一种基于H桥级联多电平逆变器的移相空间矢量调制方法与流程

本发明属于逆变器调制领域，涉及一种基于h桥级联多电平逆变器的移相空间矢量调制方法。

背景技术：

由于受电力电子器件电压和容量的限制，传统的两电平逆变器通常采用“高-低-高”方式经变压器降压和升压获得高压大功率变换，或采用多个小容量逆变单元经多绕组变压器多重化实现高压大功率变换，这两种高压大功率变流器的系统效率比较低，人们希望利用直接高压逆变技术提高系统效率。因此，基于电力电子器件直接串联和并联的高压大功率两电平逆变技术被研究，然而，由于电力电子器件的特性，串并联电力电子器件对动静态均压、均流的要求非常高，且这种两电平变流器的输出电压谐波含量高，输出滤波器设计复杂，不适合实际应用。基于上述原因，级联多电平逆变技术被广泛应用于高压大功率变流器中。

级联多电平逆变器的调制方法主要分为最近电平调制、载波层叠调制、载波移相调制、空间矢量调制等。级联多电平逆变器空间矢量调制方法与载波调制方法相比，具有谐波特性好、电压利用率高、开关损耗低、便于数字实现等优点。

但空间矢量调制方法随着级联单元数n的增加，基本矢量数量大大增加，且对应一个基本矢量，其存在多个冗余开关状态矢量，开关状态矢量的选择及其作用时间计算极为复杂，开关状态矢量切换路径多样，导致空间矢量调制方法实现困难。

因此，有必要设计一种针对h桥级联多电平逆变器的移相空间矢量调制方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于h桥级联多电平逆变器的移相空间矢量调制方法，该基于h桥级联多电平逆变器的移相空间矢量调制方法调制简单，易于实施，且应用扩展性好。

发明的技术解决方案如下：

一种基于h桥级联多电平逆变器的移相空间矢量调制方法，基于两电平空间矢量调制的参考矢量轨迹模型进行矢量调制，所述的两电平空间矢量调制的参考矢量轨迹模型是指基于α′-β′坐标的参考矢量轨迹模型；

将传统空间矢量调制技术所采用的α-β坐标系经过逆时针旋转45°并压缩轴向比例所得到的坐标系即为α′-β′坐标系，有：

在α′-β′坐标系中，有：

其中，α′和β′分别表示α′-β′坐标系的横坐标和纵坐标，a、b、c分别表示级联多电平逆变器一级的三相输出电平，a、b、c可以取0和1两个电平，0表示低电平，1表示高电平；

α′-β′坐标系具有7个基本矢量：v0(0，0)或v7(0，0)、v1(1，-1)、v2(1，0)、v3(0，1)、v4(-1，1)、v5(-1，0)、v6(0，-1)，vj(*，*)表示基本矢量，其中(*，*)表示该基本矢量的坐标；7个基本矢量有1个零矢量v0或v7，6个非零矢量v1、v2、v3、v4、v5和v6；α′-β′坐标系中的6个非零基本矢量构成一个六边形；

两个相邻的非零矢量与零矢量组成一个扇区三角形，其中v1、v2和v0/v7(“/”表示“或”的意思，下同)构成扇区i，v2、v3和v0/v7构成扇区ii，v3、v4和v0/v7构成扇区iii，v4、v5和v0/v7构成扇区iv，v5、v6和v0/v7构成扇区v，v6、v1和v0/v7构成扇区vi；

所述的基于α′-β′坐标的参考矢量轨迹模型由下式表示：

式中，αr′和βr′分别表示α′-β′坐标系中参考电压矢量vr的坐标值，m表示调制系数，且0＜m≤1，m的大小反应了电源电压的利用率，式(3)所述参考矢量轨迹为一个椭圆，当该椭圆内切6个非零基本矢量构成的六边形时，m为1，电源电压的利用率最大，随着调制系数m的减小，椭圆的半径减小，电源电压的利用率减小。

所述的h桥级联多电平逆变器包括3n个h桥单元，n为每一相h桥的串联级数；

a、b、c三相中，每一相具有n个串联的h桥(h桥为由4个功率管组成的单相逆变桥，具有输入侧和输出侧，输入侧和输出侧分别为直流侧和交流侧)，串联是指n个h桥的输出侧(交流侧)串联；串联的h桥交流端的一端接a或b或c端(a相n个串联的h桥交流端一端接a端，b相n个串联的h桥交流端一端接b端，c相n个串联的h桥交流端一端接c端，)，另一端接n点(交流电网的零点，或称为中线点)。(每一个h桥的输入侧接直流电源，h桥的功率开关由pwm脉冲驱动)

步骤a：判断参考矢量vr所在扇区：

根据公式3所得椭圆形参考电压矢量轨迹，对参考电压矢量进行采样，采样频率为fr，为了满足同步采样的要求，通常采样频率fr是参考电压频率f的整数倍，采样所得参考电压矢量为vr(αr′，βr′)，通过判断参考电压矢量的值确定参考电压矢量所属扇区，具体判断依据如下：

如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区i；

如果αr′≥0&&βr′≥0，则参考矢量vr位于扇区ii；

如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区iii；

如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区iv；

如果αr′≤0&&βr′≤0，则参考矢量vr位于扇区v；

如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区vi；

其中，&&表示与运算，floor(αr′)、floor(βr′)分别表示对αr′、βr′向下取整。

还包括步骤b：计算合成参考矢量的基本矢量作用时间：

确定参考矢量所在扇区的位置后，即可采用该扇区三角形的三个顶点对应基本矢量合成参考矢量，根据伏秒平衡原理计算合成参考矢量的基本矢量作用时间；

各扇区合成参考矢量的基本矢量作用时间为：

扇区i：t0＝ts(1-αr′)，t1＝-tsβr′，t2＝ts(αr′+βr′)；

扇区ii：t0＝ts(1-αr′-βr′)，t2＝tsαr′，t3＝tsβr′

扇区iii：t0＝ts(1-βr′)，t3＝ts(αr′+βr′)，t4＝-tsαr′

扇区iv：t0＝ts(1+αr′)，t4＝tsβr′，t5＝-ts(αr′+βr′)

扇区v：t0＝ts(1+αr′+βr′)，t5＝-tsαr′，t6＝-tsβr′

扇区vi：t0＝ts(1+βr′)，t6＝-ts(αr′+βr′)，t1＝tsαr′；

其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6分别表示矢量v0(v7)、v1、v2、v3、v4、v5、v6的作用时间，ts表示参考电压采样周期，ts＝1/fr。

还包括步骤c：确定切换路径以及各基本矢量的作用时间：

分配零矢量的作用时间和顺序，根据最小切换的原则(即两个基本矢量间的切换每次只能改变某一相的开关状态)，采用七段制调方法确定切换路径。

还包括步骤d：产生三路pwm信号；

基于步骤b中的计算合成参考矢量的基本矢量作用时间，并由七段调制方法产生三路pwm信号，分别控制第一级各h桥逆变单元的左桥臂，将该三路信号移相180°分别控制第一级各h桥逆变单元的右桥臂，级与级之间相应桥臂的控制信号相位互差π/kn，k表示频率调制比，k＝fr/f，其值为参考电压信号采样频率与参考电压信号频率的比值。

有益效果：

本发明针对h桥级联多电平逆变器，基于α′-β′坐标下，实现两电平的空间矢量调制，对两电平空间矢量产生的pwm信号进行移相，作为其它桥臂的开关信号，实现级联多电平逆变器的控制。

本发明的基于h桥级联多电平逆变器的移相空间矢量调制方法，针对空间矢量调制算法随着级联单元数的增加，基本矢量大大增加，存在大量的冗余开关状态矢量，开关状态矢量的选择及其作用时间计算极为复杂等问题，本发明基于α′-β′坐标系，利用移相空间矢量调制策略实现h桥级联多电平逆变器的控制，即用两电平的空间矢量调制方法进行适当的移相实现级联多电平逆变器的控制，将级联多电平逆变器的每一个h桥逆变单元分为左半桥臂和右半桥臂，同一级的h桥逆变单元的三个左半桥臂和三个右半桥臂(三相逆变器，每一级只有三个h桥，一个桥一个左半桥臂和一个右半桥臂，因此只有三个左半桥臂和右半桥臂)分别进行控制，采用两电平空间矢量调制，获得左半桥臂控制信号，把该信号移相180°作为右半桥臂控制信号，级与级之间相应桥臂的控制信号相位互差π/kn。

本发明基于α′-β′坐标，针对h桥级联多电平逆变器，利用移相空间矢量调制策略实现级联多电平逆变器的控制，即用两电平的空间矢量调制方法进行适当的移相实现级联多电平逆变器的控制。该调制方法简单，且易于拓展到n级多电平逆变器。

与传统α-β坐标下移相空间矢量调制方法相比，本发明在确定参考矢量作用时间和参考矢量所在扇区相对较容易，容易用微处理器编程实现，简化了计算，提高了计算机处理速度。

附图说明

图1为α′-β′坐标下两电平空间矢量调制参考矢量轨迹及扇区分布；

图2为扇区i中参考矢量切换顺序及作用时间分配(七段调制方法)；

图3为三个h桥级联逆变电路拓扑结构及pwm信号的分配；

图4为n个h桥级联逆变电路拓扑结构及pwm信号的分配；

图5为三个h桥级联逆变电路相电压输出波形。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1～5，基于α′-β′坐标下h桥级联多电平逆变器移相空间矢量调制方法，所述α′-β′坐标是由传统α-β坐标经过逆时针旋转45°并压缩轴向比例所得到的坐标系，该坐标系的优点是基本矢量全部位于整数坐标点上；所述移相空间矢量调制方法，利用α′-β′坐标系，将级联多电平逆变器的每一个h桥逆变单元分为左半桥臂和右半桥臂，同一级的h桥逆变单元的三个左半桥臂和三个右半桥臂分别进行控制，采用两电平空间矢量调制，获得左半桥臂控制信号，把该信号移相180°作为右半桥臂控制信号，级与级之间逆变单元的调制信号互差一个移相角。该方法简化级联多电平逆变器空间矢量调制方法，使得空间矢量调制方法适用于任意n级多电平逆变器。为了实现基于α′-β′坐标下h桥级联多电平逆变器移相空间矢量调制方法，包括以下控制步骤：

准备步骤：

步骤一：将传统的α-β坐标系转换为α′-β′坐标系，传统空间矢量调制方法的基本矢量表达式为：

s.t.|a|≤n，|b|≤n，|c|≤n

式(1)中，α和β分别表示α-β坐标系中基本矢量的坐标值，a、b、c分别表示级联多电平逆变器三相的输出电平，n表示级联单元数，从公式(1)可以看出，基本矢量(α，β)分布在非整数坐标点上，且由于公式(1)是非齐次线性方程组，开关状态矢量(a，b，c)存在冗余。

将α-β坐标经过逆时针旋转45°并压缩轴向比例所得到的坐标系α′-β′，有：

在α′-β′坐标系中，有：

其中，α′和β′分别表示α′-β′坐标系中基本矢量的坐标值，a、b、c分别表示级联多电平逆变器一级的三相输出电平，a、b、c可以取0和1两个电平，0表示低电平，1表示高电平。

从公式(3)可以看出，基本矢量(α′，β′)分布在整数坐标点上。

根据式(3)可计算出两电平空间矢量调制的7个基本矢量：v0(0，0)或v7(0，0)、v1(1，-1)、v2(1，0)、v3(0，1)、v4(-1，1)、v5(-1，0)、v6(0，-1)，vj(*，*)表示基本矢量，其中(*，*)表示该基本矢量的坐标。7个基本矢量有1个零矢量v0或v7，6个非零矢量v1、v2、v3、v4、v5和v6。两个相邻的非零矢量与零矢量组成一个扇区三角形，其中v1、v2和v0(v7)构成扇区i，v2、v3和v0(v7)构成扇区ii，v3、v4和v0(v7)构成扇区iii，v4、v5和v0(v7)构成扇区iv，v5、v6和v0(v7)构成扇区v，v6、v1和v0(v7)构成扇区vi。

步骤二：在α′-β′坐标下，建立两电平空间矢量调制算法参考矢量轨迹的数学模型为：

式中，αr′和βr′分别表示α′-β′坐标系中参考电压矢量vr的坐标值，m表示调制系数，且0＜m＜1。m的大小反应了电源电压的利用率，式(4)所述参考矢量轨迹为一个椭圆，当该椭圆内切6个非零基本矢量构成的六边形时，m为1，电源电压的利用率最大，随着调制系数m的减小，椭圆的半径减小，电源电压的利用率减小。

步骤a：判断参考矢量vr所在扇区：根据式(4)对参考电压进行采样，采样所得参考矢量为vr(αr′，βr′)，通过判断参考电压矢量的值确定参考电压矢量所属扇区，具体判断依据如下：

如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区i；

如果αr′≥0&&βr′≥0，则参考矢量vr位于扇区ii；

如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区iii；

如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区iv；

如果αr′≤0&&βr′≤0，则参考矢量vr位于扇区v；

如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，则参考矢量vr位于扇区vi；

其中，&&表示与运算，floor(αr′)、floor(βr′)分别表示对αr′、βr′向下取整。

步骤b：计算合成参考矢量的基本矢量作用时间：

确定参考矢量所在扇区的位置后，即可采用该扇区三角形的三个顶点对应基本矢量合成参考矢量，根据伏秒平衡原理计算合成参考矢量的基本矢量作用时间，以扇区i为例，假如参考矢量位于扇区i，则利用基本矢量v1、v2和v0(v7)合成参考矢量vr：

根据基本矢量v1、v2和v0(v7)和参考矢量vr的矢量坐标可得：

t0＝ts(1-αr′)，t1＝-tsβr′，t2＝ts(αr′+βr′)

同理，可得其他扇区合成参考矢量的基本矢量作用时间为：

扇区ii：t0＝ts(1-αr′-βr′)，t2＝tsαr′，t3＝tsβr′

扇区iii：t0＝ts(1-βr′)，t3＝ts(αr′+βr′)，t4＝-tsαr′

扇区iv：t0＝ts(1+αr′)，t4＝tsβr′，t5＝-ts(αr′+βr′)

扇区v：t0＝ts(1+αr′+βr′)，t5＝-tsαr′，t6＝-tsβr′

扇区vi：t0＝ts(1+βr′)，t6＝-ts(αr′+βr′)，t1＝tsαr′；

其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6分别表示矢量v0(v7)、v1、v2、v3、v4、v5、v6的作用时间，ts表示参考电压采样周期。

步骤c：合理分配零矢量的作用时间和顺序，根据最小切换的原则(即两个基本矢量间的切换每次只能改变某一相的开关状态)，采用七段制调方法确定切换路径。

步骤d：由七段调制方法产生三路pwm信号，分别控制第一级各h桥逆变单元的左桥臂，将该三路信号移相180°分别控制第一级各h桥逆变单元的右桥臂，级与级之间相应桥臂的控制信号相位互差π/kn(k表示频率调制比，其值为参考电压信号采样频率与参考电压信号频率的比值)。图1所示α′-β′坐标下两电平空间矢量调制参考矢量轨迹及扇区分布，参考矢量轨迹为倾斜45°的椭圆，连接各非零矢量的终点可得一个倾斜45°的六边形。零矢量与相邻两个非零矢量将六边形分为六个部分，即六个扇区。

采用七段调制方法，当参考矢量位于扇区i中时，合成参考矢量的基本矢量分别为v0(v7)、v1、v2，其切换顺序为v0→v1→v2→v7→v2→v1→v0，相应的作用时间分别为t0/4、t1/2、t2/2、t0/2、t2/2、t1/2、t0/4，图2所示为合成参考矢量的基本矢量切换顺序及作用时间。当参考矢量位于扇区ii中时，合成参考矢量的基本矢量分别为v0(v7)、v2、v3，其切换顺序为v0→v3→v2→v7→v2→v3→v0，相应的作用时间分别为t0/4、t3/2、t2/2、t0/2、t2/2、t3/2、t0/4。当参考矢量位于扇区iii中时，合成参考矢量的基本矢量分别为v0(v7)、v3、v4，其切换顺序为v0→v3→v4→v7→v4→v3→v0，相应的作用时间分别为t0/4、t3/2、t4/2、t0/2、t4/2、t3/2、t0/4。当参考矢量位于扇区iv中时，合成参考矢量的基本矢量分别为v0(v7)、v4、v5，其切换顺序为v0→v5→v4→v7→v4→v5→v0，相应的作用时间分别为t0/4、t5/2、t4/2、t0/2、t4/2、t5/2、t0/4。当参考矢量位于扇区v中时，合成参考矢量的基本矢量分别为v0(v7)、v5、v6，其切换顺序为v0→v5→v6→v7→v6→v5→v0，相应的作用时间分别为t0/4、t5/2、t6/2、t0/2、t6/2、t5/2、t0/4。当参考矢量位于扇区vi中时，合成参考矢量的基本矢量分别为v0(v7)、v6、v1，其切换顺序为v0→v1→v6→v7→v6→v1→v0，相应的作用时间分别为t0/4、t1/2、t6/2、t0/2、t6/2、t1/2、t0/4。

图3所示三个h桥级联逆变电路拓扑结构，每一级h桥逆变单元的左桥臂开关管控制信号由两电平空间矢量调制方法产生，并且同一个h桥左桥臂上、下开关管的信号互补。对应h桥的右桥臂开关管信号由左桥臂的开关管信号移相180°所得。相邻级h桥逆变单元的控制信号互差π/3k相位角。具体信号分配：利用两电平空间矢量调制方法产生三路pwm信号(pwma11、pwmb11、pwmc11)分别控制第一级h桥逆变单元的左上桥臂开关管，将pwma11、pwmb11、pwmc11分别取反得pwma12、pwmb12、pwmc12用于控制左下桥臂开关管。第一级h桥逆变单元的右桥臂上、下开关管控制信号分别由相应的左桥臂信号移相180°所得。第二级三相h桥逆变单元的开关管控制信号分别由第一级相应的控制信号移相π/3k相位角所得。第三级三相h桥逆变单元的开关管控制信号分别由第一级相应的控制信号移相2π/3k所得。

图4所示n个h桥级联逆变电路，第一级h桥逆变单元的控制信号的产生跟图3三个h桥逆变器第一级控制信号产生方法一样，第二级三相h桥逆变单元的开关管控制信号分别由第一级相应的控制信号移相π/n所得。第i级三相h桥逆变单元的开关管控制信号分别由第一级相应的控制信号移相iπ/kn所得。

图5所示为三个h桥级联逆变器输出相电压的仿真波形图。从图上可以看出，输出相电压为7电平，三个相电压互差120°相位，即输出三相电压完全对称。

以上仅为本发明的一个实施例，本发明并不局限于三个h桥级联单元逆变电路拓扑结构，本发明适应于n级h桥级联单元拓扑结构。