端电压直接合成的两电平逆变器PWM控制方法与流程
本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法。
背景技术：
电压源型逆变器以其较高的性价比获得了广泛的应用，而其相应的pwm控制一直是研究的热点。一般而言，波形质量、开关损耗、直流母线电压利用率等是衡量pwm方法的几个重要指标。为满足这几大指标要求，目前主要的控制方法有以下几类：(1)基于载波的pwm控制方法(carrierbasedpwm,简称cbm)；(2)特定谐波消除pwm(shepwm)；(3)模型预测pwm控制(mpc-pwm)。
实质上，现今广泛使用的svpwm以及spwm均是cbm下的分支[8]。随着研究的深入，有技术对spwm与svpwm之间的关系进行了详细研究，得出了其内在的联系：两者本质上是同类的调制，可通过对spwm进行零序分量注入得到等效的svpwm效果。基于此结论，还有资料将零序分量作为控制自由度引入三电平变流器的控制中，用于对中点电位平衡的调节。以此为基础，对于两电平逆变器零矢量时间的分配进行研究，得出了统一空间矢量pwm的实现方法。此外，有些技术将此应用于多相变流器的控制中，应用效果良好。
对于第二类，自shepwm被提出以来，非线性超越方程组的求解一直是限制其应用的主要原因之一，有文献提出将svpwm与shepwm相结合，规避复杂的方程求解问题。由于此方法大都面向稳态正弦信号的调制，对于高性能场合应用仍有一定欠缺，故本文不对其进行详细阐述。
近年来，模型预测控制被引入变流器的控制中，取得了良好的控制效果。有文献结合电力电子变流装置开关状态有限的特点，提出了一种有限控制集的模型预测控制(fcs-mpc)，达成了较好的控制效果。针对数字控制的延迟以及旧电压矢量序列预测时间在某些区域小于零的问题，有文献采用新的电压矢量作用序列及预测控制算法，实验结果表明控制效果良好。mpc实现高性能变流器控制的前提是模型参数的准确性。当预测模型参数有偏差时，控制效果将劣化。此外，随着变流器电平数的增多，mpc的运算量将急剧膨胀。这些因素目前是mpc推广的主要瓶颈。
除以上提及的三大主流变流器控制方法外，还存在其他的一些控制方式。如有技术提出的基于电力电子变流器回路状态的电路级解耦控制方法。此方法另辟蹊径，以变流器运行模态特点提出了有效的控制方法，并取得了较好的控制效果。还有技术则采用有别于传统复平面坐标系的60°坐标系以及虚坐标系进行分析计算，目的在于简化传统svpwm的计算量，提高运算速度。
此外，在中高压大功率场合，功率半导体器件的开关速度较慢，往往产生窄脉冲的问题。有文献提出了相应的窄脉冲补偿方案，效果良好。传统方案虽然在一定程度上解决了相关脉冲的调节控制问题，然而在控制过程中往往具有较高的复杂度，容易影响相应的控制效率。
技术实现要素：
针对以上问题，本发明提出一种端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法。
为实现本发明的目的，提供一种端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法，包括如下步骤：
s10，获取逆变器主电路对应的电压空间矢量分布图，确定电压空间矢量分布图中的选定扇区；
s20，构建选定扇区对应的新伏秒平衡原则方程组，根据新伏秒平衡原则方程组求取新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc；
s30，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc确定第一时间修正量；
s40，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，c相的作用时间tc，以及第一时间修正量确定等效注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间；
s50，根据注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间确定选定扇区对应的pwm波形。
在一个实施例中，选定扇区对应的新伏秒平衡原则方程组包括：
式中，ts表示逆变器主电路的开关周期，uao(t)表示逆变器主电路直流侧中点o对应的a相电压，ubo(t)表示逆变器主电路直流侧中点o对应的b相电压，uco(t)表示逆变器主电路直流侧中点o对应的c相电压，
作为一个实施例，新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc为：
式中，udc表示逆变器主电路的直流母线电压。
作为一个实施例，注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间包括a相对应的第一作用时间t′a、b相对应的第二作用时间t′b、和c相对应的第三作用时间t′c；
所述注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间包括：
t′a＝ta-δt，
t′b＝tb-δt，
t′c＝tc-δt，
式中，δt表示第一时间修正量。
作为一个实施例，第一时间修正量δt的确定公式包括：
δt＝tmax-ts或δt＝tmin，
式中，tmax＝max(ta,tb,tc)，tmin＝min(ta,tb,tc)，max()表示取最大值，min()表示取最小值。
作为一个实施例，端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法，还包括：
设置选定扇区的展宽操作条件和在剔除窄脉冲操作过程中的时间修正条件，根据展宽操作条件和时间修正条件计算第二时间修正量，根据第二时间修正量修正三相开关状态作用时间，并在展宽操作或在剔除窄脉冲操作过程中采用修正后的三相开关状态作用时间确定选定扇区对应的pwm波形。
作为一个实施例，所述展宽操作条件包括：
tmin_allow≤t′x+toffset≤tmax_allow，
在剔除窄脉冲操作过程中的时间修正条件包括：
max(t′x-toffset)≤tmax_allow，
mid(t′x-toffset)≥tmin_allow，
min(t′x-toffset)＝0，
其中，x＝a,b,c，tmin_allow表示选定扇区的三相最短作用时间，tmax_allow表示选定扇区的三相最长作用时间，toffset表示第二时间修正量，mid()表示求中间值。
在一个实施例中，上述端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法，还包括：
获取注入零序电压分量后选定扇区达成线性调制时，三相开关状态作用时间的作用时间条件，以及选定扇区的三相电压空间矢量方程组，根据所述作用时间条件和三相电压空间矢量方程组计算选定扇区的调制度m，根据调制度m确定选定扇区的pwm调制性能。
作为一个实施例，所述作用时间条件包括：
若tmax＞ts且tmin＞0，则tmax-ts≤tmin；
若tmax＜ts且tmin＜0，则tmax-tmin≤ts；
其中，ts表示逆变器主电路的开关周期，tmax＝max(ta,tb,tc)，tmin＝min(ta,tb,tc)，max()表示取最大值，min()表示取最小值。
作为一个实施例，所述选定扇区的三相电压空间矢量方程组包括：
其中，
上述端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法，通过获取逆变器主电路对应的电压空间矢量分布图，确定电压空间矢量分布图中的选定扇区，构建选定扇区对应的新伏秒平衡原则方程组，根据新伏秒平衡原则方程组求取新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc确定第一时间修正量，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，c相的作用时间tc，以及第一时间修正量确定等效注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间，根据注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间确定选定扇区对应的pwm波形，以实现对选定扇区的pwm控制，相应的控制过程得到了有效简化，可以提高pwm的控制效率。
附图说明
图1是两电平逆变器主电路示意图；
图2是两电平逆变器输出的电压空间矢量图；
图3是传统svpwm对应的pwm波形图；
图4是一个实施例的新伏秒平衡原则所描述的pwm波形图；
图5是一个实施例的端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法流程示意图；
图6是一个实施例的pwm波形修正过程示意图；
图7是一个实施例的pwm波形修正过程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请具体基于两电平逆变器的pwm控制，对传统的svpwm进行了分析研究，提出了一种新的伏秒平衡原则，简化了计算量，并以此作为端电压直接合成的依据；此外，研究了此控制方式下零序分量注入的等价操作，以此为基础提出了相应的窄脉冲补偿方案。
两电平逆变器主电路可以参考图1所示，图1中，直流母线电压为udc，将直流侧电压分为两等份，取中点为o，逆变器接三相对称阻感负载，负载侧星形连接，中性点取为o’，如图1所示。以直流侧中点o为参考地，每相可输出2种端电压电平：udc/2，-udc/2。逆变器输出的端电压与对应的开关状态如表1所示。
表1两电平逆变器开关状态及端电压对照表(x＝a,b,c)
两电平逆变器输出的电压空间矢量图如图2所示。以下分析均假定选定扇区为扇区i，给定电压空间矢量
为求取电压空间矢量
ts＝t0+t1+t2+t7，
式中，t0、t1、t2、t7分别为各个对应空间矢量的作用时间，ts为开关周期。根据所求取的时间，可以获得如图3所示的传统svpwm对应的pwm波形。
将上述传统伏秒平衡原则方程组化至三相自然坐标系，可得下述式(2)：
上式中，
如图1所示，根据kvl定理，可得下述式(3)：
uxo′＝uxo+uoo′(x＝a,b,c)，
将式(3)代入式(2)中整理可得下述式(4)：
其中，
在传统的svpwm中，为了求取各电压空间矢量的作用时间，求解方程组时将差模、共模分量作为一个整体进行考虑，故造成了计算上的复杂。而共模分量对线电压无影响，为了达成有效调制，仅需在计算时考虑携带调制信号信息的差模分量即可。为此，进一步强化约束条件，将共模分量置为零，由此可得新的伏秒平衡原则(新伏秒平衡原则方程组)，即下式(5)：
其中式(5)所描述的pwm波形可以参考图4所示。从图4可知，新伏秒平衡约束下求取三相作用时间，即新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，c相的作用时间tc可以通过下式(6)求取：
由以上分析可知，在求取三相作用时间时，仅需三相给定电压、直流母线电压瞬时值即可，无需像传统svpwm一样进行扇区判断等操作，可大大节省计算时间。求取出三相作用时间后，可以其为基准，按不同控制需要(如窄脉冲补偿、开关损耗最小化等)进行修正。以上是以参考电压空间矢量位于扇区i为例进行分析的，对其他扇区进行分析也可以得到同样的结论。
在一个实施例中，参考图5所示，图5为本实施例的端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法流程示意图，包括如下步骤：
s10，获取逆变器主电路对应的电压空间矢量分布图，确定电压空间矢量分布图中的选定扇区。
上述选定扇区可以为电压空间矢量分布图的第一个扇区(如图2所示的扇区i)，本实施例主要说明了针对选定扇区进行的端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制，针对其他各个扇区，也可以采用上述端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法进行相应控制。
在一个示例中，逆变器主电路可以参考图1所示，电压空间矢量分布图可以参考图2所示。上述选定扇区可以为如图2所示电压空间矢量分布图的扇区i。
s20，构建选定扇区对应的新伏秒平衡原则方程组，即式(5)，根据新伏秒平衡原则方程组求取新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc，式(6)。
s30，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc确定第一时间修正量。
s40，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，c相的作用时间tc，以及第一时间修正量确定等效注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间。
s50，根据注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间确定选定扇区对应的pwm波形。
上述端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法，通过获取逆变器主电路对应的电压空间矢量分布图，确定电压空间矢量分布图中的选定扇区，构建选定扇区对应的新伏秒平衡原则方程组，根据新伏秒平衡原则方程组求取新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc确定第一时间修正量，根据新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，c相的作用时间tc，以及第一时间修正量确定等效注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间，根据注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间确定选定扇区对应的pwm波形，以实现对选定扇区的pwm控制，相应的控制过程得到了有效简化，可以提高pwm的控制效率。
在一个实施例中，选定扇区对应的新伏秒平衡原则方程组，即上文所述式(5)包括：
式中，ts表示逆变器主电路的开关周期，uao(t)表示逆变器主电路直流侧中点o对应的a相电压，ubo(t)表示逆变器主电路直流侧中点o对应的b相电压，uco(t)表示逆变器主电路直流侧中点o对应的c相电压，
具体地，新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc，即上文所述式(6)为：
式中，udc表示逆变器主电路的直流母线电压。
进一步地，对新伏秒平衡约束下a相的作用时间ta，b相的作用时间tb，和c相的作用时间tc，即式(6)进行分析可以发现，当三相给定电压绝对值小于udc/2，方程运行良好。当三相给定电压中任一相绝对值超过udc/2时，方程的解在逻辑上无效(tx<0或tx<ts)。这意味着仅采取式(6)进行作用时间计算时，此算法的调制度m最大只能达到
作为一个实施例，注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间包括a相对应的第一作用时间t′a、b相对应的第二作用时间t′b、和c相对应的第三作用时间t′c；
所述注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间包括：
t′a＝ta-δt，
t′b＝tb-δt，
t′c＝tc-δt，
式中，δt表示第一时间修正量。
作为一个实施例，第一时间修正量δt的确定公式包括：
δt＝tmax-ts或δt＝tmin，
式中，tmax＝max(ta,tb,tc)，tmin＝min(ta,tb,tc)，max()表示取最大值，min()表示取最小值。
具体地，注入零序电压分量后的三相开关状态作用时间的推导过程如下文。
在传统的svpwm中，零序分量的注入使得三相调制波成马鞍形，实际是降低参考信号的峰值以扩大其线性调制区域。而式(6)产生的是围绕ts/2呈正弦变化的三相调制波，为扩大其调制度，假设也采取注入零序分量的方式，则可得下式(7)：
其中，uz为注入的零序电压分量。
对式(7)进行变换，可求得注入零序电压分量后对应的三相开关状态作用时间，即下式(8)为：
令第一时间修正量δt＝(uz·ts)/udc，则式(8)变为下式(9)：
t′a＝ta-δt，
t′b＝tb-δt，
t′c＝tc-δt，
式(9)表明，对于两电平逆变器，对基于端电压直接合成的pwm进行零序电压分量注入时，此操作等效于对三相作用时间的直接修正。即，在发生过调制时，对三相作用时间ta、tb、tc按式(9)同时进行修正就可达到扩大调制度的目的，此时三相作用时间不再围绕ts/2呈现正弦变化。
为减小功率器件动作次数，降低开关损耗，修正量的选取遵循以下原则，如下式(10)：
δt＝tmax-ts，
δt＝tmin，
其中，tmax＝max(ta,tb,tc)，tmin＝min(ta,tb,tc)。
在一个实施例中，上述端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法，还包括：
获取注入零序电压分量后选定扇区达成线性调制时，三相开关状态作用时间的作用时间条件，以及选定扇区的三相电压空间矢量方程组，根据所述作用时间条件和三相电压空间矢量方程组计算选定扇区的调制度m，根据调制度m确定选定扇区的pwm调制性能。
作为一个实施例，所述作用时间条件包括：
若tmax＞ts且tmin＞0，则tmax-ts≤tmin；
若tmax＜ts且tmin＜0，则tmax-tmin≤ts；
其中，ts表示逆变器主电路的开关周期，tmax＝max(ta,tb,tc)，tmin＝min(ta,tb,tc)，max()表示取最大值，min()表示取最小值。
作为一个实施例，所述选定扇区的三相电压空间矢量方程组包括：
其中，
具体地，当任一相给定电压绝对值越过udc/2时，需要按式(9)、(10)进行作用时间修正以达到扩大调制度的目的。
实际上，对作用时间进行修正所能达到的最大调制度仍有限制。在扇区i(选定扇区)中，为保证达成线性调制，修正后的作用时间必须满足0≤t′x≤ts(x＝a,b,c)，即需满足下述式(11)(即作用时间条件)：
tmax-ts≤tmin(tmax＞ts且tmin＞0)，
tmax-tmin≤ts(tmax＜ts且tmin＜0)，
对于扇区i，选定扇区的三相电压空间矢量方程组，即下述式(12)包括：
联立式(6)、(11)、(12)进行求解，可得下述式(13)：
对其他扇区进行分析也可得到同样的结论。故采用此pwm算法求取三相作用时间并在非线性调制区域进行修正后所能达到的最大调制度为1.15，与传统svpwm相同，达到了较高的直流母线电压利用率，而相应的调制过程却得到了有效简化。
其中，采用式(6)计算得到的三相作用时间为一组时间基准，在产生非线性调制时，仅需对此基准进行直接修正操作即可，非常便捷、直观。
在一个实施例中，上述端电压直接合成的两电平逆变器pwm控制方法，还包括：
设置选定扇区的展宽操作条件和在剔除窄脉冲操作过程中的时间修正条件，根据展宽操作条件和时间修正条件计算第二时间修正量，根据第二时间修正量修正三相开关状态作用时间，并在展宽操作或在剔除窄脉冲操作过程中采用修正后的三相开关状态作用时间确定选定扇区对应的pwm波形。
作为一个实施例，所述展宽操作条件包括：
tmin_allow≤t′x+toffset≤tmax_allow，
在剔除窄脉冲操作过程中的时间修正条件包括：
max(t′x-toffset)≤tmax_allow，
mid(t′x-toffset)≥tmin_allow，
min(t′x-toffset)＝0，
其中，x＝a,b,c，tmin_allow表示选定扇区的三相最短作用时间，tmax_allow表示选定扇区的三相最长作用时间，toffset表示第二时间修正量(三相作用时间的修正量)，mid()表示求中间值。
具体地，对于高压大功率场合，功率半导体器件短间隔的开关动作容易引起结温的瞬时剧烈上升，甚至引发器件失效。所以，大功率场合一般对器件的动作脉宽作最小脉宽限制，小于限定的脉宽则视为窄脉冲，往往直接忽略。这就造成了输出电压质量的下降，为此，本实施例对两电平逆变器的窄脉冲在新算法的基础上进行补偿。
窄脉冲可能出现在两种场合，第一种是作用时间最短的相上，当作用时间小于允许的最小脉宽时，在开关周期中心位置出现单窄脉冲，如图6所示；第二是作用时间最长的相上，当作用时间较大时，在开关周期的两端出现双窄脉冲，如图7所示。
对于展宽操作，有下述式(14)所示展宽操作条件：
tmin_allow≤t′x+toffset≤tmax_allow(x＝a,b,c)，
对于剔除窄脉冲操作，有下述式(15)所示剔除窄脉冲操作过程中的时间修正条件：
max(t′x-toffset)≤tmax_allow，
mid(t′x-toffset)≥tmin_allow，
min(t′x-toffset)＝0，
其中，x＝a,b,c，tmin_allow表示选定扇区的三相最短作用时间，tmax_allow表示选定扇区的三相最长作用时间，toffset表示第二时间修正量(三相作用时间的修正量)，mid()表示求中间值。
在具体的修正过程中，对于窄脉冲的展宽或者剔除操作取决于实现的方便以及开关损耗控制因素的考虑，可以灵活地进行选择。
本实施例根据传统svpwm伏秒平衡原理，强化其约束条件，提出了一种基于端电压直接合成的pwm控制，简化计算流程；还针对窄脉冲问题，在新pwm算法的基础上针对两种窄脉冲提出了相应的补偿策略。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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