[发明专利]一种三电平NPC变流器的随机开关频率调制方法

权利要求书

1.一种三电平NPC变流器的随机开关频率调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据载波脉冲宽度调制方法，得到三相调制波，随后通过空间矢量脉冲宽度调制策略，设定固定开关周期，求解并输出a、b和c三相开关状态及其各自作用时间；具体为：

步骤1.1，根据载波脉冲宽度调制方法，得到三相调制波表达式，如公式(1)，

其中U_m为三相相电压的幅值，U_a、U_b和U_c分别为对应三相a、b和c的相输出电压，ω为a、b和c各相相电压的角频率；

步骤1.2，通过步骤1.1得到的三相调制波合成参考电压矢量v_ref，具体如公式(2)，

步骤1.3，构造三电平NPC变流器的空间矢量V_S：

步骤1.3.1，根据三电平NPC变流器的拓扑结构，定义拓扑结构的开关函数S_x为：

其中S_x中x分别表示a、b、c三相，数字2、1、0分别代表第x相桥臂对应输出的P、O、N三种状态；

步骤1.3.2，由步骤1.3.1中可知，a、b、c三相的对应的相输出电压U_a、U_b和U_c可表示为：

其中S_a、S_b、S_c分别表示为三电平NPC变流器a、b、c各相开关状态，U_dc为直流侧总电压；

步骤1.3.3，结合步骤1.3.1和步骤1.3.2，得到三电平NPC变流器的空间矢量V_S为：

由公式(5)可得到27个空间矢量，均采用xyz(x,y,z＝P,O,N)表示；

步骤1.4，建立两相静止坐标系，即αβ坐标系，将步骤1.2中的参考电压矢量v_ref在αβ坐标系内进行分解，见公式(6)：

其中θ为参考电压矢量v_ref与α轴的夹角，|v_ref|为参考电压矢量的模；

步骤1.5，根据步骤1.4中夹角θ的大小判断参考电压矢量v_ref所在的大扇区N：即当夹角0°<夹角θ<60°时，参考电压矢量v_ref位于第Ⅰ大扇区；当60°<夹角θ<120°时，参考电压矢量v_ref位于第Ⅱ大扇区；当120°<夹角θ<180°时，参考电压矢量v_ref位于第Ⅲ大扇区；当180°<夹角θ<240°时，参考电压矢量v_ref位于第Ⅳ大扇区；当240°<夹角θ<300°时，参考电压矢量v_ref位于第Ⅴ大扇区；当300°<夹角θ<360°时，参考电压矢量v_ref位于第Ⅵ大扇区；

步骤1.6，通过引入两个等效角变量θ′和θ^*，继续判断参考电压矢量v_ref位于步骤1.5中大扇区中所在的小区，设变量θ′∈(0,2π)；变量θ^*∈[0,π/3]；设定调制比则每个大扇区内分为6个三角形小区S₁-S₆，每个小区的表达式为：

步骤1.7，设定固定开关周期，计算落入步骤1.6小区内的参考电压矢量v_ref作用的时间：

步骤1.7.1，设合成参考电压矢量v_ref的三个空间矢量V₁、V₂、V₃的作用时间分别对应为T₁、T₂、T₃，T_s为固定开关周期，由伏秒平衡原则可得：

步骤1.7.2，由步骤1.7.1可知，在第Ⅰ大扇区内六个小区域S₁-S₆的矢量作用时间分别为：

其中第Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ大扇区内的矢量作用时间相同，而第Ⅱ、Ⅵ大扇区内需要将T₂和T₃相互替换；

步骤1.8，通过步骤1.7可知，确定在第Ⅰ大扇区内六个小区域S₁-S₆对应开关状态的输出序列为：

S₁：ONN-OON-OOO-POO-OOO-OON-ONN；

S₂：OON-OOO-POO-PPO-POO-OOO-OON；

S₃：ONN-OON-PON-POO-PON-OON-ONN；

S₄：OON-PON-POO-PPO-POO-PON-OON；

S₅：ONN-PNN-PON-POO-PON-PNN-ONN；

S₆：OON-PON-PPN-PPO-PPN-PON-OON；

步骤2，根据纹波电流有效值的限制值，求解满足纹波电流有效值的限制值的随机开关周期；具体操作为：

步骤2.1，设准占空比d′_x＝2d_x-1(x＝a,b,c)，其中d′_x∈(-1,1)，则变流器三相V_a V_b V_c输出平均电压为：

其中V_dc为变流器直流侧电压的平均电压，d′_a、d′_b和d′_c分别为a、b和c三相对应的准占空比；

步骤2.2，根据步骤1.7的区域划分，在第Ⅰ大扇区的小区S₁内，根据戴维宁等效电路，各开关状态下，a相纹波电流斜率为：

b相纹波电流斜率为：

c相纹波电流斜率为：

公式中(11)-(13)中，L为交流侧电感；

步骤2.3，将步骤2.1中三相输出平均电压代入步骤2.2中变流器各相纹波电流斜率中，则a相纹波电流斜率为：

b相纹波电流斜率为：

c相纹波电流斜率为：

步骤2.4，根据公式(17)和(18)计算处各相中纹波电流有效值I_rx，即RMS值，

其中k₁和k₂分别为七段式SVPWM中前两段区域对应的电感电压降，t₀/4和t₁/2分别为区域对应的时间；

随后根据公式(19)计算纹波电流平均值I_{rms_ave}：

步骤2.5，根据步骤2.4中的纹波电流平均值，计算随机开关周期T_s′公式为：

其中T_s是步骤1.7中的固定开关周期，I_{rms_require}是纹波电流有效值的限制值，

步骤3，使用步骤2的随机开关周期替代步骤1中的固定开关周期，并计算随机开关周期下三相开关各自作用时间，形成最终的调制波形。

2.根据权利要求1所述的一种三电平NPC变流器的随机开关频率调制方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作为：使用公式(21)得到的随机开关周期T_s′数值替换步骤1.7.2中的公式(9)内的固定开关周期T_s，对步骤1.7.2和1.8进行修正，形成最终的调制波形。