一种三电平变频器多目标控制方法.pdf

本发明公开一种三电平变频器多目标控制方法，属于变频器控制技术领域。该方法的步骤如下：a．根据三电平变频器空间矢量图，预先定义开关序列并分类成P序列和N序列；b．根据三电平变频器输出电压的参考矢量，确定该参考矢量所在的大扇区N和小扇区n；c．根据三电平变频器输出电压的参考矢量和该参考矢量所在的大小扇区来确定所用矢量的作用时间；d．根据三电平变频器中点电位选择开关序列，并在此基础上计算各相作用时间；e．变频器控制脉冲的产生由硬件实现，采用DSP和FPGA实现算法，将计算得到的各相作用时间装入FPGA，得到相应的触发脉冲。本发明控制算法简单，能有效地降低开关损耗，能保持中点电位平衡，抑制输出状态直接跳变。

权利要求书1.  一种三电平变频器多目标控制方法，其特征是：该方法包括以下步骤：a.根据三电平变频器空间矢量图，预先定义开关序列并分类成P序列和N序列；b.根据三电平变频器输出电压的参考矢量，确定该参考矢量所在的大扇区N和小扇区n；c.根据三电平变频器输出电压的参考矢量和该参考矢量所在的大小扇区来确定所用矢量的作用时间t1、t2、t3；d.根据三电平变频器中点电位选择开关序列，并在此基础上计算各相作用时间Ta、Tb、Tc；e.变频器控制脉冲的产生由硬件实现，采用DSP和FPGA实现算法，将计算得到的各相作用时间装入FPGA，得到相应的触发脉冲。2.  根据权利要求1所述的一种三电平变频器多目标控制方法，其特征是：所述的确定参考矢量所在大扇区、小扇区及确定矢量作用时间，其计算方法如下：a.将参考矢量的Uα、Uβ分量进行坐标变换，其公式为：UA0UB0UC0=32-1201-32-12UαUβ---(1)]]>式(1)中，Uα、Uβ为参考矢量的两个分量，UA0、UB0、UC0为判断大扇区所用的三相坐标分量；b.根据UA0、UB0、UC0的正负可判断出大扇区的位置，将参考矢量的分量Uα、Uβ进行2/3变换，其公式为：UA1UB1UC1=2310-1232-12-32UαUβ---(2)]]>式(2)中，UA1、UB1、UC1为判断小扇区所用的三相坐标分量；c.根据大扇区的位置并进行变换，得到虚拟矢量的作用时间T1、T2，其变换公式为：T1=2U1Udc×TsT1=2U2Udc×Ts---(3)]]>式(3)中，U1、U2为判断小扇区所用两相坐标分量，Udc为直流母线电压，Ts为载波周期；d.根据T1、T2和Ts的关系，即可以得到小扇区和各个矢量作用的时间。3.  根据权利要求1所述的一种三电平变频器多目标控制方法，其特征是：所述的计算各相作用时间，其计算方法如下：a.根据所在的大小扇区查询到预先定义的开关序列，包括P序列和N序列；b.根据中点电位选择(a)中查询到的开关序列，中点电位偏高选择P序列，否则选择N序列；c.根据选择的序列和各矢量作用时间计算各相导通和关断的时间。

说明书一种三电平变频器多目标控制方法
技术领域
本发明涉及一种变频器控制方法，尤其涉及一种三电平变频器多目标控制方法。
背景技术
随着节能减排技术的推广，变频器的应用也越来越广泛，三电平拓扑作为多电平变频器中最简单的拓扑结构，具有输出电压波形正弦度好，谐波含量低等优点。
三电平变频器通过控制电力电子器件的开通和关断来实现变频，在电力电子器件的开通或关断过程中会产生损耗，这些损耗会造成器件发热，同时也会降低系统的效率。
由于三电平的特殊拓扑结构，在工作过程中，三电平变频器需要保证中点电位在一定范围之内，超出此范围后会造成输出电压谐波含量高，严重时甚至会造成设备损坏；在工作过程中，三电平变频器输出相电压不能穿过0，直接从负母线电压跳至正母线电压或者相反，否则会产生强烈的电磁干扰，影响周边设备的正常工作。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种：减小开关损耗，能保持中点电位平衡，抑制输出状态直接跳变的三电平变频器多目标控制方法。
技术方案：一种三电平变频器多目标控制方法，该方法包括以下步骤：
a.根据三电平变频器空间矢量图，预先定义开关序列并分类成P序列和N序列。
b.根据三电平变频器输出电压的参考矢量，确定该参考矢量所在的大扇区N和小扇区n。
c.根据三电平变频器输出电压的参考矢量和该参考矢量所在的大小扇区来确定所用矢量的作用时间t1、t2、t3。
d.根据三电平变频器中点电位选择开关序列，并在此基础上计算各相作用时间Ta、Tb、Tc。
e.变频器控制脉冲的产生由硬件实现，采用DSP和FPGA实现算法，将计算得到的各相作用时间装入FPGA，得到相应的触发脉冲。
所述的确定参考矢量所在大扇区、小扇区及确定矢量作用时间，其计算方法如下：
a.将参考矢量的Uα、Uβ分量进行坐标变换，其公式为：
UA0UB0UC0=32-1201-32-12UαUβ---(1)]]>
式(1)中，Uα、Uβ为参考矢量的两个分量，UA0、UB0、UC0为判断大扇区所用的三相坐标分量。
b.根据UA0、UB0、UC0的正负可判断出大扇区的位置，将参考矢量的分量Uα、Uβ进行2/3变换，其公式为：
UA1UB1UC1=2310-1232-12-32UαUβ---(2)]]>
式(2)中，UA1、UB1、UC1为判断小扇区所用的三相坐标分量。
c.根据大扇区的位置及附表进行变换，得到虚拟矢量的作用时间T1、T2，其变换公式为：
T1=2U1Udc×TsT1=2U2Udc×Ts---(3)]]>
式(3)中，U1、U2为判断小扇区所用两相坐标分量，Udc为直流母线电压，Ts为载波周期。
d.根据T1、T2和Ts的关系，查询附表可以得到小扇区和各个矢量作用的时间。
所述的计算各相作用时间，其计算方法如下：
a.根据所在的大小扇区查询到预先定义的开关序列，包括P序列和N序列。
b.根据中点电位选择(a)中查询到的开关序列，中点电位偏高选择P序列，否则选择N序列。
c.根据选择的序列和各矢量作用时间计算各相导通和关断的时间。
有益效果：在进行大小扇区判断和各矢量作用时间计算时，无需进行复杂的三角函数计算，只需进行坐标变换和逻辑判断，从而更好地节约了控制CPU的开销。
本发明采用预先定义的开关序列，其优点：
1.每个采样周期只有4次切换，与传统的控制方法相比，能有效减少开关次数，降低开关损耗约33％。
2.每个开关序列的首尾矢量都是相同的，在周期之间开关状态一样，无需额外切换。
3.当P序列和N序列需要切换时，其发生在载波的顶部，避免了三相全部动作。
4.当大扇区突变时，一个P序列的末矢量跳至另一个P序列的首矢量，或从一个N序列的末矢量跳至另一个N序列的首矢量，不会发生直接从负母线电压跳至正母线电压或者相反的跳变，有效地避免输出相电压大的突变，从而避免强烈电磁干扰的产生。
附图说明
图1是本发明的三电平变频器系统控制框图。
图2是本发明的三电平变频器控制算法流程图。
图3是本发明的三电平电压空间矢量示意图。
图4是本发明的三电平变频器中点电位输出相电压与电流实验波形图。
图5是本发明的三电平变频器动态情况下输出相电压与电流实验波形图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例进一步说明本发明的技术方案。
附图1所示为本发明系统控制框图，包括：主电路三电平逆变器、控制器及辅助电路，辅助电路采样得到上下母线电压后进入DSP控制器，由DSP和FPGA根据本发明提出的方法生成脉冲触发主电路的开关管，完成调制。
附图2所示为本发明控制算法流程图，(1)包括根据参考矢量确定大扇区；(2)根据参考矢量确定小扇区及矢量作用时间；(3)根据中点电位选择序列；(4)计算三相作用时间；(5)触发脉冲；其具体步骤如下：
a.如附图3所示，根据三电平变频器空间矢量图，预先定义开关序列并分类成P序列和N序列。
表1 预先定义开关序列表


b.根据三电平变频器输出电压的参考矢量，确定该参考矢量所在的大扇区N和小扇区n。
c.根据三电平变频器输出电压的参考矢量和该参考矢量所在的大小扇区来确定所用矢量的作用时间t1、t2、t3。
d.根据三电平变频器中点电位选择开关序列，并在此基础上计算各相作用时间Ta、Tb、Tc。
e.变频器控制脉冲的产生由硬件实现，采用DSP和FPGA实现算法，将计算得到的各 相作用时间装入FPGA，得到相应的触发脉冲。
所述的确定参考矢量所在大扇区、小扇区及确定矢量作用时间，其计算方法如下：
a.将参考矢量的Uα、Uβ分量进行坐标变换，其公式为：
UA0UB0UC0=32-1201-32-12UαUβ---(1)]]>
式(1)中，Uα、Uβ为参考矢量的两个分量，UA0、UB0、UC0为判断大扇区所用的三相坐标分量。
表2 大扇区判断条件
条件所属大扇区(UA0≥0)&&(UB0＞0)&&(UC0＜0)N＝1(UA0＜0)&&(UB0＞0)&&(UC0≤0)N＝2(UA0＜0)&&(UB0≥0)&&(UC0＞0)N＝3(UA0≤0)&&(UB0＜0)&&(UC0＞0)N＝4(UA0＞0)&&(UB0＜0)&&(UC0≥0)N＝5(UA0＞0)&&(UB0≤0)&&(UC0＜0)N＝6
b.根据UA0、UB0、UC0的正负可判断出大扇区的位置，将参考矢量的分量Uα、Uβ进行2/3变换，其公式为：
UA1UB1UC1=2310-1232-12-32UαUβ---(2)]]>
式(2)中，UA1、UB1、UC1为判断小扇区所用的三相坐标分量。
c.根据大扇区的位置及附表进行变换，得到虚拟矢量的作用时间T1、T2，其变换公式为：
T1=2U1Udc×TsT1=2U2Udc×Ts---(3)]]>
式(3)中，U1、U2为判断小扇区所用两相坐标分量，Udc为直流母线电压，Ts为载波周期。
表2 判断小扇区所用两相坐标分量
所属大扇区U1、U2表达式1U1＝(UA1-UB1)；U2＝(-UC1+UB1)；2U1＝-(UC1-UA1)；U2＝|(UB1-UA1)|；3U1＝|(UB1-UC1)|；U2＝|(-UA1+UC1)|；4U1＝|(UA1-UB1)|；U2＝|(UC1-UB1)|；5U1＝|(UC1-UA1)|；U2＝|(UB1-UA1)|；6U1＝|(UB1-UC1)|；U2＝|(UA1-UC1)|;
d.根据T1、T2和Ts的关系，查询附表可以得到小扇区和各个矢量作用的时间。
表3 小扇区判断及各个矢量作用时间计算

所述的计算各相作用时间，其计算方法如下：
a.根据所在的大小扇区查询到预先定义的开关序列，包括P序列和N序列。
b.根据中点电位选择(a)中查询到的开关序列，中点电位偏高选择P序列，否则选择 N序列。
c.根据选择的序列和各矢量作用时间计算各相导通和关断的时间。
表4 P、N序列三相作用时间计算


表中，Ta、Tb、Tc为三相作用时间，t1、t2、t3为各矢量作用时间。
附图4为本发明的三电平变频器中点电位输出相电压与电流实验波形图，可以看出，三电平变频器中点电位可以控制在一定范围内，输出相电压可以钳位在某种电平，减少开关次数，从而减小开关损耗，输出电流正弦度好。
附图5为本发明的三电平变频器动态情况下输出相电压与电流实验波形图，可以看出，在参考矢量突变的情况下，输出状态不会发生从P到N的直接跳变，能够有效地避免强烈电磁干扰的产生。