基于载波交叠的三电平npc变流器pwm控制策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，涉及基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制 策略。
【背景技术】
[0002] 三电平中点钳位（NeutralPointClamped即NPC)变流器（主电路拓扑图如图1 所示）具有输出功率大、输出波形THD小、器件电压应力和系统EMI低等多方面的优点，因 而被广泛的应用于高压大功率场合。在三电平变流器中，调制策略是三电平NPC变流器的 一项关键技术，自三电平NPC变流器诞生至今，学者们对其调制策略的研究就一直没有停 止。经过二十多年的研究，目前已有多种三电平调制策略问世，但其中应用最为广泛的仍然 是载波调制策略（Carrier-basedPWMstrategy)。
[0003] 如图2和图3所示为三电平NPC变流器传统载波调制策略示意图，图2和图3U" 为x(x=a，b，c)相调制波，MPUuSx相两个载波。由于两个载波所在区域之间不存 在公共部分，这种载波调制策略被称为三电平载波层叠调制策略，根据载波层叠策略中两 个载波之间的相位关系，又可以将载波层叠策略分为以下两种：
[0004] (a)载波同相层叠调制策略（Phasedispositionpulsewidthmodulation， ro-PWM)-上下两个载波的相位相同的载波层叠策略，具体如图2所示。
[0005] (b)载波反相层叠调制策略（Phaseoppositiondispositionpulsewidth modulation，P0D-PWM)-上下两个载波的相位相反的载波层叠策略，具体如图3所示。
[0006] 近年来，学者们发现不只是两个载波之间的相位关系是载波调制策略的控制 自由度，载波之间的偏移关系也可以作为一个自由度控制载波调制策略的性能，同时考 虑载波相位与偏移的调制策略称为载波交叠调制（Carrieroverlappingpulsewidth modulation，C0PWM)策略，具体如图4和图5所示，其中U"、MPU。2为x相调制波和两个 三角载波，V为载波交叠法中载波宽度的标么值（V>1)，根据载波交叠策略中两个载波之间 的相位关系，也可以将载波交叠策略分为载波同相交叠调制策略（C0PWM-A)和载波反相层 叠调制策略（C0PWM-B)。
[0007] 进一步的研究发现，载波交叠策略可以一定程度上提高三电平NPC变流器系统的 直流电压利用率，载波交叠策略使直流电容电压波动略有减小。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供了基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制策略，该策 略能减小由载波交叠法引起的三电平NPC变流器直流电容电压波动。
[0009] 本发明所采用的技术方案是，基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制策略，采 用电压型三电平中点钳位变流器，具体按照以下步骤实施；
[0010]步骤1，选择载波交叠方式；
[0011] 步骤2,确定载波交叠范围；
[0012] 步骤3,确定三相调制波；
[0013] 步骤4,调制波与载波比较，得到每相各开关管开关信号，以开关信号控制各开关 管的开通和关断，从而完成了控制过程。
[0014] 本发明的特点还在于，
[0015] 步骤1中选择载波交叠方式具体为：
[0016]a)当系统交流侧为三相三线制系统时，采用载波同相交叠法；
[0017]b)当系统交流侧为单相系统或三相四线制系统时，采用载波反相交叠法。
[0018] 步骤2中确定载波交叠范围具体为；
[0019]
[0020] 公式⑴中，为调制波角频率，《。为载波角频率，A为基波幅值，B为调制波倍 频分量幅值，C为载波倍频分量幅值，D和E均为边带谐波幅值，
[0021 ] 其中，对输出性能影响最大的为基波幅值A和调制波倍频分量幅值B，其表达式分 别为：
[0024] 公式⑵和（3)中，Ud。为直流电容总电压，M为调制波基波幅值标幺值，
[0025] 由公式⑵和（3)可知，V彡1+M;
[0026] 设定V彡1. 5,据此，得到确定V的表达式：
[0027]
(4)
[0028] 公式⑷中，V为标幺值。
[0029] 步骤3调制波的确定具体为：
[0030]a)初始时设定三相调制波U"为标准正弦波；
[0031]b)计算三相调制波U"为标准正弦波时引起的中点电流；
[0032] 三电平NPC变流器直流侧中点电流由三部分组成，如公式（5)所示，其中iM表示 由x相电流引起的中点电流，x=a，b或c，iM与相电流ix如公式（6)所示，dx2和dxl分别 表示x相2管和1管的实时占空比，
[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管的实时的占空比为：
[0036]
[0037] 公式（7)中，XpxjPx3, 乂4分别表示x相调制波与上载波和下载波在一个工频周 期内的相交时刻，x=a，a相调制波与上载波和下载波在一个工频周期内的相交时刻其表 达式如公式（8)所示：
[0038]
[0039]x=b，b相调制波与上载波和下载波在一个工频周期内的相交时刻其表达式如公 式（9)所示：
[0041]x=c，c相调制波与上载波和下载波在一个工频周期内的相交时刻其表达式如公 式（10)所示：
[0040] (9)
[0042] (10)
[0043] 将公式（7) _(10)带入公式（6)得到由x相负载电流引起的中点电流iM的表达 式：
[0044]
(11)
[0045] 将（11)代入（5)并根据中点电流与直流电容电压的波动关系可知：
[0046]
[0047] 公式（12)中，中点电流与直流电容电压的波动关系为y，Au为直流电容 电压波动情况，AT为开关周期，C为直流电容电压；
[0048] c)构建控制闭环，确定为抑制直流电容电压波动需在调制波中叠加的零序分量 U。，
[0049] 将b)中计算得到的Au与0比较，其结果通过PI控制器后得到需在调制波中叠 加的零序分量U。，
[0050]d)将U。与a)中给定的正弦调制波U"相加，x=a，b，c，即得三相调制波Ua。、Ub。、 Uco0
[0051] 步骤4具体为：
[0052] 将步骤3得到的三相调制波Ua。、Ub。、U。。分别与上下载波U。2和Uel比较，若某相调 制波大于上载波1]。2，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断，若 某相调制波小于上载波1]。 2大于下调制波U&，则该相的自上而下的第二、第三开关管开通， 第一、第四开关管关断，若某相调制波小于下调制波Uel，则该相的自上而下的第三、第四开 关管开通，第一、第二开关管关断。
[0053] 本发明的有益效果是：本发明基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制策略，该 策略通过闭环控制减小由载波交叠引起的三电平NPC变流器系统直流电容电压波动，该方 法实现简单，应用效果好。
【附图说明】
[0054] 图1是三电平NPC变流器主电路拓扑图；
[0055] 图2是三电平载波同相层叠调制策略示意图；
[0056] 图3是三电平载波反相层叠调制策略示意图；
[0057] 图4是三电平载波同相交叠调制策略示意图；
[0058] 图5是三电平载波反相交叠调制策略示意图；
[0059] 图6是三电平载波同相交叠法a相4个开关管波形图；
[0060] 图7是本发明基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制策略中载波交叠法零序 分量U。的确定方法原理图；
[0061] 图8是本发明基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制策略输出电压脉冲的仿 真图；
[0062] 图9是本发明基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制策略直流电容电压波动 的仿真图。
【具体实施方式】
[0063] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0064] 本发明提供了基于载波交叠的三电平NPC变流器PWM控制策略，采用如图1所示 的电压型三电平中点钳位变流器，包括三相交流部分（若为三电平逆变器结构，则三相交 流部分为负载；若为三电平整流器、静止无功发生器等装置，则三相交流部分为交流源加三 相交流平波电抗器）、三电平直流侧外接部分（若为三电平逆变器结构，则直流侧外接部分 为直流电压源，该直流源可为实际电源，也可为通过交流电源整流得到的直流源；若为三电 平整流器结构，则直流侧外接部分为负载；若为三电平静止无功发生器，则直流侧无外接部 分）、电压型三电平中点钳位变流器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片和 数字处理器，其中，电压传感器检测三相交流部分电压和直流侧各电容电压、电流传感器检 测交流侧各相电流，电压传感器和电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处 理器与相应的驱动电路控制三电平变流器中各功率器件的开关；
[0065] 具体按照以下步骤实施；
[0066] 步骤1，选择载波交叠方式；
[0067] 研究表明，在两种载波交叠策略中，载波同相交叠策略的输出线电压THD小，载波 反相交叠策略的输出相电压THD小。根据这个理论基础，选择载波交叠方式具体为：
[0068]