基于載波交疊的三電平npc變流器pwm控制策略的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術領域，涉及基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制 策略。
【背景技術】
[0002] 三電平中點鉗位（NeutralPointClamped即NPC)變流器（主電路拓撲圖如圖1 所示）具有輸出功率大、輸出波形THD小、器件電壓應力和系統(tǒng)EMI低等多方面的優(yōu)點，因 而被廣泛的應用于高壓大功率場合。在三電平變流器中，調(diào)制策略是三電平NPC變流器的 一項關鍵技術，自三電平NPC變流器誕生至今，學者們對其調(diào)制策略的研究就一直沒有停 止。經(jīng)過二十多年的研究，目前已有多種三電平調(diào)制策略問世，但其中應用最為廣泛的仍然 是載波調(diào)制策略（Carrier-basedPWMstrategy)。
[0003] 如圖2和圖3所示為三電平NPC變流器傳統(tǒng)載波調(diào)制策略示意圖，圖2和圖3U" 為x(x=a，b，c)相調(diào)制波，MPUuSx相兩個載波。由于兩個載波所在區(qū)域之間不存 在公共部分，這種載波調(diào)制策略被稱為三電平載波層疊調(diào)制策略，根據(jù)載波層疊策略中兩 個載波之間的相位關系，又可以將載波層疊策略分為以下兩種：
[0004] (a)載波同相層疊調(diào)制策略（Phasedispositionpulsewidthmodulation， ro-PWM)-上下兩個載波的相位相同的載波層疊策略，具體如圖2所示。
[0005] (b)載波反相層疊調(diào)制策略（Phaseoppositiondispositionpulsewidth modulation，P0D-PWM)-上下兩個載波的相位相反的載波層疊策略，具體如圖3所示。
[0006] 近年來，學者們發(fā)現(xiàn)不只是兩個載波之間的相位關系是載波調(diào)制策略的控制 自由度，載波之間的偏移關系也可以作為一個自由度控制載波調(diào)制策略的性能，同時考 慮載波相位與偏移的調(diào)制策略稱為載波交疊調(diào)制（Carrieroverlappingpulsewidth modulation，C0PWM)策略，具體如圖4和圖5所示，其中U"、MPU。2為x相調(diào)制波和兩個 三角載波，V為載波交疊法中載波寬度的標么值（V>1)，根據(jù)載波交疊策略中兩個載波之間 的相位關系，也可以將載波交疊策略分為載波同相交疊調(diào)制策略（C0PWM-A)和載波反相層 疊調(diào)制策略（C0PWM-B)。
[0007] 進一步的研究發(fā)現(xiàn)，載波交疊策略可以一定程度上提高三電平NPC變流器系統(tǒng)的 直流電壓利用率，載波交疊策略使直流電容電壓波動略有減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供了基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制策略，該策 略能減小由載波交疊法引起的三電平NPC變流器直流電容電壓波動。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術方案是，基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制策略，采 用電壓型三電平中點鉗位變流器，具體按照以下步驟實施；
[0010]步驟1，選擇載波交疊方式；
[0011] 步驟2,確定載波交疊范圍；
[0012] 步驟3,確定三相調(diào)制波；
[0013] 步驟4,調(diào)制波與載波比較，得到每相各開關管開關信號，以開關信號控制各開關 管的開通和關斷，從而完成了控制過程。
[0014] 本發(fā)明的特點還在于，
[0015] 步驟1中選擇載波交疊方式具體為：
[0016]a)當系統(tǒng)交流側(cè)為三相三線制系統(tǒng)時，采用載波同相交疊法；
[0017]b)當系統(tǒng)交流側(cè)為單相系統(tǒng)或三相四線制系統(tǒng)時，采用載波反相交疊法。
[0018] 步驟2中確定載波交疊范圍具體為；
[0019]
[0020] 公式⑴中，為調(diào)制波角頻率，《。為載波角頻率，A為基波幅值，B為調(diào)制波倍 頻分量幅值，C為載波倍頻分量幅值，D和E均為邊帶諧波幅值，
[0021 ] 其中，對輸出性能影響最大的為基波幅值A和調(diào)制波倍頻分量幅值B，其表達式分 別為：
[0024] 公式⑵和（3)中，Ud。為直流電容總電壓，M為調(diào)制波基波幅值標幺值，
[0025] 由公式⑵和（3)可知，V彡1+M;
[0026] 設定V彡1. 5,據(jù)此，得到確定V的表達式：
[0027]
(4)
[0028] 公式⑷中，V為標幺值。
[0029] 步驟3調(diào)制波的確定具體為：
[0030]a)初始時設定三相調(diào)制波U"為標準正弦波；
[0031]b)計算三相調(diào)制波U"為標準正弦波時引起的中點電流；
[0032] 三電平NPC變流器直流側(cè)中點電流由三部分組成，如公式（5)所示，其中iM表示 由x相電流引起的中點電流，x=a，b或c，iM與相電流ix如公式（6)所示，dx2和dxl分別 表示x相2管和1管的實時占空比，
[0033]i〇=i〇a+i〇b+i〇c (5)
[0034]iox=(dx2-dxl)Xix(x=a,b,c) (6)
[0035] x相1管和2管的實時的占空比為：
[0036]
[0037] 公式（7)中，XpxjPx3, 乂4分別表示x相調(diào)制波與上載波和下載波在一個工頻周 期內(nèi)的相交時刻，x=a，a相調(diào)制波與上載波和下載波在一個工頻周期內(nèi)的相交時刻其表 達式如公式（8)所示：
[0038]
[0039]x=b，b相調(diào)制波與上載波和下載波在一個工頻周期內(nèi)的相交時刻其表達式如公 式（9)所示：
[0041]x=c，c相調(diào)制波與上載波和下載波在一個工頻周期內(nèi)的相交時刻其表達式如公 式（10)所示：
[0040] (9)
[0042] (10)
[0043] 將公式（7) _(10)帶入公式（6)得到由x相負載電流引起的中點電流iM的表達 式：
[0044]
(11)
[0045] 將（11)代入（5)并根據(jù)中點電流與直流電容電壓的波動關系可知：
[0046]
[0047] 公式（12)中，中點電流與直流電容電壓的波動關系為y，Au為直流電容 電壓波動情況，AT為開關周期，C為直流電容電壓；
[0048] c)構(gòu)建控制閉環(huán)，確定為抑制直流電容電壓波動需在調(diào)制波中疊加的零序分量 U。，
[0049] 將b)中計算得到的Au與0比較，其結(jié)果通過PI控制器后得到需在調(diào)制波中疊 加的零序分量U。，
[0050]d)將U。與a)中給定的正弦調(diào)制波U"相加，x=a，b，c，即得三相調(diào)制波Ua。、Ub。、 Uco0
[0051] 步驟4具體為：
[0052] 將步驟3得到的三相調(diào)制波Ua。、Ub。、U。。分別與上下載波U。2和Uel比較，若某相調(diào) 制波大于上載波1]。2，則該相的自上而下的第一、第二開關管開通，第三、第四開關管關斷，若 某相調(diào)制波小于上載波1]。 2大于下調(diào)制波U&，則該相的自上而下的第二、第三開關管開通， 第一、第四開關管關斷，若某相調(diào)制波小于下調(diào)制波Uel，則該相的自上而下的第三、第四開 關管開通，第一、第二開關管關斷。
[0053] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制策略，該 策略通過閉環(huán)控制減小由載波交疊引起的三電平NPC變流器系統(tǒng)直流電容電壓波動，該方 法實現(xiàn)簡單，應用效果好。
【附圖說明】
[0054] 圖1是三電平NPC變流器主電路拓撲圖；
[0055] 圖2是三電平載波同相層疊調(diào)制策略示意圖；
[0056] 圖3是三電平載波反相層疊調(diào)制策略示意圖；
[0057] 圖4是三電平載波同相交疊調(diào)制策略示意圖；
[0058] 圖5是三電平載波反相交疊調(diào)制策略示意圖；
[0059] 圖6是三電平載波同相交疊法a相4個開關管波形圖；
[0060] 圖7是本發(fā)明基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制策略中載波交疊法零序 分量U。的確定方法原理圖；
[0061] 圖8是本發(fā)明基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制策略輸出電壓脈沖的仿 真圖；
[0062] 圖9是本發(fā)明基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制策略直流電容電壓波動 的仿真圖。
【具體實施方式】
[0063] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0064] 本發(fā)明提供了基于載波交疊的三電平NPC變流器PWM控制策略，采用如圖1所示 的電壓型三電平中點鉗位變流器，包括三相交流部分（若為三電平逆變器結(jié)構(gòu)，則三相交 流部分為負載；若為三電平整流器、靜止無功發(fā)生器等裝置，則三相交流部分為交流源加三 相交流平波電抗器）、三電平直流側(cè)外接部分（若為三電平逆變器結(jié)構(gòu)，則直流側(cè)外接部分 為直流電壓源，該直流源可為實際電源，也可為通過交流電源整流得到的直流源；若為三電 平整流器結(jié)構(gòu)，則直流側(cè)外接部分為負載；若為三電平靜止無功發(fā)生器，則直流側(cè)無外接部 分）、電壓型三電平中點鉗位變流器主電路部分、電壓傳感器、電流傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片和 數(shù)字處理器，其中，電壓傳感器檢測三相交流部分電壓和直流側(cè)各電容電壓、電流傳感器檢 測交流側(cè)各相電流，電壓傳感器和電流傳感器通過AD轉(zhuǎn)換芯片與數(shù)字處理器連接，數(shù)字處 理器與相應的驅(qū)動電路控制三電平變流器中各功率器件的開關；
[0065] 具體按照以下步驟實施；
[0066] 步驟1，選擇載波交疊方式；
[0067] 研究表明，在兩種載波交疊策略中，載波同相交疊策略的輸出線電壓THD小，載波 反相交疊策略的輸出相電壓THD小。根據(jù)這個理論基礎，選擇載波交疊方式具體為：
[0068]