一种基于改进svpwm算法的npc三电平逆变器设计方法
阅读说明：本技术 一种基于改进svpwm算法的npc三电平逆变器设计方法 (NPC three-level inverter design method based on improved SVPWM algorithm ) 是由 骆子溥 陈明华 刘凤龙 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于电子技术领域,具体涉及一基于改进SVPWM算法的NPC三电平逆变器设计方法,包括：1)对直角坐标系进行分区；2)将坐标系直角坐标系变换为60°坐标系；3)对坐标系进行分区,并进行扇区判定；4)计算基本矢量作用时间。本发明应用60°坐标系,以适应空间电压矢量的夹角θ通常为60°的倍数的情况。在60°坐标系下的SVPWM算法不包含三角函数,与直角坐标系下的算法相比大大减少了计算流程,有效提高系统效率。(The invention belongs to the technical field of electronics, and particularly relates to an NPC three-level inverter design method based on an improved SVPWM algorithm, which comprises the following steps: 1) partitioning the rectangular coordinate system; 2) transforming the rectangular coordinate system of the coordinate system into a 60-degree coordinate system; 3) partitioning the coordinate system and judging the sector; 4) the base vector action time is calculated. The invention applies a 60 ° coordinate system to accommodate the situation where the angle θ of the space voltage vector is typically a multiple of 60 °. The SVPWM algorithm under the 60-degree coordinate system does not contain a trigonometric function, so that the calculation process is greatly reduced compared with the algorithm under the rectangular coordinate system, and the system efficiency is effectively improved.)
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种基于改进SVPWM算法的NPC三电平逆变器设计方法。
背景技术
近年来我国电力电子技术的高速进步，逆变器在很多领域里都有着相当高的热度。多电平逆变器并不需要高耐压器件，但是却有较高的开关频率与较低的输出谐波量。各种多电平逆变器中，中点钳位型(Neutral Point Clamped，NPC)三电平逆变器有简单的电路结构、数字化的调制方法、直流侧电压利用率高等等优势，在人们中保持着极高的研究热度。
目前三电平逆变器的主要调制方法有三种：载波调制法、低次谐波消去调制法(SHEPWM) 和空间电压矢量调制法(SVPWM)。三种调制中的SVPWM调制具有广泛的应用范围，其优点主要是：在宽调制比内具有相对较好的性能，直流侧电压利用率高以及避免了需要大量角度数据的麻烦。
目前应用的是基于直角坐标系下的传统SVPWM算法，然而基本上空间电压矢量的夹角θ通常为60°的倍数，导致在扇区判断和基本矢量作用时间的计算中三角函数的运算量变大，大大增加了控制算法的复杂程度。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于改进SVPWM算法的NPC三电平逆变器设计方法，包括以下步骤：
步骤1，对直角坐标系进行分区：
步骤1.1，设原有直角坐标系为α-β坐标系，将基本空间电压矢量绘于α-β坐标系中；
步骤1.2，定义参考电压矢量Uref：
Uref＝Uref·ejθ (1)
其中，Uref为参考电压矢量Uref的模值，θ为参考电压矢量Uref的空间角度；
参考电压矢量Uref在坐标轴α、β上分量的幅值大小分别用Uα、Uβ表示，Uα、Uβ与参考电压矢量Uref的推导关系式为：
步骤2，将坐标系直角坐标系变换为60°坐标系：
步骤2.1，在直角坐标系α-β上建立60°坐标系g-h，如图4所示；将参考电压矢量Uref从直角坐标系α-β变换到60°坐标系g-h中的计算公式为：
其中，Ug、Uh为参考电压矢量Uref在坐标轴g、h上分量的幅值大小；
根据Clark变换，可得三相旋转坐标系a-b-c与直角坐标系α-β之间的变换关系为：
其中，Ua、Ub、Uc为三相电压；
将公式(3)与公式(4)联立可得，三相旋转坐标系a-b-c与60°坐标系g-h之间的变换关系为：
步骤2.2，将参考电压矢量Uref进行标幺值计算，得到Ug、Uh的标幺值使参考电压矢量的标幺值U* ref落在60°坐标系g-h内；
步骤3，对坐标系进行分区，并进行扇区判定：
步骤3.1，将60°坐标系g-h中每60°的矢量空间范围划分为一个大区域，从坐标轴g开始，逆时针方向依次分区，共有编号Ⅰ～Ⅵ的六个大扇区N，再将每个大扇区划分为编号 1～6的六个小扇区n；
步骤3.2，将步骤2所求得标幺值与0进行比较，从而确定参考电压矢量Uref所位于的大扇区；
步骤3.3，在参考矢量小扇区的判定过程中，对于未在大扇区Ⅰ中的参考电压矢量需要进行顺时针旋转(N-1)个60°后置于大扇区Ⅰ中；由三角形的几何关系，可推算出旋转前的参考电压矢量变换公式为：
其中，为旋转前的参考电压矢量在坐标轴g、h上分量的幅值大小，N代表旋转前的参考电压矢量所在大扇区位置；
步骤3.4，由公式(10)所得出的变换关系，得到在60°坐标系下对于参考电压矢量所属小扇区的判定；
步骤4，计算基本矢量作用时间：
由图4所示的直角坐标系与60°坐标系的关系可得，参考电压矢量Uref在60°坐标系下的坐标可表示为：
其中，定义M为调制比，且
由公式11，通过传统直角坐标系下所得的基本矢量作用时间进行转换，得出60°坐标系下的基本矢量作用时间Ta、Tb、Tc。
所述步骤2.2具体包括：
设60°坐标系g-h的矢量最大模值为Umax，以Umax/2作为基准量从而实现参考电压矢量的标幺值计算，即：
三相电压Ua、Ub、Uc表示为：
解得基准值UB为：
根据公式(7)可得，当时，最大为1，此时所以标幺变换表示为：
其中，为Ug、Uh的标幺值；
根据公式(9)将参考电压矢量Uref进行标幺处理，从而得到在60°坐标系g-h下的参考电压矢量分布。
所述步骤3.2，将步骤2所求得标幺值与0进行比较，从而确定参考电压矢量Uref所位于的大扇区，其判断依据为：
当且时，参考电压矢量Uref位于大扇区Ⅱ中；
当且时，参考电压矢量Uref位于大扇区Ⅲ中；
当时，参考电压矢量Uref位于大扇区Ⅳ中；
当且时，参考电压矢量Uref位于大扇区Ⅴ中；
当且时，参考电压矢量Uref位于大扇区Ⅵ中。
所述步骤3.4，由公式(10)所得出的变换关系，得到在60°坐标系下对于参考电压矢量所属小扇区的判定，判定依据为：
当且时，参考电压矢量Uref位于小扇区1中；
当且时，参考电压矢量Uref位于小扇区2中；
当且时，参考电压矢量Uref位于小扇区3中；
当且时，参考电压矢量Uref位于小扇区4中；
当且时，参考电压矢量Uref位于小扇区5中；
当且时，参考电压矢量Uref位于小扇区6中。
所述步骤4，60°坐标系下参考电压矢量在大扇区Ⅰ中各个基本矢量的作用时间Ta、Tb、 Tc分别为：
在小扇区1、2，
在小扇区3、4，
在小扇区5，
在小扇区6，
其中，Ts为采样周期。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于改进SVPWM算法的NPC三电平逆变器设计方法，应用60°坐标系，以适应空间电压矢量的夹角θ通常为60°的倍数的情况。在60°坐标系下的SVPWM算法不包含三角函数，与直角坐标系下的算法相比大大减少了计算流程，有效提高系统效率。
本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明
具体实施方式
中所述基于改进SVPWM算法的NPC三电平逆变器设计方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中所述直角坐标系下参考电压矢量的复平面分布图；
图3为本发明具体实施方式中所述直角坐标系与60°坐标系的对比图；
图4为本发明具体实施方式中所述60°坐标系下的参考电压矢量的复平面分布图；
图5为本发明具体实施方式中所述大、小扇区的划分示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明做出进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前NPC三电平逆变器的传统SVPWM算法是基于直角坐标系下，然而参考电压矢量的夹角通常为60°的倍数，导致在扇区判断和基本矢量作用时间的计算中三角函数的运算量变大，大大增加了控制算法的复杂程度。
本发明提出一种基于改进SVPWM算法的NPC三电平逆变器设计方法，是将基于直角坐标系下的传统SVPWM算法进行改进，得出在60°坐标系下的SVPWM算法，可以有效减少使用三角函数，简化运算流程，具体改进内容包括以下步骤，如图1所示：
步骤1，对直角坐标系进行分区：
步骤1.1，设原有直角坐标系为α-β坐标系，将基本参考电压矢量绘于α-β坐标系中，如图2所示，其中Vooo＝0为零矢量，带有箭头的矢量即为基本参考电压矢量的状态矢量；
步骤1.2，定义参考电压矢量Uref：
Uref＝Uref·ejθ (1)
其中，Uref为参考电压矢量Uref的模值，θ为参考电压矢量Uref的空间角度；
参考电压矢量Uref在坐标轴α、β上分量的幅值大小分别用Uα、Uβ表示，Uα、Uβ与参考电压矢量Uref的推导关系式为：
步骤2，将坐标系直角坐标系变换为60°坐标系：
步骤2.1，在直角坐标系α-β上建立60°坐标系g-h，如图3所示；将参考电压矢量Uref从直角坐标系α-β变换到60°坐标系g-h中的计算公式为：
其中，Ug、Uh为参考电压矢量Uref在坐标轴g、h上分量的幅值大小；
根据Clark变换，可得三相旋转坐标系a-b-c与直角坐标系α-β之间的变换关系为：
其中，Ua、Ub、Uc为三相电压；
将公式(3)与公式(4)联立可得，三相旋转坐标系a-b-c与60°坐标系g-h之间的变换关系为：
步骤2.2，将参考电压矢量Uref进行标幺值计算，得到Ug、Uh的标幺值使参考电压矢量的标幺值U* ref落在60°坐标系g-h内；
设60°坐标系g-h的矢量最大模值为Umax，以Umax/2作为基准量从而实现参考电压矢量的标幺值计算，即：
三相电压Ua、Ub、Uc表示为：
解得基准值UB为：
根据公式(7)可得，当时，最大为1，此时所以标幺变换表示为：
其中，为Ug、Uh的标幺值；
根据公式(9)将参考电压矢量Uref进行标幺处理，从而得到在60°坐标系g-h下的参考电压矢量分布，如图4所示；
步骤3，对坐标系进行分区，并进行扇区判定：
步骤3.1，将60°坐标系g-h中每60°的矢量空间范围划分为一个大区域，从坐标轴g开始，逆时针方向依次分区，共有编号Ⅰ～Ⅵ的六个大扇区N，再将每个大扇区划分为编号 1～6的六个小扇区n，如图5所示；
步骤3.2，将步骤2所求得标幺值与0进行比较，从而确定参考电压矢量Uref所位于的大扇区，其判断依据如表1所示，其中“+”代表大于0，“-”代表小于0；
表1 60°坐标系下大扇区判定依据
步骤3.3，在参考矢量小扇区的判定过程中，对于未在大扇区Ⅰ中的参考电压矢量需要进行顺时针旋转(N-1)个60°后置于大扇区Ⅰ中；由三角形的几何关系，可推算出旋转前的参考电压矢量变换公式为：
其中，为旋转前的参考电压矢量在坐标轴g、h上分量的幅值大小，N代表旋转前的参考电压矢量所在大扇区位置；
步骤3.4，由公式(10)所得出的变换关系，得到在60°坐标系下对于参考电压矢量所属小扇区的判定，判定依据如表2所示，其中“+”代表大于0，“-”代表小于0；与直角坐标系下的小扇区判定对比下可发现，在60°坐标系下对小扇区n的判定要更加简单；
表2 60°坐标系下小扇区n判定依据
步骤4，计算基本矢量作用时间：
与传统NPC三电平逆变器SVPWM计算相似，由图3所示的直角坐标系与60°坐标系的关系可得，参考电压矢量Uref在60°坐标系下的坐标可表示为：
其中，定义M为调制比，且
由公式11，通过传统直角坐标系下所得的基本矢量作用时间进行转换，得出60°坐标系下的基本矢量作用时间Ta、Tb、Tc；表3为60°坐标系下参考电压矢量在大扇区Ⅰ中各个基本矢量的作用时间；
表3基本矢量作用时间
其中，Ts为采样周期。
从表3可以明显看出在60°坐标系下的SVPWM算法不包含三角函数，与直角坐标系下的算法相比大大减少了计算流程。
在对各个基本矢量的作用时间顺序采取七段对称式SVPWM调制法，实现要求与传统基于直角坐标系的SVPWM算法相同。