[发明专利]三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法

权利要求书

1.一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其特征在于，本抑制方法涉及的系统电路的拓扑结构包括直流源E、直流分压电容C₁、直流分压电容C₂、三相T型三电平逆变器和三相对称式阻感性负载；所述直流分压电容C₁和直流分压电容C₂串联后连接在直流源E的直流正母线与直流负母线之间，其连接点记为直流母线中点D；所述三相T型三电平逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括4个开关管，即三相桥臂共包括12个开关管，将三相桥臂中的任一个桥臂记为桥臂j，将12个开关管中的任一个开关管记为开关管S_ji，j表示三相，即j＝a，b，c，i表示开关管的序号，i＝1，2，3，4；T型三相三电平逆变器的三相桥臂并联在直流正母线与直流负母线之间，三相桥臂的中点分别记为A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C；所述三相对称式阻感性负载的输入端分别与A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C相连接；

所述三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法包括以下步骤：

步骤1、基础电压矢量的设定

步骤1.1，给定直流源E的电压并记为直流侧电压U_dc，并将三相T型三电平逆变器三相桥臂的输出电压记为输出电压u_j，所述输出电压u_j的值等于U_dc/2或0或-U_dc/2；

将输出电压u_j＝U_dc/2时的开关状态记为P、输出电压u_j＝0时的开关状态记为0、输出电压u_j＝-U_dc/2的开关状态记为N，并将A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂对应的开关状态组合记为[G_a，G_b，G_c]；

根据三相T型三电平逆变器三相桥臂的开关状态，得到27个原始基础电压矢量，将27个原始基础电压矢量中的任一个原始基础电压矢量记为原始基础电压矢量V_y，y＝1，2，...，27；

步骤1.2，计算共模电压u_ON，计算式如下：

u_ON＝-(u_a+u_b+u_c)/3

式中，u_a为三相T型三电平逆变器A相桥臂的输出电压，u_b为三相T型三电平逆变器B相桥臂的输出电压，u_c为三相T型三电平逆变器C相桥臂的输出电压；

步骤1.3，根据共模电压u_ON的值进行原始基础电压矢量V_y的分类，具体分为以下四类：

第一类，|u_ON|＝U_dc/2，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，P，P]或[N，N，N]；

第二类，|u_ON|＝U_dc/3，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[O，N，N]或[P，P，O]或[N，O，N]或[O，P，P]或[N，N，O]或[P，O，P]；

第三类，|u_ON|＝U_dc/6，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[P，O，O]或[O，O，N]或[O，P，O]或[N，O，O]或[O，O，P]或[O，N，O]或[P，N，N]或[P，P，N]或[N，P，N]或[N，P，P]或[N，N，P]或[P，N，P]；

第四类，|u_ON|＝0，原始基础电压矢量V_y对应的开关状态组合为[O，O，O]或[P，O，N]或[O，P，N]或[N，P，O]或[N，O，P]或[O，N，P]或[P，N，O]；

删除第一类和第二类中的8个原始基础电压矢量，保留第三类第四类中的19个原始基础电压矢量V_y参与三相三电平电压型逆变器调制策略的构成，并将该19个原始基础电压矢量记为基础电压矢量V_λ，λ＝0，1，…，18，19个基础电压矢量V_λ对应的开关状态组合如下：V₀[O，O，O]、V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₇[P，O，N]、V₈[O，P，N]、V₉[N，P，O]、V₁₀[N，O，P]、V₁₁[O，N，P]、V₁₂[P，N，O]、V₁₃[P，O，O]、V₁₄[O，O，N]、V₁₅[O，P，O]、V₁₆[N，O，O]、V₁₇[O，O，P]、V₁₈[O，N，O]；

步骤2、空间电压矢量图的建立和扇区划分

步骤2.1，空间电压矢量V^*定义为：

式中的j为虚数部，和分别为输出电压u_b和输出电压u_c在复数平面上对应的指数表达式，则每个基础电压矢量V_λ在空间电压矢量图中都有且仅有一个固定的位置，由19个基础电压矢量V_λ共同构成空间电压矢量图；

扇区的具体划分方法如下：以基础电压矢量V₀[O，O，O]为空间电压矢量图的中心点、基础电压矢量V₁[P，N，N]为第一扇区的第一条边，按照沿逆时针方向编号依次增大的方式命名各扇区，各扇区的边界为：基础电压矢量V₁[P，N，N]与基础电压矢量V₂[P，P，N]所夹区域为扇区1；基础电压矢量V₂[P，P，N]与基础电压矢量V₃[N，P，N]所夹区域为扇区2；基础电压矢量V₃[N，P，N]与基础电压矢量V₄[N，P，P]所夹区域为扇区3；基础电压矢量V₄[N，P，P]与基础电压矢量V₅[N，N，P]所夹区域为扇区4；基础电压矢量V₅[N，N，P]与基础电压矢量V₆[P，N，P]所夹区域为扇区5；基础电压矢量V₆[P，N，P]与基础电压矢量V₁[P，N，N]所夹区域为扇区6；

6个扇区中每个扇区涉及的基础电压矢量及排序如下：

扇区1：V₁[P，N，N]、V₂[P，P，N]、V₇[P，O，N]、V₁₃[P，O，O]、V₁₄[，O，N]；

扇区2：V₂[P，P，N]、V₃[N，P，N]、V₈[O，P，N]、V₁₄[O，O，N]、V₁₅[O，P，O]；

扇区3：V₃[N，P，N]、V₄[N，P，P]、V₉[N，P，O]、V₁₅[O，P，O]、V₁₆[N，O，O]；

扇区4：V₄[N，P，P]、V₅[N，N，P]、V₁₀[N，O，P]、V₁₆[N，O，O]、V₁₇[O，O，P]；

扇区5；V₅[N，N，P]、V₆[P，N，P]、V₁₁[O，N，P]、V₁₇[O，O，P]、V₁₈[O，N，O]；

扇区6；V₆[P，N，P]、V₁[P，N，N]、V₁₂[P，N，O]、V₁₈[O，N，O]、V₁₃[P，O，O]；

记6个扇区中的任意一个扇区为扇区N，N为扇区序号，N＝1，2...6，与扇区N对应的5个基础电压矢量按照其排序分别记为扇区基础电压矢量U_N1、扇区基础电压矢量U_N2、扇区基础电压矢量U_N3、扇区基础电压矢量U_N4、扇区基础电压矢量U_N5；

步骤3、给定三相参考电压U_a，U_b，U_c作为输入信号，满足下式：

式中，m为调制比，t为三相T型三电平逆变器工作时刻，ω为角频率，ω＝2πf，f为基波频率；

步骤4、将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c进行坐标变换及标么化处理，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h分量和并由g、h分量和得到参考电压矢量V_ref；

步骤4.1，将步骤3得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c进行三相静止坐标系到两相静止αβ坐标系的变换，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止αβ坐标系下的α、β分量V_α，V_β，并记为参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β：

步骤4.2，规定水平向右为两相静止60°坐标系中g轴的正方向，以逆时针旋转60°方向为两相静止60°坐标系中h轴的正方向，对步骤4.1得到的参考电压矢量αβ轴分量V_α，V_β进行两相静止αβ坐标系到两相静止60°坐标系变换，得到三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的gh轴分量V_g，V_h：

步骤4.3，标么化步骤4.2得到的三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量V_g，V_h，得到标么化的三相参考电压U_a，U_b，U_c在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量并分别记为参考电压矢量g轴分量参考电压矢量h轴分量

将参考电压矢量g轴分量和参考电压矢量h轴分量的合成矢量记为参考电压矢量V_ref；

步骤5、根据参考电压矢量g轴分量和参考电压矢量h轴分量判断参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，判断如下：

当且时，N＝1；

当且且时，N＝2；

当且且时，N＝3；

当且时，N＝4；

当且且时，N＝5；

当且且时，N＝6；

步骤6、根据步骤5得到的参考电压矢量V_ref所处的扇区序号N，将参考电压矢量V_ref顺时针旋转(N-1)×60°，得到参考电压矢量V_ref在扇区N＝1处的参考电压矢量gh轴分量和满足下式：

当扇区N＝1时，

当扇区N＝2时，

当扇区N＝3时，

当扇区N＝4时，

当扇区N＝5时，

当扇区N＝6时，

步骤7、实时采样直流分压电容C₁的端电压U_dc1、直流分压电容C₂的端电压U_dc2、T型三相三电平逆变器三相桥臂输出端的三相电流i_a、i_b、i_c，并结合步骤5得到的扇区序号N的值确定扇区基础电压矢量U_N4对应流出直流母线中点D的电流i₁、扇区基础电压矢量U_N5对应流出直流母线中点D的电流i₂、扇区基础电压矢量U_N3对应流出直流母线中点D的电流i：

当N＝1或N＝4时，i₁＝-i_a，i₂＝-i_c，i＝i_b；

当N＝2或N＝5时，i₁＝-i_c，i₂＝-i_b，i＝i_a；

当N＝3或N＝6时，i₁＝-i_b，i₂＝-i_a，i＝i_c；

步骤8、根据以下判断得到第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k：

当U_dc1-U_dc2＞G时，

若i₁≥0，k₁＝p，若i₁＜0，k₁＝q；

若i₂≥0，k₂＝p，若i₂＜0，k₂＝q；

若i≥0，k＝p，若i＜0，k＝q；

当-G≤U_dc1-U_dc2≤G时，k₁＝2/3，k₂＝2/3，k＝2/3；

当U_dc1-U_dc2＜-G时，

若i₁≥0，k₁＝q，若i₁＜0，k₁＝p；

若i₂≥0，k₂＝q，若i₂＜0，k₂＝p；

若i≥0，k＝q，若i＜0，k＝p；

其中，G为电压滞环的环宽；p为幅值最小调整量，p的取值范围为0.5＜p≤2/3；q为幅值最大调整量，q的取值范围为2/3≤q＜1；

步骤9、根据步骤5得到的扇区序号N，步骤8得到的第一调节幅值变量k₁、第二调节幅值变量k₂、第三调节幅值变量k，构建虚拟电压小矢量V′_S1、虚拟电压小矢量V_S1、虚拟电压小矢量V′_S2、虚拟电压小矢量V_S2和虚拟电压中矢量V_M：

V′_S1＝d₁(U_N5+U_N″4)+(1-2d₁)U_N4

V_S1＝(U_N5+U_N″3)/2

V′_S2＝d₂(U_N4+U_N′5)+(1-2d₂)U_N5

V_S2＝(U_N4+U_N′3)/2

V_M＝d(U_N′3+U_N″3)+(1-2d)U_N3

其中，N′＝N+1，当N′＝7时，取N′＝1；N″＝N-1，当N″＝0时，取N″＝6；d₁为虚拟电压小矢量V′_S1的调节比例变量，d₁＝1-k₁，d₂为虚拟电压小矢量V′_S2的调节比例变量，d₂＝1-k₂，d为虚拟电压中矢量V_M的调节比例变量，d＝1-k；

步骤10，将基础电压矢量V₀[0，0，0]所在位置处记为点P₀、并以该点P₀作为所有矢量的起点，在每个扇区内定义7个点：扇区基础电压矢量U_N1端位置处为点P_M1、扇区基础电压矢量U_N2的末端位置处为点P_N2、虚拟电压小矢量V′_S1的末端位置处为点P′_S1、虚拟电压小矢量V_S1的末端位置处为点P_S1、虚拟电压小矢量V′_S2的末端位置处为点P′_S2、虚拟电压小矢量V_S2的末端位置处为点P_S2、虚拟电压中矢量V_M的末端位置处为点P_M；

根据上述点的位置将每个大扇区分为7个小区域，具体情况如下：

将排序为P₀、P′_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域1；

将排序为P₀、P′_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域2；

将排序为P′_S1、P_S1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域3；

将排序为P′_S2、P_S2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域4；

将排序为P_S1、P_N1、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域5；

将排序为P_S2、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域6；

将排序为P_N1、P_N2、P_M的三个点构成的三角形区域记为小区域7；

记7个小区域中的任意一个区域为小区域n，n为小区域序号，n＝1，2...7；将小区域n中的三个排序点对应的电压矢量分别记为第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III；

步骤11、判断参考电压矢量V_ref所处的小区域序号n，具体判断如下：

当且时，n＝1；

当且时，n＝2；

当且时，n＝3；

当且时，n＝4；

当且时，n＝5；

当且时，n＝6；

当且时，n＝7；

步骤12、在一个载波周期T_s内，将第一电压矢量V_I的作用时间记为作用时间T₁、第二电压矢量V_II的作用时间记为作用时间T₂、第三电压矢量V_III的作用时间记为作用时间T₃，根据参考电压矢量V_ref所处小区域n，确定作用时间T₁、作用时间T₂和作用时间T₃；

当n＝1时，

V_I＝V₀，

V_II＝V′_S1，

V_III＝V_M，

当n＝2时，

V_I＝V₀，

V_II＝V′_S2，

V_III＝V_M，

当n＝3时，

V_I＝V′_S1，

V_II＝V_S1，

V_III＝V_M，

当n＝4时，

V_I＝V′_S2，

V_II＝V_S2，

V_III＝V_M，

当n＝5时，

V_I＝V_S1，

V_II＝U_N1，

V_III＝V_M，

当n＝6时，

V_I＝V_S2，

V_II＝U_N2，

V_III＝V_M，

当n＝7时，

V_I＝U_N1，

V_II＝U_N2，

V_III＝V_M，

步骤13、根据步骤10中的第一电压矢量V_I、第二电压矢量V_II、第三电压矢量V_III确定7个小区域中的扇区基础电压矢量作用的序列G，具体如下：

当n＝1时，

V₀-U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5；

当n＝2时，

V₀-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N4；

当n＝3时，

U_N″4-U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3-U_N″4；

当n＝4时，

U_N″3-U_N4-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N′5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N4-U_N″3；

当n＝5时，

U_N″3-U_N1-U_N3-U_N5-U_N′3-U_N5-U_N3-U_N1-U_N″3；

当n＝6时，

U_N″3-U_N4-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N4-U_N″3；

当n＝7时，

U_N″3-U_N1-U_N3-U_N2-U_N′3-U_N2-U_N3-U_N1-U_N″3；

记r为序列G中扇区基础电压矢量的序号，r＝1，2...，11；

步骤14、将步骤13得到的扇区基础电压矢量作用序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间按照其排序记为扇区基础电压矢量作用时间t_r，根据步骤12中的第一电压矢量作用时间T₁、第二电压矢量作用时间T₂、第三电压矢量作用时间T₃，确定序列G中每个扇区基础电压矢量的作用时间，具体如下：

当n＝1时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d₁，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₁)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₁/2，t₇＝dT₃；

当n＝2时，t₁＝T₁，t₂＝T₂d₂，t₃＝dT₃，t₄＝T₂(1-2d₂)，t₅＝T₃(1-2d)，t₆＝t₈＝T₂d₂/2，t₇＝dT₃；

当n＝3时，t₁＝t₁₁＝T₁d₁/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₃d/2，t₃＝t₉＝T₁(1-2d₁)/2，t₄＝t₈＝T₃(1-2d)/2，t₅＝t₇＝T₁d₁/2+T₂/4，t₆＝T₃d；

当n＝4时，t₁＝t₁₁＝T₃d/2，t₂＝t₁₀＝T₂/4+T₁d₂/2，t₃＝t₉＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₈＝T₁(1-2d₂)/2，t₅＝t₇＝T₃d/2+T₂/4，t₆＝T₁d₂；

当n＝5时，t₁＝t₉＝T₁/4+T₃d/2，t₂＝t₈＝T₂/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₁/4，t₅＝T₃d；

当n＝6时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/4，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₁/2+T₃d；

当n＝7时，t₁＝t₉＝T₃d/2，t₂＝t₈＝T₁/2，t₃＝t₇＝T₃(1-2d)/2，t₄＝t₆＝T₂/2，t₅＝T₃d；

T型三相三电平逆变器的三相桥臂根据步骤13确定的扇区基础电压矢量作用序列、步骤14确定的扇区基础电压矢量的作用时间进行发波，实现三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制。

2.根据权利要求1所述的一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其特征在于，所述三相桥臂的开关状态P、O、N对应的开关管的具体动作为：

P：开关管S_j1导通，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4关断；

0：开关管S_j1关断，开关管S_j2关断，开关管S_j3导通，开关管S_j4导通；

N：开关管S_j1关断，开关管S_j2导通，开关管S_j3关断，开关管S_j4导通。