基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统及方法。该系统包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接的采样单元、闭环控制单元和空间矢量脉宽调制单元；所述空间矢量脉宽调制单元的输出端通过驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管。该方法为：在每个开关周期内，采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号和三相电流信号；采集到的信号经闭环控制单元处理得到三相基波调制信号；三相基波调制信号经空间矢量脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，该信号经驱动电路控制三电平逆变器每相开关管的工作状态。本发明专利技术能够抑制三电平逆变器直流母线中点电压纹波、优化三电平逆变器的输出波形质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子变换技术中的控制
，特别是一种基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统及方法。
技术介绍
近年来，三电平逆变器已经广泛地应用在高压中大功率变换场合；其电路拓扑结构与控制方法成为了当今的研究热点。相比两电平逆变器，三电平逆变器具有开关管电压应力低、电磁噪声小、输出电压谐波畸变率低等诸多优点。三电平逆变器的拓扑大体可以分为三类：二极管箝位型、级联型、飞跨电容型，其中应用最广泛的为二极管箝位型逆变器。三电平二极管箝位型逆变器可分为中点箝位型(NPC)逆变器和T型逆变器。三电平逆变器的控制方法主要有：正弦脉宽调制(SPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)、三次谐波注入脉宽调制(THIPWM)、不连续脉宽调制(DPWM)等。与SPWM方法相比，SVPWM方法提高了直流母线电压利用率，更易于整个开关模态和约束条件的优化处理，且更适合通过数字信号处理(digital signal processor，DSP)实现。因此，一般情况下，SVPWM方法更受欢迎。近年来，为了优化传统三电平SVPWM方法，专家学者们提出了各种新的调制方法。针对高开关频率的三电平逆变器，J.Holtz教授提出了一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的新型SVPWM调制器，它克服了现有方案的基本缺点。一些学者，例如在文献Comparisons of space-vector modulation and carrier-based modulation of multilevel inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(1):45-51，姚文熙副教授等人提出了基于60o坐标系的新型SVPWM方法。还有一些学者，例如在文献Comprehensive Study on Equivalent Modulation Waveforms of the SVM Sequence for Three-Level Inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(12):7149-7158，陈娟等人通过对SPWM方法的正弦调制波中注入零序分量或共模电压的方式实现SVPWM方法，虽然所提调制方法降低了矢量计算的复杂程度，但是SVPWM调制波的开关状态并未得到优化。在采用传统三电平SVPWM方法时，三电平逆变器存在中点电压纹波较大，输出波形质量不高，调制波表达式较复杂，难以建立统一的中点电压模型，不易于中点电压控制器设计的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种控制方法简单、易于数字实现的基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统及方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统，其特征在于，包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接的采样单元、闭环控制单元和空间矢量脉宽调制单元；所述采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号，空间矢量脉宽调制单元的输出端通过驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管；在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；采集到的信号经闭环控制单元处理得到三相基波调制信号；三相基波调制信号经空间矢量脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，该脉宽调制控制信号能够抑制三电平逆变器直流母线中点电压纹波、优化三电平逆变器的输出波形质量；所述脉宽调制控制信号经驱动电路控制三电平逆变器每相开关管的工作状态。优选地，所述数字处理控制模块为TMS320F28335芯片。一种基于开关状态优化的中点电压纹波抑制方法，该方法用于采用空间矢量调制方法的三电平逆变器，包括以下步骤：步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；步骤2、闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号经Clarke变换、Park变换，得到两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量，d轴和q轴分量分别与参考基准信号进行比例积分微分调节得到误差信号，误差信号再经Park反变换、Clarke反变换，输出三相基波调制信号；步骤3、空间矢量脉宽调制单元根据步骤2中得到的三相基波调制信号，优化三相桥臂的开关状态，得到三相桥臂输出电平的切换时刻ta、tb、tc，将ta、tb、tc与三角载波比较，获得脉宽调制控制信号；步骤4、驱动电路将步骤3中所得脉宽调制控制信号分配给三电平逆变器每相桥臂各个开关管，控制三电平逆变器的工作状态，同时抑制三电平逆变器直流母线中点电压的纹波、优化三电平逆变器的输出波形质量。进一步地，步骤3中所述空间矢量脉宽调制单元根据步骤2中得到的三相基波调制信号，优化三相桥臂的开关状态，得到三相桥臂输出电平的切换时刻ta、tb、tc，将ta、tb、tc与三角载波比较，获得脉宽调制控制信号，具体步骤为：(1)区间划分和判定：在两相静止坐标系即α-β坐标系下，α轴为横轴，β轴为纵轴，划分空间矢量区间，α轴的正负30度范围，作为大扇区I，依次逆时针方向，每60度划分一个大扇区，完成6个大扇区划分；对合成参考矢量Vref减去一个小矢量Vm，Vref转化成等效的合成参考矢量Vr′ef，即将空间矢量图等效为两电平空间矢量区间图；当确定了大扇区后，根据Vr′ef的相角判定所处小区间；且类似两电平SVPWM矢量合成计算原理，得到合成Vref的三个矢量和这三个矢量的作用时间；(2)开关周期内开关状态的优化：在一个开关周期Ts内，通过控制三电平逆变器某一相桥臂P状态的持续时间与另一相桥臂N状态的持续时间相等，或某一相桥臂N状态的持续时间与另一相桥臂P状态的持续时间相等，从而优化开关状态，减小直流母线中点电压波动量；(3)参与合成的矢量作用时间计算：根据开关周期内开关状态的优化方法，分别得到合成Vref的三个矢量的作用时间，进而得到三电平逆变器三相桥臂输出电平的切换时刻ta、tb、tc；(4)脉宽调制控制信号生成将步骤(3)所得的三相桥臂输出电平的切换时刻值ta、tb、tc与三角载波进行比较，获得三相桥臂脉宽调制控制信号。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过重新划分空间矢量区间，将传统三电平SVPWM简化为两电平SVPWM，使得区间判定和矢量合成计算更易实现；(2)在开关周期内，根据合成参考矢量的相角范围条件，选择一相桥臂“P”(或“N”)状态与另一相桥臂“N”(或“P”)状态的持续时间相等，简化了调制波的表达式；(3)在基波调制比为[0,1.15]的范围内，调制波为鞍形波，有效减小了中点电压纹波，提高了输出波形质量。附图说明图1是本专利技术基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统的结构图。图2是传统三电平SVPWM空间矢量区间划分图。图3是本专利技术的空间矢量区间划分图。图4是本专利技术的等效两电平空间矢量区间图，其中(a)为合成参考矢量Vref在I-3区间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统，其特征在于，包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接的采样单元、闭环控制单元和空间矢量脉宽调制单元；所述采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号，空间矢量脉宽调制单元的输出端通过驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管；在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；采集到的信号经闭环控制单元处理得到三相基波调制信号；三相基波调制信号经空间矢量脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，该脉宽调制控制信号能够抑制三电平逆变器直流母线中点电压纹波、优化三电平逆变器的输出波形质量；所述脉宽调制控制信号经驱动电路控制三电平逆变器每相开关管的工作状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统，其特征在于，包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接的采样单元、闭环控制单元和空间矢量脉宽调制单元；所述采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号，空间矢量脉宽调制单元的输出端通过驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管；在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；采集到的信号经闭环控制单元处理得到三相基波调制信号；三相基波调制信号经空间矢量脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，该脉宽调制控制信号能够抑制三电平逆变器直流母线中点电压纹波、优化三电平逆变器的输出波形质量；所述脉宽调制控制信号经驱动电路控制三电平逆变器每相开关管的工作状态。2.根据权利要求1所述的基于开关状态优化的中点电压纹波抑制系统，其特征在于，所述数字处理控制模块为TMS320F28335芯片。3.一种基于开关状态优化的中点电压纹波抑制方法，其特征在于，该方法用于采用空间矢量调制方法的三电平逆变器，包括以下步骤：步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；步骤2、闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号经Clarke变换、Park变换，得到两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量，d轴和q轴分量分别与参考基准信号进行比例积分微分调节得到误差信号，误差信号再经Park反变换、Clarke反变换，输出三相基波调制信号；步骤3、空间矢量脉宽调制单元根据步骤2中得到的三相基波调制信号，优化三相桥臂的开关状态，得到三相桥臂输出电平的切换时刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，胡文斌，吴馥云，李冬莹，姚凯，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32