利用冗余開關狀態作用時間的自由度，可以確定冗余開關狀態的最優分布系數。在此基礎上，對于合成同一參考矢量的不同開關序列(均采用最優分布系數)，即當開關序列的選擇存在自由度時，可以通過比較|OGk|的大小，確定使輸出電流波動最小的最優開關序列。因此，可以得到一種混合調制策略，當參考電壓矢量位于空間矢量平面任意位置時，所選的序列所對應的|OGk|最小，即該序列作用下逆變器的輸出電流波動最小。根據此原則，圖4d中得到了|OGk|為最小值的開關序列類型的分布情況，結合原有的區域分布，在空間矢量平面上進行進一步區域劃分，子區域號用一位數字和一位字母組合表示，如圖5a和圖5b所示，其中每個分區內第1位數字為區域編號s，第2位為開關序列的類型Typek。其分區的邊界為相鄰兩個區域所對應的|OGk|相等時的解。例如在第1區域的邊界a為時的解，該解為關于m和θ的函數，根據表4中二者的表達式，可以求得曲面交線a的表達式為m=36cosθ---(22)]]>同理可得邊界b，c以及區域的邊界d，e，f的表達式分別為m=36cos(π/3-θ),borderbθ=π/6,borderc12sin(π/3+θ),borderd16cos(π/3-θ),bordere12sinθ,borderf---(23)]]>圖6為本發明的原理圖，不失一般性，當參考電壓位于圖5b所示位置時，該發明的實現步驟如下：(1)根據式(22)和式(23)確定參考電壓矢量所在的子區域號，此時參考電壓位于1y區域內；(2)由表1確定最近三矢量Vx，Vy和Vz，并根據伏秒平衡求出每個矢量的占空比Tx，Ty和Tz；(3)通過表2得到開關序列為PPO-POO-OOO-OON，其中冗余開關狀態為PPO和OON，根據矢量與開關狀態的對應關系可以得到TPPO+TOON，TPOO和TPON的大小；(4)根據式(3)以及表3中的表達式求出TPPO和TOON的大小，從而最終確定序列中開關序列以及每種開關狀態對應的占空比，從而確定開關狀態的分布。本發明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發明的技術方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3