一种基于线性规划分区的三电平逆变器控制方法与流程

1.本发明属于逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于线性规划分区的三电平逆变器控制方法。


背景技术：

2.三电平逆变器的控制方法主要有spwm和svpwm两种。相比于spwm，svpwm控制算法电压利用率更高，常用的有传统算法、转化为两电平算法、60
°
坐标系算法、虚拟坐标系算法等。由于这些常见算法进行扇区判断时都需要合成电压矢量的角度，采用先判断大扇区再判断小扇区的两级判断思路，由于中频控制时，在一个周期内取点较少，闭环控制时合成电压矢量准确角度不易获得，输出电压波形稳定性较差，无法满足三电平中频逆变器研制需求。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于线性规划分区的三电平逆变器控制方法。该方法采用基于线性规划的直接区域判断方法，不涉及到合成电压矢量的角度，也不区分大小扇区，可以一次性判断出合成电压矢量所在的扇区，然后计算矢量作用时间，最后进行时间状态分配，实现对开关器件控制，实现三电平逆变器的闭环控制，提高逆变器的动态性能。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种基于线性规划分区的三电平逆变器控制方法，包括以下步骤：
6.步骤1，利用九条直线在直角坐标系α-β中将平面空间进行分区，九条直线编号依次为a,b,c,d,e,f,g,h,i,分别表示如下：
7.直线a为α轴，表示为β＝0；
8.直线b与α轴正方向成60
°
角，其直线方程可以表示为
9.直线c与α轴正方向成120
°
角，其直线方程可以表示为
10.直线d与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为v
dc
是输入直流电压；
11.直线e与α轴平行，与β轴的交点为其直线方程可以表示为
12.直线f与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为
13.直线g与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为
14.直线h与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为
15.直线i与α轴平行，与β轴的交点为其直线方程可以表示为
16.通过以上九条直线将直角坐标系α-β平面空间划分为24个三角形区域；
17.步骤2，确定基本电压空间矢量扇区
18.步骤3，判断合成电压矢量所在扇区；
19.步骤4，判断完成合成电压矢量所在扇区后，根据最近矢量原则，找到合成电压矢量的三个基本电压空间矢量，并计算三个基本电压空间矢量的作用时间；
20.步骤5：将步骤四计算的基本电压空间矢量的作用时间分配给对应的矢量状态。
21.在上述技术方案中，步骤2中，定义sa为a相桥臂开关输出状态，sb为b相桥臂开关输出状态，sc为c相桥臂开关输出状态，则各相电压表示为：
[0022][0023]
其中，sx＝1,表示第x相桥臂第一开关管和第二开关管导通，记作第x相桥臂输出p；sx＝0，表示第x相桥臂第二开关管和第三开关管导通，记作第x相桥臂输出o；sx＝-1,表示第x相桥臂第三开关管和第四开关管导通，记作第x相桥臂输出n；此处x为a，b，c中任意一相；
[0024]
在上述技术方案中，步骤2中，定义基本电压空间矢量为这里，k＝1、2、3....24，确定各相桥臂输出状态与基本电压空间矢量vk的对照关系，在直角坐标系α-β中列出所有基本电压空间矢量；
[0025]
在上述技术方案中，三相三电平逆变器输出27种开关状态组合，对应27组不同的逆变器开关状态，各相桥臂输出状态与基本电压空间矢量vk的对照关系如下表所示：
[0026]
表：各相桥臂输出状态与基本电压空间矢量vk的对照表
[0027][0028][0029]
在上述技术方案中，将每个基本电压空间矢量分别沿着α轴、β轴分解，可得到各基本电压空间矢量的横纵坐标，α＝v(k)cosθ，β＝v(k)sinθ。
[0030]
在上述技术方案中，合成电压矢量落在24个三角形区域通过线性规划分区原理来确定判断，判断方法见下表：
[0031]
表：合成电压矢量所在扇区判断表
[0032]
区域判断法则区域判断法则d 11f《0,a》0,b《0d 41a《0,b》0,h》0d 12a》0,d《0d 42a《0,g》0d 13f》0,d》0,e《0d 43g《0,h《0,i》0d 14e》0,b《0d 44i《0,b》0d 21b》0,c》0,e《0d 51b《0,c《0,i》0d 22f》0,b》0d 52b《0,h《0
d 23e》0,g《0,f《0d 53i《0,h》0,d》0d 24c》0,g》0d 54d《0,c《0d 31a》0,c《0,g《0d 61c》0,a《0,d》0d 32e》0,c《0d 62c》0,i《0d 33g》0,e《0,h》0d 63d《0,i》0,f《0d 34h《0,a》0d 64a《0,f》0
[0033]
本发明的优点和有益效果为：
[0034]
本发明建立一种基于线性规划分区的三电平逆变器控制方法，该方法采用基于线性规划的直接区域判断方法，不涉及到合成电压矢量的角度，也不区分大小扇区，可以一次性判断出合成电压矢量所在的扇区，然后计算矢量作用时间，最后进行时间状态分配，实现对开关器件控制，实现三电平逆变器的闭环控制，提高逆变器的动态性能。
附图说明
[0035]
图1为本发明的线性规划分区图；
[0036]
图2为本发明的基本电压空间矢量扇区图；
[0037]
图3为基本矢量作用时间与矢量状态的对应关系图。
[0038]
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
[0039]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0040]
一种基于线性规划分区的三电平逆变器控制方法，包括以下步骤：
[0041]
步骤1，基于线性规划分区
[0042]
利用九条直线在直角坐标系中将平面空间进行分区：
[0043]
具体的讲，如图1所示，在直角坐标系α-β中，绘制九条直线，九条直线编号依次为a,b,c,d,e,f,g,h,i,分别表示如下：
[0044]
直线a为α轴，表示为β＝0；
[0045]
直线b与α轴正方向成60
°
角，其直线方程可以表示为
[0046]
直线c与α轴正方向成120
°
角，其直线方程可以表示为
[0047]
直线d与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为v
dc
是输入直流电压；
[0048]
直线e与α轴平行，与β轴的交点为其直线方程可以表示为
[0049]
直线f与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为
[0050]
直线g与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为
[0051]
直线h与α轴、β轴的交点分别为其直线方程可以表示为
[0052]
直线i与α轴平行，与β轴的交点为其直线方程可以表示为
[0053]
通过以上九条直线将直角坐标系α-β平面空间划分为24个正三角形区域。
[0054]
步骤2，确定基本电压空间矢量扇区
[0055]
由于三电平i型三相(a,b,c)逆变器功率模块每相桥臂有4个开关管，4个开关管中只能是相邻的两个导通(即，每相桥臂有三种输出状态：第一开关管和第二开关管导通，或者第二开关管和第三开关管导通，或者第三开关管和第四开关管导通)，因此，定义开关变量sa、sb、sc，代表各相桥臂输出状态，即sa为a相桥臂输出状态，sb为b相桥臂输出状态，sc为c相桥臂输出状态，则各相电压表示为：
[0056][0057]
其中,sx＝1,表示第x相桥臂第一开关管和第二开关管导通，记作第x相桥臂输出p；sx＝0，表示第x相桥臂第二开关管和第三开关管导通，记作第x相桥臂输出o；sx＝-1,表示第x相桥臂第三开关管和第四开关管导通，记作第x相桥臂输出n；此处x为a，b，c中任意一相。
[0058]
因此，三相三电平逆变器就可以输出27种开关状态组合，对应27组不同的逆变器开关状态。定义基本电压空间矢量为k＝1、2、3....24，则各相桥臂输出状态与基本电压空间矢量vk的对照关系如下表所示：
[0059]
表1：各相桥臂输出状态与基本电压空间矢量vk的对照表
[0060][0061][0062]
如图2所示，在直角坐标系α-β中列出所有基本电压空间矢量v0-v18，将每个基本电压空间矢量分别沿着α轴、β轴分解，则可以得α＝vkcosθ，β＝vksinθ，θ是指基本电压空间矢量与α轴的夹角；通过步骤一所示的九条直线将整个空间划分为24个区域，也就是将整个空间矢量扇区划分为了24个三角形扇区，分别命名为d11、d12、d13、d14、d21、d22、d23、d24、d31、d32、d33、d34、d41、d42、d43、d44、d51、d52、d53、d54、d61、d62、d63、d64。
[0063]
步骤3，确定待解调的合成电压矢量所在扇区
[0064]
在空间矢量控制过程中合成电压矢量沿着原点转动，所以需要确定空间矢量所在扇区，本发明采用线性规划分区方法确定。
[0065]
以扇区d13为例，在α-β平面中由f,d,e三条直线围成，扇区d13在直线f下方，直线d上方，直线e下方，即合成电压矢量落在d13扇区的条件是
扇区d21由b,c,e三条直线围成，基于线性规划原理，扇区d21在直线b上方，直线c上方，直线e下方，即合成电压矢量落在d21扇区的条件是同理，合成电压矢量落在24个扇区也可以通过线性规划分区原理来确定判断。判断方法见下表2：
[0066]
表2：合成电压矢量所在扇区判断表
[0067]
区域判断法则区域判断法则d 11f《0,a》0,b《0d 41a《0,b》0,h》0d 12a》0,d《0d 42a《0,g》0d 13f》0,d》0,e《0d 43g《0,h《0,i》0d 14e》0,b《0d 44i《0,b》0d 21b》0,c》0,e《0d 51b《0,c《0,i》0d 22f》0,b》0d 52b《0,h《0d 23e》0,g《0,f《0d 53i《0,h》0,d》0d 24c》0,g》0d 54d《0,c《0d 31a》0,c《0,g《0d 61c》0,a《0,d》0d 32e》0,c《0d 62c》0,i《0d 33g》0,e《0,h》0d 63d《0,i》0,f《0d 34h《0,a》0d 64a《0,f》0
[0068]
步骤4，计算合成电压矢量的三个基本矢量的作用时间
[0069]
判断完成合成电压矢量所在扇区后，根据最近矢量原则，找到合成电压矢量的三个基本电压空间矢量，并计算这三个基本电压空间矢量的作用时间。
[0070]
以合成电压矢量在d13扇区为例，合成电压矢量可以由v1、v2、v7等三个基本电压空间矢量合成，对应的作用时间分别为t1、t2、t3，基于α-β坐标系，将β坐标系，将vref(v
α
,v
β
)代入伏秒平衡方程。
[0071][0072]
根据坐标方程运算规则，可得：
[0073]
α轴：
[0074]
β轴：
[0075]
结合
[0076]
t1 t2 t3＝ts[0077]
求解得：
[0078][0079]
同理，可以求出参考电压矢量在其他区域时的基本电压空间矢量作用时间。
[0080]
步骤5：将步骤四计算的基本电压空间矢量作用时间分配给对应的矢量状态
[0081]
采用典型的中心对称七段式svpwm波形将基本电压空间矢量的作用时间分配给对应的矢量状态。以d13扇区为例，基本电压空间矢量作用时间与矢量状态的对应关系如图3所示。三相矢量状态对应全部开关状态，将基本电压空间矢量的作用时间分配给对应的矢量状态，也就是将开关器件的导通或关断时间分配给对应的开关器件，实现对主电路开关器件的控制。