不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D‑SVPWM控制方法及控制系统，方法为根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到三相输出电压状态组合；利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系；定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；将坐标平移后的三维子空间投影至α‑β平面，结合零轴矢量进行矢量合成；分解矢量式，通过调节成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。本发明专利技术在空间划分的过程中不需要考虑冗余小矢量再额外划分内外子空间，简化了空间扇区划分的算法；同时三维子空间在α‑β平面内的投影与零轴矢量相结合，可以避免复杂的矢量选择和计算，具有很好的通用性。

General 3D-SVPWM Control Method and Control System of Three-phase Four-wire Three-level Inverter under Unbalanced Load

The invention discloses a general three-phase four-wire three-level inverter three-phase three-level three-level three-level control method and control system under unbalanced load. The method is to obtain three-phase output voltage state combination according to the switching state of each bridge arm of the three-level inverter; to transform three-phase output voltage into alpha beta_coordinate system by using equivalent amplitude transformation; to define a new coordinate origin and corresponding zero-axis vector at the origin. The three-dimensional subspace after coordinate translation is projected to a beta plane and combined with zero-axis vector to synthesize vectors. The decomposition vector is used to compensate the zero-sequence component caused by asymmetric load by adjusting the action time of zero-axis vector to maintain the balance of voltage output. In the process of space division, the method does not need to consider redundant small vectors to divide the inner and outer subspaces, and simplifies the algorithm of space sector division. At the same time, the projection of three-dimensional subspaces in the alpha beta plane is combined with the zero-axis vector, which can avoid complex vector selection and calculation, and has good generality.

【技术实现步骤摘要】
不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法及控制系统
本专利技术涉及电力电子变换装置领域的控制技术，特别是涉及不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法及控制系统。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，两电平逆变器在小功率有源滤波及电机调速系统中的运用已经相当成熟，但受电力电子器件耐压等级、工作频率的限制，在高压大功率工业领域中两电平逆变器已无法适应实际需求，以三电平逆变器为代表的多电平逆变器应运而生。与两电平相比，三电平逆变器具有输出波形畸变率低、器件电压应力小以及系统电磁干扰低等优点，因此被广泛应用于电网有源滤波、电机变频调速和电力系统无功补偿等领域。三相四线制逆变器具有零序通路，可满足不平衡负载或非线性负载等应用场合，成为三电平逆变器的研究关注点之一。常见的三相四线制逆变器包括带隔离变压器的三相四线制逆变器、分裂电容式三相四线制逆变器和三相四桥臂逆变器等，这些逆变器基本原理都是通过控制电源中点电压，提高系统处理不平衡负载的能力。传统的三相三线制三电平逆变器一般采用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)，将参考电压矢量投影至α-β坐标系进行调制策略分析，而在三相四线制三电平逆变器中由于中线的存在，零矢量不能简单作为过渡矢量进行忽略，分析时需要考虑α、β和ο轴三个分量，实现零序分量的控制。此外四桥臂三电平逆变器在现有SVPWM控制方法中常作为一个整体进行矢量控制，算法复杂度提高，与分裂电容式等四线制逆变器控制方法存在很大差别，现有控制方法无法通用，增加研究分析的重复性。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术的不足，提供一种不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，包括以下步骤：(1)根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到27种三相输出电压状态组合；(2)利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系，得到对应的基矢量；(3)以αβo三维坐标系中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；(4)将坐标平移后的6个三维子空间投影至α-β平面，确定参考电压扇区，结合子空间投影与零轴矢量，采用两电平空间SVPWM调制方法确定矢量作用顺序进行目标矢量合成，得到矢量计算式；(5)分解矢量式，计算零轴矢量的作用时间，通过调节该成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。进一步的，步骤(3)中以基矢量中的6对小矢量为平移矢量进行坐标平移，并将小矢量的终点定义为新的坐标原点，共6个新的坐标原点；然后将空间矢量所处的三维空间划分为6个三维子空间，转换为新坐标原点下的两电平三维空间，每个两电平空间中的零轴矢量为成对平移矢量在零轴上的投影分量，方向相反、大小不等。进一步的，步骤(4)中根据子空间在α-β平面内的投影以及新坐标原点处的零轴矢量，采用两电平空间SVPWM方法确定各扇区的矢量作用顺序，列出矢量计算式为：其中，U01、U02分别为新坐标系下的正、负零轴矢量，Uref为三相电压合成目标矢量，t1、t2、t01和t02为零轴矢量的作用时间，Ts为开关周期。进一步的，步骤(5)中将步骤(4)中合成的矢量计算式在αβο坐标系三个方向上分解，并且根据新坐标原点处的零轴矢量列出零轴分解式，整理得t1、t2表达式与两电平SVPWM相似，但三维子空间中方向相反、大小不等的一对零轴矢量U01、U02作用时间t01、t02不再均等，通过调节零轴矢量的作用时间达到不平衡负载时补偿零序分量的目的。其中，该控制方法所适用的三相四线制三电平逆变器包括：NPC型三相四线制三电平逆变器、NPC型三相四桥臂三电平逆变器、T型三相四线制三电平逆变器以及T型三相四桥臂三电平逆变器。一种上述控制方法适用的控制系统，包括三相桥臂3D-SVPWM控制模块和第四桥臂独立控制模块，所述三相桥臂3D-SVPWM控制模块前级调制三相电压以及零轴电压得到三相四线制三电平逆变器在不平衡负载下目标矢量在αβο轴各分量，输入3D-SVPWM控制进行目标矢量的合成，输出三相桥臂的PWM调制波；第四桥臂独立控制模块采样零轴电流，经电压电流双环调制输出第四桥臂PWM调制波；该系统适用于NPC型三相四桥臂三电平逆变器和T型三相四桥臂三电平逆变器。有益效果：本专利技术控制方法基于αβο坐标系，以基矢量中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及对应零轴矢量，采用两电平SVPWM控制方法的矢量合成原则合成目标矢量，分别计算零轴矢量的作用时间，调节该成对零矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，从而保持电压输出的平衡。与现有技术相比，该种新的通用型3D-SVPWM控制方法将所有基矢量统一转化至新坐标原点下的两电平空间合成参考矢量，对原三电平输出的零矢量以及冗余小矢量进行统一讨论，不需要额外划分内外子空间，简化了三维空间划分的算法；同时6个子空间以及新坐标原点处零轴矢量的定义，使得各子空间内的矢量作用与两电平空间SVPWM调制方法具有相似性，可以避免复杂的矢量选择和计算。并且实现前三桥臂与第四桥臂分别独立控制，前三桥臂使用3D-SVPWM调制，对第四桥臂的负载零序电流进行独立的跟踪，解决了针对某一种拓扑结构的控制研究很难应用到其他拓扑结构的问题，减少研究分析的重复性。附图说明图1是本专利技术方法适用的四种三相四线制三电平逆变器拓扑结构图，(a)为NPC型三相四线制拓扑，(b)为NPC型三相四桥臂拓扑，(c)为T型三相四线制拓扑，(d)为T型三相四桥臂拓扑；图2是实现本专利技术所提3D-SVPWM控制方法的三相桥臂控制框图；图3是第四桥臂独立控制框图；图4是本专利技术方法流程图；图5中(a)为三电平逆变器的空间矢量在三维空间的矢量分布图，(b)为空间矢量在α-β平面的投影；图6是第一扇区第一小区域七段式脉冲序列图；图7是平衡负载下电压电流波形图；图8是单相不平衡负载稳态输出波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方案作进一步的解释，但是以下内容不用于限定本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术所适用的四种三相四线制三电平逆变器拓扑结构图包括：(a)二极管箝位(NPC)型三相四线制三电平逆变器、(b)NPC型三相四桥臂三电平逆变器、(c)T型三相四线制三电平逆变器以及(d)T型三相四桥臂三电平逆变器拓扑，其中(a)(c)基于NPC型三电平逆变器，(a)将其星型连接的三相输出负载中点和分裂电容的中点相连，为带不平衡负载或非线性负载产生的零序分量提供通路，(c)在(a)的基础上加入由两个开关器件串联组成的第四桥臂；(b)(d)基于T型三电平逆变器，该拓扑使用两个背靠背的开关器件Q3、Q2连接分裂电容中点和电压输出点，实现零电压输出时电流的双向流动，(b)将其星型连接的三相输出负载中点和分裂电容的中点相连，(d)在(b)的基础上加入第四桥臂。本专利技术所提出的3D-SVPWM控制方法可直接用于如图1中(a)(c)所示的三相四线制的三电平逆变器，图1中(a)和(c)直接采用如图2所示的控制框图，对三相输出电压Ua、Ub、Uc以及零轴电压调制，其中零轴电压调制包括电容电压U本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D‑SVPWM控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到27种三相输出电压状态组合；(2)利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系，得到对应的基矢量；(3)以αβo三维坐标系中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；(4)将坐标平移后的6个三维子空间投影至α‑β平面，确定参考电压扇区，结合子空间投影与零轴矢量，采用两电平空间SVPWM调制方法确定矢量作用顺序进行目标矢量合成，得到矢量计算式；(5)分解矢量式，计算零轴矢量的作用时间，通过调节该成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。

【技术特征摘要】
1.不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据三电平逆变器各桥臂的开关状态得到27种三相输出电压状态组合；(2)利用等幅值变换将三相输出电压变换至αβο坐标系，得到对应的基矢量；(3)以αβo三维坐标系中的成对小矢量为平移矢量，定义新的坐标原点以及该原点处对应零轴矢量；(4)将坐标平移后的6个三维子空间投影至α-β平面，确定参考电压扇区，结合子空间投影与零轴矢量，采用两电平空间SVPWM调制方法确定矢量作用顺序进行目标矢量合成，得到矢量计算式；(5)分解矢量式，计算零轴矢量的作用时间，通过调节该成对零轴矢量的作用时间补偿因不对称负载产生的零序分量，保持电压输出的平衡。2.根据权利要求1所述的不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于：步骤(3)中以基矢量中的6对小矢量为平移矢量进行坐标平移，并将小矢量的终点定义为新的坐标原点，共6个新的坐标原点；然后将空间矢量所处的三维空间划分为6个三维子空间，转换为新坐标原点下的两电平三维空间，每个两电平空间中的零轴矢量为成对平移矢量在零轴上的投影分量，方向相反、大小不等。3.根据权利要求1所述的不平衡负载下三相四线制三电平逆变器通用型3D-SVPWM控制方法，其特征在于：步骤(4)中根据子空间在α-β平面内的投影以及新坐标原点处的零轴矢量，采用两电平空间SVPWM方法确定各扇区的矢量作用顺序，列出矢量计算式为：其中，U01、U02分别为新坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，万雨朦，陈新，龚春英，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32