[发明专利]一种三电平逆变器同步载波调制方法和装置

说明书

本发明公开了一种三电平逆变器同步载波调制方法，通过对三相正弦波取反并注入特定偏置量，得到三组三相初始调制波；通过在不同空间角区域对三相分别选用特定的初始调制波，得到三相实际调制波；通过设定三角载波频率为基波频率的三的偶数倍，得到两组初始方向相反的载波；通过在不同空间角区域选用特定初始方向载波，得到实际载波；制定实际调制波与实际载波的比较规则，并基于实际调制波与实际载波比较得到三电平逆变器的控制信号，从而实现降低共模电压的同步载波调制。本发明方法在消除线电压中三的倍数次谐波和偶次谐波的同时可以将共模电压幅值降低二分之一，并可将共模电压变化频率降低三分之二，且具备计算简单、实现方便的优点。

技术领域

本发明涉及一种PWM控制方法，尤其涉及一种三电平逆变器同步载波调制方法和装置。

背景技术

典型的三电平逆变器如三电平中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)逆变器，其主电路拓扑如图1。由于器件电压应力低、输出电压和电流质量高、结构简单、可实现能量双向流动等优势，三电平逆变器在电机驱动、新能源发电、挖掘盾构等领域得到了广泛应用。

定义三电平逆变器由高到低输出的三种电平状态为P、O和N，直流侧电压为2E，则可将三电平逆变器的空间矢量总结于图2。图2中各空间矢量依据幅值可分类为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，各空间矢量的具体分类和幅值列于表1。

表1三电平逆变器各空间矢量幅值和分类

同步调制策略为载波频率随基波频率同步变化的脉宽调制策略。文献《低载波比下三电平中点钳位变流器改进型同步载波脉宽调制策略研究》(高瞻.[J].电工技术学报,2020,35(18):3894-3907.)指出，当三电平逆变器应用于大功率电机的牵引传动系统时，其在整个调速范围内载波比的变化范围较大。随着载波比的降低，每个相电压基波周期内的脉冲数逐渐减少，由波形不对称性产生的不良影响越发凸显。为充分利用开关频率并降低输出电压的谐波含量，三电平逆变器需在低载波比工况采用同步调制策略。大功率电机牵引传动系统大部分速度区域为低载波比工况，因此研究高性能的同步调制策略对牵引传动系统至关重要。

共模电压为负载中性点与参考电位点之间具有高频、高幅值特性的零序电压。文献《二极管钳位型三电平逆变器共模电压抑制》(吴可丽.[J].电工技术学报,2015,30(24):110-117.)指出，共模电压会在电机的转轴上感应出高幅值的轴电压，击穿油膜并产生轴电流，缩短电机的使用寿命。此外，共模电压还会产生高频率的漏电流，导致电磁干扰，影响周围电气设备的通讯。为在不增加额外硬件设备的情况下降低共模电压的不良影响，研究抑制共模电压幅值和频率的脉宽调制策略具有重要的实用意义。

针对三电平逆变器同步调制策略，文献《Modified SVPWM algorithm for threelevel VSI with synchronized and symmetrical waveforms》(A.R.Beig.[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2007,54(1):486-494.)通过规定采样点的个数、位置和使用的空间矢量序列，提出了使得输出电压波形满足三相对称和半波对称的同步SVPWM，从而消除了线电压中三的倍数次谐波和偶次谐波，优化了输出电压谐波性能。

针对三电平逆变器抑制共模电压的调制策略，文献《一种新颖的三电平光伏逆变器调制策略研究》(戴文君.[J].电力电子技术,2014,48(1):4-5.)通过只使用表1中的零矢量、中矢量和大矢量合成参考电压，避开共模电压幅值较高的小矢量，提出了可抑制共模电压幅值的十三矢量法，从而有效降低了共模电压的不良影响。

以上研究均只针对三电平逆变器的同步调制或抑制共模电压调制，并未将两者结合起来研究，未能同时优化输出电压谐波性能和共模电压性能。此外，以上调制方法均是基于空间矢量合成参考电压实现，均需计算各空间矢量的作用时间并需预置各空间角区域内的开关动作方式，其步骤繁琐、计算复杂，不利于工程推广应用。