專利名稱：中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法
技術領域：
本發(fā)明是關于變電，特別是關于三電平逆變裝置的控制方法。

背景技術：
進年來，隨著電能在各領域的擴大運用，大功率三電平逆變器的使用范圍也逐漸擴大。如何控制逆變器可靠運行也顯得日益重要。目前對由PWM調制的多電平逆變器已知的控制方法多為對逆變器中性點電壓波動的控制，例如ZL96199540.8中國發(fā)明專利公開了一種通過控制整流裝置來控制中性點電壓，除了要電壓控制裝置外，尚需設置修正裝置，用中性點電壓點檢測的偏差信號對中性點的電壓進行控制。這一用電壓控制裝置和修正裝置通過控制整流裝置來控制逆變器中性點電壓波動的方法不僅所用設備結構復雜，而且顯得煩瑣。由于設有解決逆變器在PWM調制過程中的矢量優(yōu)化和最小脈沖寬度處理的技術問題，致使逆變器在調制切換過程中，出現(xiàn)輸出電壓從+E到-E的突然波動和諧波含量過大，工作不平穩(wěn)，開關器件應力過大易損壞。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，解決逆變器在PWM調制切換過程中輸出電壓實現(xiàn)平滑過渡、降低諧波含量，避免開關器件承受過大應力而損壞，提高其運行的可靠性的技術問題。
本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下 一種中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于將對應三相開關27種組合狀態(tài)的逆變器交流輸出電壓的空間電壓矢量按其大小在α、β坐標系中排列成一個由24個正三角形組成的正六邊形的矢量分布圖，然后根據(jù)不同調制深度的參考電壓矢量所處正三角形三個結點所代表的電壓矢量和其對應的開關狀態(tài)進行選擇優(yōu)化次序的調制，這一優(yōu)化次序只許可相鄰開關狀態(tài)切換時，只有一個開關的狀態(tài)發(fā)生改變。
所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度在低調制區(qū)時，該矢量優(yōu)化次序采用O、N或O、P兩電平的N型矢量或P型矢量作用次序的矢量調制方案。
所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度在高調制區(qū)時，該矢量優(yōu)化次序采用P、O、N三電平的矢量調制方案。
所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于用程序軟件判別和處理在PWM周期Ts內(nèi)存在的窄脈沖，其程序如下 1)根據(jù)調制深度確定所在的調制區(qū)； 2)若處在低調制區(qū)，采用兩電平矢量優(yōu)化方案不發(fā)生窄脈沖； 3)若不在低調制區(qū)，判斷所采用的三電平矢量優(yōu)化方案是否會存在窄脈沖； 4)若不存在窄脈沖，則不作調整； 5)若存在窄脈沖，則強制改變該窄脈沖持續(xù)時間td以消除窄脈沖。
所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于判斷會有窄脈沖存在，則按下述處理 (1)td＜開關器件所允許的最小脈寬時間tmin/2時，強制td＝0； (2)tmin/2＜td＜tmin時，強制td＝tmin； (3)Ts-tmin＜td＜Ts-tmin/2，強制td＝Ts-tmin； (4)Ts-tmin/2＜td＜Ts，強制Td＝Ts。
所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度處于低調制區(qū)時，若逆變器中性點電壓波動，采用P型矢量和N型矢量作用次序交互使用的矢量調制方案，使中性點電壓基本平衡。
所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度處于高調制區(qū)時，若逆變器中性點電壓波動，采用在一個PWM周期內(nèi)改變P型小矢量或N型小矢量的持續(xù)時間來保持中性點電壓的平衡。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 經(jīng)過矢量優(yōu)化后，可使相鄰開關器件之間在狀態(tài)切換時，只有一個橋臂的開關器件動作，降低了輸出電壓中的諧波含量，提供了運行性能。
每相開關狀態(tài)的變化均在E、O或O、-E之間變化，不存在E到-E的直接變化，大大減小了開關器件所受的應力，有效地避免開關器件的損壞，提高了運行的可靠性。
可方便地對最小脈寬進行處理，保證在任何PWM周期內(nèi)，脈沖寬度都大于開關器件所必需的最小脈寬，使開關器件能夠可靠工作。
使逆變器本身直接控制來抑制中性點的電壓波動，省去了對整流裝置控制的一套設備。



圖1是本發(fā)明的三電平空間電壓矢量分布圖。
圖2是圖1中O扇區(qū)的矢量和時間分配圖。
圖3是低調制區(qū)矢量時間分配圖。
圖4是高調制區(qū)矢量時間分配圖。
圖5是三電平逆變器的原理圖。
圖6是窄脈沖處理程序圖。

具體實施例方式 三電平逆變器每相的開關有-1、0、1三種狀態(tài)，對應這三種狀態(tài)的交流側輸出電壓為-E、O、E(即負電壓N、零電壓O、正電壓P)，對一個三相對稱系統(tǒng)來說，共可組合成27種開關狀態(tài)組合，而每一種開關狀態(tài)組合則對應一個空間電壓矢量，因此對一個相對稱的三電平逆變器共有27個不同的空間電壓矢量，其中，幅值為2/3E的大矢量有VPNN、VPPN、VNPN、VNPP、VNNP、VPNP六個，幅值為1/3E的中矢量有VPON、VOPN、VNPO、VNOP、VONP、VPNO六個，幅值為1/3E的P型小矢量有VPOO、VPPO、VOPO、VOPP、VOOP、VPOP六個，幅值為1/3E的N型小矢量有VONN、VOON、VNON、VNOO、VNNO、VONO六個，幅值為0的零矢量有VPPP、VOOO、VNNN三個。以VPON矢量為例，表示三電平逆變器交流側A、B、C三相對于中性點的輸出電壓分為正、零、負，而對應的逆變器三個橋臂開關器件(參見圖5)的狀態(tài)分別為A相Sa1、Sa2開通，Sa3、Sa4關斷；B相Sb2、Sb3開通，Sb1、Sb4關斷；C相Sc1、Sc2關斷，Sc3、Sc4開通。
在其直流側母線P、N電壓保持恒定且兩個電容C1和C2電壓相等，則上述27個不同的空間電壓矢量在α、β座標系中的分布如圖1所示為一個由24個正三角形組成的正六邊形。三個零矢量VPPP、VOOO、VNNN位于六邊形中點，六個大矢量VPNN、VPPN、VNPN、VNPP、VNNP、VPNP分居于六邊形六個頂點，六個P型和N型小矢量分別對應的處在內(nèi)中小六邊形的六個頂點，而六個中矢量位于六邊形每邊的中點。以α軸為基準逆時針旋轉，可將上述六角形以60°為一區(qū)間劃分成0～5六個扇區(qū)，現(xiàn)以0扇區(qū)為例對本發(fā)明的矢量優(yōu)化次序的調制方案作詳細說明。
圖2中0扇區(qū)內(nèi)共分為7個區(qū)域，其中由弧線所圍成的小扇區(qū)為調制深度k等于或小于設定值(在實際應用中該設定值為0.15)的區(qū)域0，也即低調制區(qū)，1～6區(qū)域為調制深度大于設定值的高調制區(qū)。由于任何一個空間電壓矢量都是由三個與它最近的矢量組成，所以矢量的任何一種作用次序都是由三個矢量拼成的，而矢量優(yōu)化就是要使矢量的作用次序應保證相鄰開關狀態(tài)切換時，只有一個狀態(tài)發(fā)生改變。隨調制深度的不同，矢量作用次序的方案也不同。當調制深度低時，參考電壓矢量Vref(即逆變器實際所對應輸出的有效電壓)在低調制區(qū)區(qū)域0內(nèi)，其矢量優(yōu)化的作用次序如下 VOOO——VPOO——VPPO——VPPP——VPPO——VPOO——VOOO(P型)或 VOOO——VOON——VONN——VNNN——VONN——VOON——VOOO(N型) 從上述P型或N型的矢量優(yōu)化作用次序中可知逆變器三相開關的電平狀態(tài)僅在O到P再到O(即O-E-O)，或O到N再到O(即O-E-O)之間變化，也即采用兩電平作用方案。同時可以看到在低調制區(qū)中起始和終止的空間電壓矢量均為VOOO，所以在從一個PWM周期向另一個PWM周期切換過程中逆變器的開關器件無動作。當調制深度高時，按參考電壓矢量Vref所處的區(qū)域1～6三角形頂點的N型或P型小矢量為起始矢量，以三角形頂點的同型小矢量為終止矢量，采用三電平作用方案進行矢量優(yōu)化。例如參考電壓矢量Vref在區(qū)域3時，以N型小矢量為起始和終止矢量的優(yōu)化次序為VONN——VOON——VPON——VPOO——VPON——VOON——VONN，在這一作用次序中，逆變器三相開關存在有P、O、N(即E、O、-E)三種電平狀態(tài)，但A相的開關狀態(tài)僅是由O到P再到O，B、C兩相開關狀態(tài)都是由N到O再到N變化，不存在P到N之間的直接變化；在該作用次序內(nèi)，相鄰開關狀態(tài)之間切換時，只有一個橋臂的開關器件發(fā)生動作。當參考電壓矢量Vref在低調制區(qū)(區(qū)域0)向高調制區(qū)(區(qū)域1～6)之間切換時，矢量是在VOO與VOON或VNNN與VONN之間切換，即只有一個橋臂的開關器件在動作。當參考電壓矢量Vref在高調制區(qū)之間切換時，以N型小矢量為例，其矢量變化有VONN——VONN、VOON——VOON、VONN——VOON、VOON——VONN四種形式，前兩種情況在切換過程中逆變器開關器件狀態(tài)不發(fā)生變化，后兩種情況在切換過程中同樣只有逆變器一個橋臂的開關器件動作。
在圖2中所示的各正三角形中各頂點的矢量持續(xù)時間分別為ta＝Ts×ksin(θ-π/3)；tb＝Ts×Ksin(θ)，tc＝1/2Ts[1-2Ksin(θ+2/3)]，式中Ts為一個PWM周期時間，k為調制深度。例如參考電壓矢量Vref在區(qū)域0的低調制區(qū)中選擇P型小矢量的優(yōu)化作用次序VOOO——VPOO——VPPO——VPPP—VPPO——VPOO——VOOO，則在一個PWM周期內(nèi)矢量時間分配及所對應的PWM波如圖3所示，其中A相的脈寬時間最小為tc/2，B相和C相的脈寬時間均大于tc/2，由于調制深度k較小，tc遠大于開關器件所允許的最小脈寬，所以本發(fā)明在調制深度低k小于設定值時采用的兩電平矢量優(yōu)化作用次序避免了最小脈沖的出現(xiàn)。而當調制深度高時，如當參考電壓矢量Vref在區(qū)域3時，以N型小矢量為起始和終止矢量的三電平矢量優(yōu)化作用次序VONN——VOON——VPON——VPOO——VPON——VOON——VONN為例，其在一次PWM周期內(nèi)矢量時間分配及所對應的PWM波如圖4所示，其中B相脈寬時間最小為ta/2，A相和C相的脈寬時間均大于ta/2，由于調制深度高，k值在較大范圍內(nèi)變化ta數(shù)值較大范圍內(nèi)變化，ta/2的最小脈寬對系統(tǒng)性能的影響不大。現(xiàn)設ta/2＝td，只有當td小于開關器件所允許的最小脈寬時間tmin(即td＜tmin開關器件的開通時間太短)，或td＞Ts-tmin(開關器件的關斷時間太短)時，才會出現(xiàn)窄脈沖，除此外，不存在窄脈沖。當出現(xiàn)窄脈沖時，需針對不同情況對脈沖進行優(yōu)化，改變脈沖持續(xù)時間td 若td＜tmin/2，強制td＝0； 若tmin/＜td＜tmin，強制td＝tmin； 若Ts-tmin＜td＜Ts-tmin/2，強制td＝Ts-tmin； 若Ts-tmin/2＜td＜Ts，強制td＝Ts-tmin。
上述的窄脈沖處理是通過軟件按下述程序(參見圖6)進行的 1.程序開始； 2.判別調制深度是否處于低調制區(qū)，判別確處低調制區(qū)則采用兩平矢電作用方案，然后結束程序； 3.若判別調制深度不在低調制區(qū)，則進一步判別是否會有窄脈沖存在，若判斷不會有窄脈沖存在，就結束程序； 4.若判別會有窄脈沖存在，按四種不同情況延長窄脈沖持續(xù)時間； 5.結束程序。
表1P型小矢量 VPOO VPPP VOPO VOPP VOOP VPOP流入中性點的電流 -Io Ic -Ib Ia -Ic IbN型小矢量 VONN VOON VNON VNOO VNNO VONO流入中性點的電流 Ia -Ic Ib -Ia Ic -Ib 各種P型和N型小矢量流入中性點的電流如表1所示，相對應的P型和N型小矢量流入中性點的電流正好相反。當調制深度處于低調制區(qū)時，若逆變器中性點出現(xiàn)電壓波動，由于采用的是兩電平矢量優(yōu)化作用次序方案，在一個PWM周期內(nèi)僅出現(xiàn)P型小矢量或N型小矢量。因此當前一PWM周期采用P型矢量優(yōu)化作用次序，則下一PWM周期采用對應的N型小矢量優(yōu)化作用次序，即可保持中性點的電壓基本平衡，而不需通過變壓器來控制。當調制深度在高調制區(qū)時，由于采用的是三電平矢量優(yōu)化作用次序方案，在一個PWM周期內(nèi)同時存在P型和N型小矢量，這兩種小矢量對輸出的電壓作用相同，但對中性點電壓的作用相反，因此可以在保持矢量持續(xù)時間總和不變的條件下，根據(jù)需要改變P、N型小矢量的持續(xù)時間，來保持中性點的電壓衡定。請參閱圖5，如果流入中性點電流inp＞0，則電容C2被充電，電容C1放電，也即電容C2的電壓Vc2大于電容C1的電壓Vc1；采用的是圖4所示的三電平矢量優(yōu)化作用次序，其中P型小矢量VPOO和對應的N型小矢量

各自流入中性點的電流分別為-Ia和Ia，則可增加P型小矢量VPOO的持續(xù)時間，流入中性點的電流iap＝-Ia＜0，電容C1充電，而電容C2放電，使電壓Vc2降低，電壓Vc1增加，兩者趨于相等，從而保持中性點電壓平衡于此同時，相應減少N型小矢量歹VONN的持續(xù)時間，但總的矢量持續(xù)時間不變。相反，若電壓Vc1大于電壓Vc2，則增加N型小矢量VONN持續(xù)時間，流入中性點的電流inp＝Ia＞0，電容C1放電，電容C2充電，使電壓Vc1下降而電壓Vc2增加，兩者趨于相等。可見本發(fā)明可以使逆變器自身控制中性點的電壓平衡，而不必借助變壓器等外部器件或設備。
權利要求
1、一種中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于將對應三相開關27種組合狀態(tài)的逆變器交流輸出電壓的空間電壓矢量按其大小在α、β坐標系中排列成一個由24個正三角形組成的正六邊形的矢量分布圖，然后根據(jù)不同調制深度的參考電壓矢量所處正三角形三個結點所代表的電壓矢量和其對應的開關狀態(tài)進行選擇優(yōu)化次序的調制，這一優(yōu)化次序只許可相鄰開關狀態(tài)切換時，只有一個開關的狀態(tài)發(fā)生改變。
2、根據(jù)權利要求1所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度在低調制區(qū)時，該矢量優(yōu)化次序采用O、N或O、P兩電平的N型矢量或P型矢量作用次序的矢量調制方案。
3、根據(jù)權利要求1所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度在高調制區(qū)時，該矢量優(yōu)化次序采用P、O、N三電平的矢量調制方案。
4、根據(jù)權利要求1、2或3所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于用程序軟件判別和處理在PWM周期Ts內(nèi)存在的窄脈沖，其程序如下
1)根據(jù)調制深度確定所在的調制區(qū)；
2)若處在低調制區(qū)，采用兩電平矢量優(yōu)化方案不發(fā)生窄脈沖；
3)若不在低調制區(qū)，判斷所采用的三電平矢量優(yōu)化方案是否會存在窄脈沖；
4)若不存在窄脈沖，則不作調整；
5)若存在窄脈沖，則強制改變該窄脈沖持續(xù)時間td以消除窄脈沖。
5、根據(jù)權利要求4所述的中壓大功率三電平逆交裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于判斷會有窄脈沖存在，則按下述處理
(1)td＜開關器件所允許的最小脈寬時間tmin/2時，強制td＝0；
(2)tmin/2＜td＜tmin時，強制td＝tmin；
(3)Ts-tmin＜td＜Ts-tmin/2，強制td＝Ts-tmin；
(4)Ts-tmin/2＜td＜Ts，強制Td＝Ts。
6、根據(jù)權利要求2所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度處于低調制區(qū)時，若逆變器中性點電壓波動，采用P型矢量和N型矢量作用次序交互使用的矢量調制方案，使中性點電壓基本平衡。
7、根據(jù)權利要求3所述的中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于當調制深度處于高調制區(qū)時，若逆變器中性點電壓波動，采用在一個PWM周期內(nèi)改變P型小矢量或N型小矢量的持續(xù)時間來保持中性點電壓的平衡。
全文摘要
一種中壓大功率三電平逆變裝置的矢量優(yōu)化控制方法，其特征在于將對應三相開關27種組合狀態(tài)的逆變器交流輸出電壓的空間電壓矢量按其大小在α、β坐標系中排列成一個由24個正三角形組成的正六邊形的矢量分布圖，然后根據(jù)不同調制深度的參考電壓矢量所處正三角形三個結點所代表的電壓矢量和其對應的開關狀態(tài)進行選擇優(yōu)化次序的調制，這一優(yōu)化次序只許可相鄰開關狀態(tài)切換時，只有一個開關的狀態(tài)發(fā)生改變。本發(fā)明解決逆變器在PWM調制切換過程中輸出電壓實現(xiàn)平滑過渡、降低諧波含量，避免開關器件承受過大應力而損壞，提高其運行的可靠性的技術問題。
文檔編號H02M7/48GK1585252SQ20041002465
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月26日 優(yōu)先權日2004年5月26日
發(fā)明者李海山, 葛瓊璇, 李耀華, 王曉新, 張樹田 申請人:上海磁浮交通工程技術研究中心