一种多目标协调的CBPWM与VSVPWM混合调制方法

一种多目标协调的cbpwm与vsvpwm混合调制方法
技术领域
1.本发明属于逆变器调制技术领域，尤其涉及一种多目标协调的cbpwm 与vsvpwm混合调制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术进一步的发展，电力电子技术装置也取得了日新月异的进步，其中变流器作为其中的核心部件，也得到了深入的研究。能源行业的进步让当前工业领域对高压大功率变流器的需求变多，三电平变流器以其优越的性能被广泛地运用。随之而来也出现了新的问题，功率管数量的增多导致控制算法复杂，同时伴随着中点电压偏移、开关损耗等问题，变流器安全可靠运行的前提是必须保证中点电压平衡，中点电压不平衡以及波动不仅会造成变流器输出电压、电流的质量降低，影响变流器的运行效率，严重时，甚至还会造成直流侧电容耐压过高导致损耗，影响变流器系统的使用寿命。变流器的开关损耗也是衡量其工作效率的重要指标之一，开关损耗低可以让变流器在良好的工作条件下运行，开关损耗高会大大降低变流器的效率，并会对变流器的寿命有一定的影响。
3.为使三电平逆变器具有良好的输出特性，一种优良的脉宽调制策略应满足以下两个要求：
4.(1)具有一定的平衡中点电压的能力。中点电压的波动是三电平逆变器的关键问题之一。
5.(2)较小的开关损耗，以提高系统的效率。开关损耗也是衡量逆变器高效运行的重要指标之一。开关损耗的增加不可避免地降低功率器件的使用。
6.目前常用的中点电位平衡的算法主要有两种：基于零序分量注入的载波脉宽调制(cbpwm)方法和基于冗余矢量调整的空间矢量调制(svpwm) 方法。cbpwm方法中零序电压的计算、空间矢量调制方法中矢量合成规则的复杂性等均导致控制算法的计算复杂度大大提升；vsvpwm方法虽然具备中点电压平衡能力，但任意开关周期内都会有一相功率器件出现两次开关动作，增加了系统的开关损耗。因此，需要提供一种能同时降低系统开关损耗和控制中点电压平衡的三电平逆变器的调制方法。
7.因此，有必要提供一种新的多目标协调的cbpwm与vsvpwm混合调制方法解决上述技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种多目标协调的 cbpwm与vsvpwm混合调制方法。
9.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
10.一种多目标协调的cbpwm与vsvpwm混合调制方法，包括以下步骤：
11.s1：采集三电平逆变器直流侧电压u
dc
、三相输出相电流ia、ib、ic和三相输出相电压ua、ub、uc并进行计算后得到第一计算数据；
12.s2：基于所述第一计算数据、中点电压平衡条件以及共模电压抑制条件进行判断，若同时满足中点电压平衡条件和共模电压抑制条件，则采用 cbpwm调制方法，否则采用vsvpwm调制方法；
13.其中，所述抑制共模电压条件为共模电压限定在
±udc
/6以内。
14.作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s1中的第一数据计算数据具体为：最大电流i
max
＝max(ia，ib，ic)，最小电流i
min
＝min(ia，ib，ic), 中间电流i
mid
＝mid(ia，ib，ic)，最大电压u
max
＝max(ua，ub，uc)，最小电压u
min
＝min(ua，ub，uc)和中间电压u
mid
＝mid(ua，ub，uc)。
15.作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2中的中点电压平衡条件的判断过程具体为：
16.s201：注入零序电压uz，判断注入的零序电压是否满足限幅条件，若满足，则进入步骤s202，否则不满足中点电压平衡；
17.s202：分别判断当u
mid
》0，零序电压uz是否满足：
18.；
19.当u
mid
《0，零序电压uz是否满足：
[0020][0021]
若同时满足，则满足中点电压平衡，否则不满足中点电压平衡；
[0022]
其中，所述限幅条件为三相电压不发生超调以及三相电压极性不发生改变。
[0023]
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2中共模电压抑制条件的判断过程具体为：
[0024]
将电压为正的相采用凹载波，电压为负的相采用凸载波；设定最大电压相采用凹载波，最小电压相采用凸载波，根据中间电压u
mid
和注入的零序电压来确定共模电压抑制条件：
[0025]
当u
mid
》0，uz》0：
[0026]
将对应于电压中间相的1电平输出限制在l
max
+l
min
＝0的区间内以避免高共模电压，其中l
max
，l
mid
和l
min
分别表示u
max
，u
mid
，u
min
相对应的瞬时输出电平；
[0027]
采用凹载波时，仅当d
mid,1
《d
min,-1
时，共模电压不超过u
dc
/6，此时得到：
[0028]
；
[0029]
采用凸载波时，解出：
[0030]
；
[0031]
即表明为抑制共模电压，在调制度较高时电压中间相应采用凹载波；调制度较低时电压中间相应采用凸载波；
[0032]
当u
mid
《0，uz《0
[0033]
将电压中间相的-1电平输出限制在l
max
+l
min
＝0的区间内，零序电压uz应满足：
[0034]
当电压中间相采用凸载波，解出：
[0035]
；
[0036]
当电压中间相采用凹载波，解出：
[0037]
。
[0038]
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2之后，还包括，当采用 vsvpwm调制时，让电压最大相和最小相载波采用不同载波，从而降低共模电压。
[0039]
作为本发明的进一步优化方案，当确定的调制方法为vsvpwm调制方法时，在vsvpwm调制方法下让电压最大相和最小相载波采用不同载波，从而降低共模电压，包括以下步骤：
[0040]
步骤301：设定三相引入的总平均中点电流i
np
为零，即得到：
[0041]dmax,0
＝d
mid,0
＝d
min,0
；
[0042]
满足i
np
为零条件的三相各个电平的占空比如下：
[0043]
；
[0044]
步骤302：根据三相各个电平的占空比，设定电压最大相和最小相载波采用不同载波，电压最大相和最小相输出电平数相加为0，从而实现降低共模电压。
[0045]
本发明的有益效果在于：
[0046]
本发明的调制方法可以像vsvpwm一样有效地控制中点电压，但开关损耗较小；在全功率因数全调制度范围内，它可以将共模电压被限定于
±udc
/6以内。
附图说明
[0047]
图1为本发明的流程框图；
[0048]
图2为三电平逆变器的主电路图；
[0049]
图3为载波同相cbpwm和载波反相cbpwm的共模电压图；
[0050]
图4为注入零序电压后不同情况下的共模电压图；
[0051]
图5为载波同相vsvpwm和载波反相vsvpwm的共模电压图；
[0052]
图6a为时采用cbpwm时中点电压能平衡和共模电压能被限定于
±udc
/6的区域的示意图；
[0053]
图6b为时采用cbpwm时中点电压能平衡和共模电压能被限定于
±udc
/6的区域的示意图；
[0054]
图6c为时采用cbpwm时中点电压能平衡和共模电压能被限定于
±udc
/6的区域的示意图；
[0055]
图6d为时采用cbpwm时中点电压能平衡和共模电压能被限定于
±udc
/6的区域的示意图；
[0056]
图7a为cbpwm和vsvpwm在m∈[0,1.1547]下的开关损耗比较的示意图；
[0057]
图7b给出了多目标协调的cbpwm与vsvpwm混合调制和cbpwm 调制在m∈[0,1.1547]下的开关损耗比较的示意图；
[0058]
图7c给出了多目标协调的cbpwm与vsvpwm混合调制和vsvpwm 调制在m∈[0,1.1547]下的开关损耗比较的示意图；
[0059]
图8为本发明的多目标协调的cbpwm与vsvpwm混合调制的算法流程图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
[0061]
实施例1
[0062]
如图1-8所示，一种多目标协调的cbpwm与vsvpwm混合调制方法，包括以下步骤：
[0063]
步骤s1：利用电压传感器采集图2中所述三电平逆变器直流侧c1、c2 的电容分别为u
c1
、u
c2
，三相输出相电流ia、ib、ic，三相输出相电压ua、ub、uc，判断三相输出相电流和三相输出相电压大小，得到最大电流i
max
＝max (ia，ib，ic)，最小电流i
min
＝min(ia，ib，ic),中间电流i
mid
＝mid(ia，ib， ic)，最大电压u
max
＝max(ua，ub，uc)，最小电压u
min
＝min(ua，ub，uc) 和中间电压u
mid
＝mid(ua，ub，uc)；
[0064]
步骤s2：计算cbpwm能平衡中点电压的和抑制共模电压的范围。具体实施为：
[0065]
在一个开关周期中，计算三相引入的总平均中点电流i
np
为：
[0066]inp
＝i
maxdmax,0
+i
middmid,0
+i
mindmin,0 (1)
[0067]
中点电压平衡的条件是：如果中点电压在一个开关的起始时刻是平衡的，且在本周期的结束时刻电压仍然保持平衡。在cbpwm中，通过注入零序电压uz的方式使中点电压平衡。注入零序电压后，其调制波为：
[0068]u′
x
＝u
x
+u
z (2)
[0069]
注入零序电压后三相电压输出电平占空比为：
[0070][0071]
其中d
x,1
，d
x,0
和d
x,-1
分别表示1电平、0电平和-1电平的占空比。
[0072]
当u
mid
》0时，由式(1)和式(3)得注入零序电压后三相引入的总平均电流为：
[0073][0074]
考虑理想情况下电容电压平衡条件即i'
np
＝0，平衡中点电压需要注入的零序电压uz为：
[0075][0076]
当u
mid
《0时，注入零序电压后三相引入的总平均电流为：
[0077][0078]
为了平衡中点电压注入的零序电压uz为：
[0079][0080]
注入的零序电压有两个限幅条件：1)三相电压不发生超调；2)三相电压极性不发生改变。
[0081]
因此，u
mid
》0，零序电压应满足：
[0082][0083]
零序电压在u
mid
《0应满足：
[0084][0085]
满足上式(8)、(9)的条件时，即为满足cbpwm中点电压平衡的条件。
[0086]
在注入零序电压后，相电压发生变化，共模电压也将随之改变。不妨规定最大电压相采用凹载波，最小电压相采用凸载波，共模电压的大小与中间电压相的载波形式密切相关，所以中间电压相必须灵活的选择载波方式。根据中间电压相和零序电压的极性，分为四种情形。其中u
mid
》0，0》uz》-u
mid
及u
mid
《0，0《uz《-u
mid
这两种情形类似于无零序电压注入的情形。只需讨论 u
mid
》0，uz》0及u
mid
《0，uz《0两种情形。
[0087]
情况1:u
mid
》0，uz》0
[0088]
当u
mid
》0，uz》0时，对应于中间电压的相将输出一段时间的1电平。为了避免较高的共模电压，必须将对应于电压中间相的1电平输出限制在 l
max
+l
min
＝0的区间内。因为电压最大相采用凹载波，电压最小相采用凸载波，所以l
max
+l
min
＝0的区间位于开关周期首尾两端及中间阶段。所以电压中间相需对凹载波和凸载波分开讨论。
[0089]
其中，l
max
，l
mid
和l
min
分别表示u
max
，u
mid
，u
min
相对应的瞬时输出电平。当电压中间相采用凹载波，如图4(a)所示，仅当d
mid,1
《d
min,-1
时，共模电压不超过u
dc
/6，此时：
[0090][0091]
当电压中间相采用凸载波，如图4(b)所示，可类似解出：
[0092][0093]
比较(11)和(12)，当即表明为抑制共模电压，在调制度较高时电压中间相应采用凹载波；调制度较低时电压中间相应采用凸载波。
[0094]
情况2：u
mid
《0，uz《0
[0095]
当u
mid
《0，uz《0时，电压中间相会输一段时间的-1电平。类似的必须将电压中间相的-1电平输出限制在l
max
+l
min
＝0的区间内。同理中间相需对凹载波和凸载波分开讨论。
[0096]
当电压中间相采用可凸载波，如图4(c)所示，类似解出：
[0097][0098]
当电压中间相采用凹载波，如图4(d)所示，可类似解出：
[0099][0100]
比较(13)和(14)，同理可以比较得出，为抑制共模电压，在调制度较高时电压中间相应采用凸载波；调制度较低时电压中间相应采用凹载波。
[0101]
满足上式条件时即为满足共模电压的条件。
[0102]
步骤s3：比较得出cbpwm是否能够满足目标要求，当cbpwm可以平衡中点电压且可以将共模电压限定于
±udc
/6以内时，即采用cbpwm；否则，采用vsvpwm。
[0103]
步骤s4：确定调制方法后，为了降低共模电压，让共模电压被限定于
±udc
/6以内，需要对载波方式作一定的变换。从而得到pwm波。假设经过判断其调制方法用vsvpwm时，具体实施为：
[0104]
负载电流满足ia+ib+ic＝0。所以，对于i
np
＝0来说，最简单的解决方案是：
[0105]dmax,0
＝d
mid,0
＝d
min,0 (15)
[0106]
满足(15)的三相各个电平的占空比：
[0107][0108]
在三相三线制系统中，三相电压电流之和为零，即：
[0109][0110]
由式(16)(17)可得，式(1)中的i
np
＝0与功率因数和调制度无关，即 vsvpwm可在全功率因数、全调制度范围内实现一个开关周期内中点电压无条件平衡。在一个开关周期内vsvpwm最大相有0，1两个电平一次开关动作，中间相有-1，0，1三个电平两次开关动作，最小相有-1，0两个电平一次开关动作，总共有4次开关动作，因而开关损耗较大。
[0111]
在传统vsvpwm中，将电压中间相调制波分解为u'
mid
和u"
mid
，双调制波与双载波比较得出的序列相加得到电压中间相的开关序列。三相载波均采用凸载波或凹载波。现以三相载波均采用凹载波为例，共模电压会达到
±udc
/3，如图5(a)所示。采用这种载波方式共模电压未得到降低。
[0112]
由式(16)，在vsvpwm中，三相0电平的作用时间相同，电压最大相的1电平作用时间刚好等于电压最小相-1电平作用时间。因此，电压最大相和最小相载波采用不同载波，电压
最大相和最小相输出电平数相加为0，此时无论电压中间相电平数是-1，0或1均能降低共模电压。现以电压最大相、中间相、最小相载波分别采用凹载波、凹载波、凸载波为例，此时一个开关周期内共模电压的波形形状与电压中间相开关序列完全相同，共模电压得到降低，如图5(b)所示。
[0113]
图6给出了采用cbpwm能确保中点电压平衡且共模电压被限定于
±udc
/6的区域。其中，灰色区域和褐色区域为中点电压平衡且共模电压被限定于
±udc
/6的区域。白色区域表示中点电压能平衡但共模电压不能被限定于
±udc
/6的区域。黑色表示中点电压不能平衡且共模电压不能被限定于
±udc
/6的区域。
[0114]
图7分别给出了p
sl_vsv
与p
sl_cb
的比值、p
sl_hyb
与p
sl_cb
的比值，p
sl_hyb
与p
sl_vsv
的比值。p
sl_hyb
、p
sl_cb
、p
sl_vsv
分别为多目标协调的cbpwm与 vsvpwm混合调制、cbpwm、vsvpwm的开关损耗。
[0115]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。