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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002] 三電平中點(diǎn)鉗位（NeutralPointClamped即NPC)變流器（主電路拓?fù)鋱D如圖1 所示）具有輸出功率大、輸出波形THD小、器件電壓應(yīng)力和系統(tǒng)EMI低等多方面的優(yōu)點(diǎn)，因 而被廣泛的應(yīng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，自三電平NPC變流器誕生至今，學(xué)者們對(duì)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(yīng)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(gè)載波。由于兩個(gè)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(gè)載波之間的相位關(guān)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(gè)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(gè)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(xué)者們發(fā)現(xiàn)不只是兩個(gè)載波之間的相位關(guān)系是載波調(diào)制策略的控制 自由度，載波之間的偏移關(guān)系也可以作為一個(gè)自由度控制載波調(diào)制策略的性能，同時(shí)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(gè) 三角載波，V為載波交疊法中載波寬度的標(biāo)么值（V>1)，根據(jù)載波交疊策略中兩個(gè)載波之間 的相位關(guān)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(jìn)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(dòng)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(dòng)。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術(shù)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(diǎn)鉗位變流器，具體按照以下步驟實(shí)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(guān)管開關(guān)信號(hào)，以開關(guān)信號(hào)控制各開關(guān) 管的開通和關(guān)斷，從而完成了控制過程。
[0014] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，
[0015] 步驟1中選擇載波交疊方式具體為：
[0016]a)當(dāng)系統(tǒng)交流側(cè)為三相三線制系統(tǒng)時(shí)，采用載波同相交疊法；
[0017]b)當(dāng)系統(tǒng)交流側(cè)為單相系統(tǒng)或三相四線制系統(tǒng)時(shí)，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(duì)輸出性能影響最大的為基波幅值A(chǔ)和調(diào)制波倍頻分量幅值B，其表達(dá)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(biāo)幺值，
[0025] 由公式⑵和（3)可知，V彡1+M;
[0026] 設(shè)定V彡1. 5,據(jù)此，得到確定V的表達(dá)式：
[0027]
(4)
[0028] 公式⑷中，V為標(biāo)幺值。
[0029] 步驟3調(diào)制波的確定具體為：
[0030]a)初始時(shí)設(shè)定三相調(diào)制波U"為標(biāo)準(zhǔn)正弦波；
[0031]b)計(jì)算三相調(diào)制波U"為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時(shí)引起的中點(diǎn)電流；
[0032] 三電平NPC變流器直流側(cè)中點(diǎn)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(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(gè)工頻周 期內(nèi)的相交時(shí)刻，x=a，a相調(diào)制波與上載波和下載波在一個(gè)工頻周期內(nèi)的相交時(shí)刻其表 達(dá)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(gè)工頻周期內(nèi)的相交時(shí)刻其表達(dá)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(gè)工頻周期內(nèi)的相交時(shí)刻其表達(dá)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(fù)載電流引起的中點(diǎn)電流iM的表達(dá) 式：
[0044]
(11)
[0045] 將（11)代入（5)并根據(jù)中點(diǎn)電流與直流電容電壓的波動(dòng)關(guān)系可知：
[0046]
[0047] 公式（12)中，中點(diǎn)電流與直流電容電壓的波動(dòng)關(guān)系為y，Au為直流電容 電壓波動(dòng)情況，AT為開關(guān)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(dòng)需在調(diào)制波中疊加的零序分量 U。，
[0049] 將b)中計(jì)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(guān)管開通，第三、第四開關(guān)管關(guān)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(guān)管開通， 第一、第四開關(guān)管關(guān)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(guān)管開通，第一、第二開關(guān)管關(guān)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(dòng)，該方 法實(shí)現(xiàn)簡單，應(yīng)用效果好。
【附圖說明】
[0054] 圖1是三電平NPC變流器主電路拓?fù)鋱D；
[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(gè)開關(guān)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(dòng) 的仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)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(diǎn)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(fù)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(shí)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(fù)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(diǎn)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(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路控制三電平變流器中各功率器件的開關(guān)；
[0065] 具體按照以下步驟實(shí)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(gè)理論基礎(chǔ)，選擇載波交疊方式具體為：
[0068]