本發明涉及逆變器設計，具體是一種三電平逆變器的改進可變虛空間矢量調制方法。

背景技術：

1、中性點箝位(npc)三電平逆變器因其耐壓能力強、輸出諧波小等優點，被廣泛應用于高壓大功率場合，但其中點電位不平衡會影響其輸出性能，且由于直流電容和開關管壓力的差異，也可能降低器件壽命。

2、現階段解決中點電位問題最常用的方法包括冗余矢量法和虛擬矢量法，其中：冗余矢量法可以通過調整冗余小矢量的作用時間來調整中點電位，引入一個平衡因子，根據調節能力的強弱選擇不同的冗余小矢量，改變它們的作用時間來平衡中點電位，但是該方法在高調制指數下的平衡效果并不理想；虛擬矢量法則是通過選取小矢量和中矢量來合成新的虛擬中矢量，保證其在一個周期內產生的中點電流為零，舍棄了一個周期內產生不可控中點電流的電壓矢量，根源上解決了中點電位波動的問題，但是該方法對已有的中點電位偏差調節能力有限。

3、此外，上述方法均針對中點電位平衡的情況，但在某些特定應用中，中點電位需要被控制為不平衡的狀態。例如，在集中式光伏逆變器系統中，兩個直流側電容器的電壓通常被控制到不平衡狀態，以實現光伏模塊的單個最大功率點跟蹤(mppt)。考慮到當中點電位不平衡時，基本矢量的位置會發生偏移，進而影響參考電壓的合成，也有一些改進方法考慮了中點電位不平衡時各基本矢量的位置變化，以提高參考矢量合成的精度。然而，這些方法涉及到使用來自不同大扇區的基本矢量進行電壓合成，這可能會降低電壓和電流的諧波特性。還有一種可變虛擬空間矢量調制(vvsvm)方法，通過改變合成虛擬矢量中三個矢量的動作時間分布，虛擬矢量可以具有調節中性點電位的能力，但中點電位無法精確控制。

技術實現思路

1、為解決背景技術存在的不足，本發明提供一種三電平逆變器的改進可變虛空間矢量調制方法，其能夠提高在高調制度時中點電位的平衡速度，同時在中點電位不平衡情況下減少輸出諧波，提高輸出電能質量，在全功率因數和全調制指數下實現中點電位無波動。

2、為實現上述目的，本發明采取下述技術方案：一種三電平逆變器的改進可變虛空間矢量調制方法，包括以下步驟：

3、s1、期望電壓輸入

4、對于控制器輸入的α-β坐標系下的期望電壓，將其變換到60°的g-h坐標系，變換公式如下：

5、

6、式中，vg和vh分別為60°的g-h坐標系下的期望電壓，vdc為直流母線電壓，vα和vβ分別為α-β坐標系下的期望電壓；

7、s2、大扇區判斷

8、根據期望電壓的角度劃分六個大扇區，將大扇區旋轉到0-60°的位置，給出中點電位不平衡情況下各基本矢量的空間坐標，表示如下：

9、

10、其中，

11、

12、式中，vooo、vppp和vnnn為基本零矢量，vpoo、vonn、vppo和voon為基本小矢量，vpon為基本中矢量，vpnn和vppn為基本大矢量，ζ為不平衡系數，vp和vn分別為直流側上電容和下電容的電壓；

13、s3、k值計算及小扇區判斷

14、根據中點電流inp及中點電位偏差δv的極性，在1/3、2/3或5/6中選擇一個k值，對于大扇區劃分為a1～a5這五個小扇區，不同小扇區之間分界直線的函數表達式如下：

15、

16、式中，l1為a1小扇區和a2小扇區的分界線，l2為小扇區a2與小扇區a3的分界線，l3為小扇區a2與小扇區a4的分界線，l4為小扇區a3與小扇區a5的分界線，l5為小扇區a4與小扇區a5的分界線，xvm和yvm分別為可變虛擬中矢量vvm在g-h坐標系下的橫縱坐標，可變虛擬中矢量vvm的坐標表達式如下：

17、

18、進而得到各虛擬矢量的空間坐標，表示如下：

19、

20、式中，vv0為虛擬零矢量，vvs1和vvs2為虛擬小矢量，vvl1和vvl2為虛擬大矢量；

21、s4、占空比計算

22、每一個小扇區需要使用三個矢量來合成期望電壓矢量，利用伏秒平衡原則計算各矢量的占空比，a1小扇區～a4小扇區的占空比計算方法采用可變虛擬矢量法，針對a5小扇區的占空比計算方法進行改進：

23、使用vvl1、vvl2和vvm這三個矢量，根據伏秒平衡原則計算占空比分別為：

24、

25、式中，dvl1、dvl2和dvm分別為vvl1、vvl2和vvm的占空比，而式中vvm由三個矢量合成而來，表示如下：

26、

27、將計算得到的dvm按公式(8)分配給vonn、vppo和vpon，求得各矢量實際的占空比，與控制周期的時間ts相乘得到各矢量的作用時間t；

28、s5、中點電位調節及中矢量平衡因子h值計算

29、通過vpnn和vppn各作用一半的時間來完全等效的替換vpon，表示如下：

30、

31、再引入中矢量平衡因子h，將公式(8)改寫為：

32、

33、通過替換產生的可變虛擬中矢量流過直流側中點的電荷量為：

34、

35、電荷量與電壓的關系為：

36、q＝c·δv???????????????????????(12)

37、聯立公式(11)和公式(12)能夠計算出h值來調節中點電位，表示如下：

38、

39、式中，ia、ib和ic為三相電流，c為直流側單個電容的容值；

40、s6、占空比更新及輸出pwm

41、根據計算得到的h值計算出需要調節的矢量作用時間，表示如下：

42、t'＝(1-h)·dvm·ts/3??????????????????(14)

43、根據t'調節s4中計算出的作用時間t，即可得到最終想要的輸出時間。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明利用兩個大矢量合成一個新的虛擬矢量，該虛擬矢量與基本中矢量冗余，引入中矢量平衡因子的方式使其結合為新的可變虛擬中矢量，通過考慮了中矢量平衡因子h和小扇區劃分的k值這兩種平衡因素，能夠加快中點電位動態平衡過程，減少穩態中點電位波動，此外，每個矢量的簡化坐標由g-h坐標系確定，避免了復雜的三角運算，同時引入不平衡系數ζ，使得所提算法在中點電位不平衡時仍能保證良好的輸出電能質量。

技術特征：

1.一種三電平逆變器的改進可變虛空間矢量調制方法，其特征在于：包括以下步驟：

技術總結
一種三電平逆變器的改進可變虛空間矢量調制方法，涉及逆變器設計技術領域。對于控制器輸入的α?β坐標系下的期望電壓變換到60°的g?h坐標系；根據期望電壓的角度劃分六大扇區，將大扇區旋轉到0?60°的位置，給出中點電位不平衡情況下各基本矢量的空間坐標；選擇k值將大扇區劃分為A1～A5五個小扇區，得到各虛擬矢量的空間坐標；進行占空比計算，通過改進方法對A5小扇區的占空比進行計算；引入中矢量平衡因子h，計算h值調節中點電位；占空比更新及輸出PWM。能夠提高在高調制度時中點電位的平衡速度，同時在中點電位不平衡情況下減少輸出諧波，提高輸出電能質量，在全功率因數和全調制指數下實現中點電位無波動。

技術研發人員：張文韜,張浩宇,徐永向,黃惠東,李紹斌,肖利軍,鄒繼斌,卓亮
受保護的技術使用者：哈爾濱工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28