一種簡化的三電平空間矢量調制方法
【專利摘要】本發明公開了一種簡化的三電平空間矢量調制方法，包括以下步驟：（1）根據控制系統的三相電壓得到參考電壓合成矢量；（2）判斷參考電壓合成矢量所在的大扇區；（3）判斷參考電壓合成矢量所在的小扇區；（4）計算參考電壓合成矢量所在小扇區中各矢量的作用時間；（5）安排參考電壓合成矢量所在小扇區中各矢量的開關序列；（6）根據開關序列計算占空比。本發明方法通過棄用6個大矢量，利用剩余21個基本空間矢量劃分電壓矢量空間，減少了電壓矢量和扇區的數量，降低了空間復雜度，有效減少了算法運行時間，提高了運行效率，有利于三電平空間矢量調制技術的推廣應用。
【專利說明】一種簡化的三電平空間矢量調制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力電子【技術領域】，涉及一種三電平空間矢量調制方法。
【背景技術】
[0002]針對三相逆變器，常用的調制方法主要有正弦脈寬調制技術SPWM和空間矢量脈寬調制技術SVPWM。SPWM技術是用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，簡單有效，容易實現；SVPWM技術是根據三相逆變器不同開關模式作適當的切換，從而形成PWM波，使得所形成的實際磁鏈矢量來追蹤其準確磁鏈圓，需要額外的計算時間，但是可以提高直流母線電壓的利用率，特別在電機調速領域得到了廣泛的應用。根據空間矢量脈寬調制技術，任意參考矢量都可以由基本空間矢量合成。為了降低開關頻率和開關損耗，同時減少輸出電壓矢量的諧波含量，一般采用與參考矢量相鄰最近的三個基本空間矢量來合成。
[0003]三電平逆變器中一般將矢量空間劃分為6個大扇區，每個大扇區又分為4個小扇區，形成了 24個基本三角形區域，每個三角形區域由三個基本空間矢量構成。這樣就會有27個基本空間矢量，根據空間矢量的長度可分為:大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢
量的長度為2/3Vd。,共計有6個；中矢量的長度為力/3F*.:，共計有6個；小矢量的長度為
l/3Vd。，共計有12個；零矢量長度為0，共計3個。
[0004]三電平逆變器一個比較常見的問題:直流側電容的均壓。當直流側電容電壓均壓失敗，會影響輸出電壓波形，嚴重情況下將會損壞功率開關器件。研究分析表明:大矢量和零矢量不會導致直流側電容電壓不平衡，但中矢量和小矢量將引起直流側電容電壓不均衡，而且成對小矢量對電容電壓的作用相反。因此，現有的空間矢量調制方法主要是通過控制成對的小矢量來實現電容電壓的均衡。實際上，大矢量既不影響直流側電容電壓的均衡，又不制約直流電壓的利用率，對整個控制作用不大，反而增加了空間的復雜度。
【發明內容】
[0005]技術問題:為了克服上述現有技術的缺點，本發明提供了一種不會影響控制效果、有效減少矢量、降低了空間復雜度的簡化的三電平空間矢量調制方法。
[0006]技術方案:本發明的一種簡化的三電平空間矢量調制方法，包括以下步驟:
[0007](I)根據控制系統的三相電壓得到參考電壓合成矢量；
[0008](2)判斷參考電壓合成矢量所在的空間矢量大扇區，空間矢量大扇區是將空間矢量圖中的6個大矢量棄用后，用剩余的21個矢量劃分得到的；
[0009](3)判斷參考電壓合成矢量所在的空間矢量小扇區，空間矢量小扇區是將所在大扇區的大矢量棄用后，用剩余的矢量劃分得到的；
[0010](4)計算參考電壓合成矢量所在空間矢量小扇區中三個基本空間矢量的作用時間；
[0011](5)安排參考電壓合成矢量所在空間矢量小扇區中三個基本空間矢量的開關序列；
[0012](6)根據步驟(5)中安排的開關序列計算占空比，然后將占空比作為功率器件的驅
動信號。
[0013]本發明方法的步驟(2)中，空間矢量大扇區是按照如下方法劃分得到的:
[0014](A)棄用空間矢量圖中的6個大矢量，得到剩余21個電壓矢量，分別為3個零矢量、12個小矢量和6個中矢量；
[0015](B)基于步驟(A)中棄用的6個大矢量，從空間矢量圖中找到每個棄用的大矢量的相鄰最近的兩個中矢量；
[0016](C)按照如下方法得到所有空間矢量大扇區:將棄用的大矢量與其相鄰最近的兩個中矢量連接，將空間矢量圖中的零矢量與這兩個中矢量連接，所圍成的區域即為一個空間矢量大扇區；
[0017]本發明方法的步驟(3)中，空間矢量小扇區是按照如下方法劃分得到的:
[0018](a)找到每個空間矢量大扇區中包含的小矢量；
[0019](b)在每個空間矢量大扇區中，將小矢量分別與零矢量和兩個中矢量連接，將空間矢量大扇區分割而成的三個區域即為空間矢量圖大扇區中的小扇區。
[0020]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0021]1.本發明所提供的一種簡化的三電平空間矢量調制方法，克服了傳統三電平空間矢量調制方法判斷小扇區時，由于采用三角函數，判斷比較復雜，時延較大的問題。本發明所提供的方法判斷小扇區時，首先將三電平空間矢量轉換到兩電平空間矢量，然后在兩電平條件下判斷小扇區，此時所采用的判斷方法與判斷大扇區方法一致，這樣轉換到兩電平條件下之后，無須額外的判斷算法，從而簡化了判斷過程，提高了可靠性；同時判斷方法只有四則運算，不存在三角函數計算，減少了計算延時，提高了實時性；最后由于基本空間矢量作用時間也是在兩電平條件下計算的，所以可以直接計算基本空間矢量的作用時間，無須重復轉換，從而進一步減少了算法時間。
[0022]2.本發明所提供的一種簡化的三電平空間矢量調制方法，解決了傳統三電平空間矢量調制方法矢量較多和分區復雜的問題。傳統三電平空間矢量調制方法存在27種基本電壓矢量，分別為3個零矢量、12個小矢量、6個中矢量和6個大矢量，一般是將電壓空間矢量劃分為6個大扇區，每個大扇區又劃分為4個小扇區，形成了 24個基本三角形區域，每個三角形區域由三個基本空間矢量構成，本發明所提供的方法，考慮到大矢量既不影響直流側電容電壓的均衡，又不制約直流電壓的利用率，將6個大矢量棄用后，利用剩余21個基本空間矢量重新將電壓矢量空間劃分為6個大扇區，每個大扇區劃分為3個小扇區，形成了 18個多邊形區域，這樣不僅不會影響控制系統的效果，而且還可以有效減少電壓矢量和扇區的數量，降低空間復雜度，減少算法運行時間，提高運行效率，有利于三電平空間矢量調制技術的推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明方法的電壓空間矢量分區圖。
[0024]圖2為傳統電壓空間矢量分區圖。
[0025]圖3為本發明方法的第I大扇區轉換圖。[0026]圖4為本發明方法的第I大扇區開關序列圖，其中圖4 (a)為第I大扇區第I I小扇區開關序列圖，圖4 (b)為第I大扇區第I 2小扇區開關序列圖，圖4 (c)為第I大扇區第I 3小扇區開關序列圖。
[0027]圖5為三電平逆變器結構圖。
[0028]圖中有:零矢量Vz、第一小矢量Vs1、第二小矢量Vs2、第三小矢量Vs3、第四小矢量Vs4、第五小矢量Vs5、第六小矢量Vs6、第一中矢量Vm1、第二中矢量Vm2、第三中矢量Vm3、第四中矢量Vm4、第五中矢量Vm5、第六中矢量Vm6、第一大矢量Vu、第二大矢量Vlj2、第三大矢量Vu、第四大矢量Vm、第五大矢量Vm、第六大矢量Vu1、零矢量轉換后矢量V4、第一小矢量轉換后矢量Vtl、第一中矢量轉換后矢量V2、第六中矢量轉換后矢量V6、參考電壓合成矢量VMf、轉換后的參考電壓合成矢量VMfl。
【具體實施方式】
[0029]下面結合說明書附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0030]本發明的簡化的三電平空間矢量調制方法，考慮到大矢量既不影響直流側電容電壓的均衡，又不制約直流電壓的利用率，因此考慮將其去掉，這樣不僅不會影響控制效果，而且降低了空間復雜度。圖1是本發明方法的電壓空間矢量分區圖，圖2是傳統電壓空間矢量分區圖，比較圖1和圖2可知:本發明所提供的一種簡化的三電平空間矢量調制方法使得有效矢量從27減少到21，有效區域從24減少到18，降低了空間復雜度，有利于三電平空間矢量調制技術的推廣應用，該方法主要包括以下步驟:
[0031](I)根據控制系統的三相電壓得到參考電壓合成矢量；
[0032](2)判斷參考電壓合成矢量所在的空間矢量大扇區，空間矢量大扇區是將空間矢量圖中的6個大矢量棄用后，用剩余的21個矢量劃分得到的；
[0033](3)判斷參考電壓合成矢量所在的空間矢量小扇區，空間矢量小扇區是將所在大扇區的大矢量棄用后，用剩余的矢量劃分得到的；
[0034](4)計算參考電壓合成矢量所在空間矢量小扇區中三個基本空間矢量的作用時間；
[0035](5)安排參考電壓合成矢量所在空間矢量小扇區中三個基本空間矢量的開關序列；
[0036](6)根據步驟(5)中安排的開關序列計算占空比，然后將占空比作為功率器件的驅
動信號。
[0037]步驟(2)中的空間矢量大扇區是按照如下方法劃分得到的:
[0038](A)棄用空間矢量圖中的6個大矢量，得到剩余21個電壓矢量，分別為3個零矢量、12個小矢量和6個中矢量，其中3個零矢量在空間位置上是重合的，12個小矢量在空間位置上兩兩重合，構成了 6組空間位置上相互對立的矢量對，6個中矢量在空間位置上是相互獨立的；
[0039](B)基于步驟(A)中棄用的6個大矢量，從空間矢量圖中找到每個棄用的大矢量的相鄰最近的兩個中矢量；
[0040](C)按照如下方法得到所有空間矢量大扇區:將棄用的大矢量與其相鄰最近的兩個中矢量連接，將空間矢量圖中的零矢量與這兩個中矢量連接，所圍成的區域即為一個空間矢量大扇區。
[0041]空間矢量圖大扇區劃分結果為:空間矢量圖第I大扇區是由零矢量Vz、第一中矢量Vm1、第一大矢量Vu和第六中矢量Vm6構成的封閉四邊形區域；空間矢量圖第II大扇區是由零矢量Vz、第二中矢量Vm2、第二大矢量L和第一中矢量Vmi構成的封閉四邊形區域；空間矢量圖第III大扇區是由零矢量Vz、第三中矢量Vm3、第三大矢量Vu和第二中矢量Vm2構成的封閉四邊形區域；空間矢量圖第IV大扇區是由零矢量Vz、第四中矢量Vm4、第四大矢量Vm和第三中矢量Vm3構成的封閉四邊形區域；空間矢量圖第V大扇區是由零矢量Vz、第五中矢量Vm5、第五大矢量Vw和第四中矢量Vm4構成的封閉四邊形區域；空間矢量圖第VI大扇區是由零矢量Vz、第六中矢量Vm6、第六大矢量Vui和第五中矢量Vm5構成的封閉四邊形區域。
[0042]步驟(3)中的空間矢量小扇區是按照如下方法劃分得到的:
[0043](a)找到每個空間矢量大扇區中包含的小矢量；
[0044](b)在每個空間矢量大扇區中，將小矢量分別與零矢量和兩個中矢量連接，將空間矢量大扇區分割而成的三個區域即為空間矢量圖大扇區中的小扇區。
[0045]空間矢量圖小扇區劃分結果為:空間矢量圖第I大扇區第I I小扇區是由第一小矢量Vs1、第一中量Vm1、第一大矢量Vu和第六中矢量Vm6構成的封閉四邊形區域，第I 2小扇區是由零矢量Vz、第一中矢量Vmi和第一小矢量Vsi構成的封閉三角形區域，第I 3小扇區是由零矢量Vz、第一小矢量Vsi和第六中矢量Vm6構成的封閉三角形區域；空間矢量圖第II大扇區第II i小扇區是由第二小矢量Vs2、第二中量Vm2、第二大矢量N12和第一中矢量Vmi構成的封閉四邊形區域，第II 2·小扇區是由零矢量Vz、第二中矢量Vm2和第二小矢量Vs2構成的封閉三角形區域，第II 3小扇區是由零矢量Vz、第二小矢量Vs2和第一中矢量Vmi構成的封閉三角形區域；空間矢量圖第III大扇區第III1小扇區是由第三小矢量Vs3、第三中量Vm3、第三大矢量'3和第二中矢量Vm2構成的封閉四邊形區域，第III2小扇區是由零矢量Vz、第三中矢量Vm3和第三小矢量Vs3構成的封閉三角形區域，第III3小扇區是由零矢量Vz、第三小矢量Vs3和第二中矢量Vm2構成的封閉三角形區域；空間矢量圖第IV大扇區第IV jj、扇區是由第四小矢量Vs4、第四中量Vm4、第四大矢量Vm和第三中矢量Vm3構成的封閉四邊形區域，第IV2小扇區是由零矢量Vz、第四中矢量Vm4和第四小矢量Vs4構成的封閉三角形區域，第IV3小扇區是由零矢量Vz、第四小矢量Vs4和第三中矢量Vm3構成的封閉三角形區域；空間矢量圖第V大扇區第
V!小扇區是由第五小矢量Vs5、第五中量Vm5、第五大矢量Vw和第四中矢量Vm4構成的封閉四邊形區域，第V2小扇區是由零矢量Vz、第五中矢量Vm5和第五小矢量Vs5構成的封閉三角形區域，第V3小扇區是由零矢量Vz、第五小矢量Vs5和第四中矢量Vm4構成的封閉三角形區域；空間矢量圖第VI大扇區第VI!小扇區是由第六小矢量Vs6、第六中量Vm6、第六大矢量Vui和第五中矢量Vm5構成的封閉四邊形區域，第VI2小扇區是由零矢量Vz、第六中矢量Vm6和第六小矢量Vs6構成的封閉三角形區域，第m 3小扇區是由零矢量Vz、第六小矢量Vs6和第五中矢量Vm5構成的封閉三角形區域。
[0046]步驟(1)根據控制系統的三相電壓得到參考電壓合成矢量的具體流程為:
[0047]根據下式將a，b，c三相參考電壓轉換到α β坐標系:
【權利要求】
1.一種簡化的三電平空間矢量調制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)根據控制系統的三相電壓得到參考電壓合成矢量； (2)判斷所述參考電壓合成矢量所在的空間矢量大扇區，所述空間矢量大扇區是將空間矢量圖中的6個大矢量棄用后，用剩余的21個矢量劃分得到的； (3)判斷所述參考電壓合成矢量所在的空間矢量小扇區，所述空間矢量小扇區是將所在大扇區的大矢量棄用后，用剩余的矢量劃分得到的； (4)計算所述參考電壓合成矢量所在空間矢量小扇區中三個基本空間矢量的作用時間； (5)安排所述參考電壓合成矢量所在空間矢量小扇區中三個基本空間矢量的開關序列； (6)根據所述步驟(5)中安排的開關序列計算占空比，然后將占空比作為功率器件的驅動信號。
2.根據權利要求1所述的一種簡化的三電平空間矢量調制方法，其特征在于，所述步驟(2)中的空間矢量大扇區是按照如下方法劃分得到的: (A)棄用所述空間矢量圖中的6個大矢量，得到剩余21個電壓矢量，分別為3個零矢量、12個小矢量和6個中矢量； (B)基于所述步驟(A)中棄用的6個大矢量，從空間矢量圖中找到每個棄用的大矢量的相鄰最近的兩個中矢量； (C)按照如下方法得到所有空間矢量大扇區:將棄用的大矢量與其相鄰最近的兩個中矢量連接，將空間矢量圖中的零矢量與這兩個中矢量連接，所圍成的區域即為一個空間矢量大扇區； 所述步驟(3)中的空間矢量小扇區是按照如下方法劃分得到的: Ca)找到每個空間矢量大扇區中包含的小矢量； (b)在每個空間矢量大扇區中，將小矢量分別與零矢量和兩個中矢量連接，將空間矢量大扇區分割而成的三個區域即為空間矢量圖大扇區中的小扇區。
【文檔編號】H02M7/48GK103731055SQ201410024246
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】譚風雷, 白晨陽 申請人:東南大學