一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法
【专利摘要】本发明公开了一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法。该算法直接利用abc三维直角坐标系，把开关状态矢量直接映射到三维空间坐标系中，形成三维空间坐标系中的基本矢量，把逆变器参考电压归一化以后投影到abc坐标系上，确定包含参考电压矢量的单位立方体，在该立方体中确定距离参考电压矢量最近的基本矢量，并以此基本矢量为基准矢量，确定距离该基准矢量最近的三个基本矢量，以此四个基本矢量合成参考矢量，并采用七段算法实现在四个基本矢量之间的切换。该算法不需要进行坐标变换，具有开关次数少、电压利用率高、计算量小和便于数字化实现等优点。
【专利说明】
一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法
技术领域
[0001] 本发明涉及到级联多电平逆变器调制领域，特指一种级联多电平逆变器三维空间 矢量调制算法。
【背景技术】
[0002] 级联多电平逆变器是多个单相逆变单元串联组成的逆变器拓扑结构，与飞跨电 容箝位型、二极管箝位型多电平逆变器及衍生的多电平逆变器相比，开关器件上的电压应 力小、模块化程度高、易于扩展和控制、可靠性好、输出电压谐波畸变系数小、故障容错能力 强，其用低压电力电子器件实现高压大功率电能转换，可应用于高压直流输电、静止同步补 偿器和有源电力滤波器、光伏发电和燃料电池发电等再生能源装置以及大功率高压变频电 机驱动等高压大功率装置中。
[0003] 目前级联多电平逆变器的调制方法主要有：载波调制PWM法、空间矢量PWM法 (Space Vector PWM-SVPWM或SVM)和特定谐波消除PWM法等，随着研究的深入，在上述三类 主要PWM控制方法中，根据不同的电路拓扑结构和控制要求，又派生出许多具体的多电平 PWM控制方法，其中以载波调制PWM方法和SVPWM方法研究及应用较多。
[0004] 载波调制PWM法、特定谐波消除PWM法及其派生的PWM调制算法存在开关次数多、 开关损耗大、电压利用率低等缺点，SVPWM算法是正弦脉冲宽度调制（SPWM)技术与电动机 磁通链圆形轨迹直接组合的一种PWM控制技术，该调制技术具有直流电压利用率高、开关 频率低、开关损耗小等优点，但其必须实现坐标变换，存在计算工作量大、冗余开关状态矢 量多、开关切换路径选择越复杂、不适合级数大于三的多电平逆变器等问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对目前级联多电平逆变器调制算法存在的上述问题，提出一种 级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，此算法直接利用abc三维直角坐标系，把逆变 器参考电压归一化以后投影到abc坐标系上，确定包含参考电压矢量的单位立方体，并在 该单位立方体的八个顶点矢量中确定四个矢量合成参考矢量，然后在所得四个矢量之间采 用七段算法进行切换。该算法不需要进行坐标变换，具有开关次数少、电压利用率高、计算 量小和便于数字化实现等优点。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] -种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，包括以下步骤：
[0008] 第一步，把开关状态矢量（a，b，c)映射到abc三维空间坐标系 中，< a < n，_n < b < n，_n < c < η 和 | a_b | < 2n，| b_c | < 2n，| a_c | < 2η (η 表不 某一相的级联单元数），得到开关状态矢量点集，且所有开关状态矢量位于单位立方体的顶 点，称为基本矢量。
[0009] 第二步，将期望输出的三相电压u"fa，urafb，作为参考电压，以E(E为级联逆变 单元输入直流电压）为基准归一化：
[0010]
(l)
[0011] 第三步，把（~，tv cj投影到abc三维坐标上，即为参考电压矢量，巧 表示参考矢量，（ap 1\，cj表示f对应的矢量坐标（后面出现的Μ(*,*,*)表示相同的概念）， 根据参考电压的变化，所得参考矢量形成参考矢量轨迹。
[0012] 第四步，对参考电压矢量采样，并对参考矢量各个分量取整得：
[0013]
(2)
[0014] 式⑵中的int⑷表示取整函数。
[0015] 第五步，以基本矢量（a。匕，Cl)和（ai+l，h+1， Cl+1)作为一个单位立方体的对角 线上的两个顶点，该单位立方体包含参考电压矢量，该单位立方体的另外6个顶 点对应的基本矢量分别是（a^ bp Ci+1)、（afl，bp Ci+1)、（afl，bp cD、（a" h+1，cD、（a^ h+l，c^+1)、（ajl，h+l，cD 〇
[0016] 第六步，在包含参考电压矢量的单位立方体上寻找距离该参考矢量最 近的基本矢量，并以该基本矢量为基准巧，确定单位立方体上距离该基准矢量最近的另外 三个基本矢量匕匕巧。
[0017] 第七步，根据伏秒平衡原理，以第六步所得四个基本矢量巧合成参考矢 量，
[0018] (3)
[0019] 式⑶中，t。，t2, 别表示基本矢量巧,巧，乙K的作用时间，T s表示采样周 期。
[0020] 第八步，采用七段算法，在上述四个基本矢量之间进行切换，切换顺序为： K每次的作用时间为t。/4,巧的作用时间分别为 11 赁 ? ?3 °
[0021] 第九步，为了跟踪参考矢量的变化，重复第四~第八步，实现级联多电平逆变器的 二维空间矢量调制。
[0022] 与现有技术相比，本发明的上述方案，简化了级联多电平逆变器的调制算法，不需 要进行坐标变换，避免了复杂的三角函数和无理数计算，并且能根据参考电压的变换，输出 对称和不对称三相电压。
【附图说明】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024] 图1是本发明的实施步骤框图。
[0025] 图2是实施例图。
[0026] 图3是实施例中情况1在一个采样周期中的切换波形图。
【具体实施方式】
[0027] 以η级逆变器为例，每个逆变单元输入的直流电压为E。期望输出的三相电压 分别为ι^ fa、u1?fb、u1?f。，以E为基准，把期望输出电压归一化，根据式（l)得参考电压矢量 。根据式（2)对参考电压矢量各个分量取整得基本矢量（ap bp Α)，则基本矢量 (ap bp cD和（afl，h+1，Ci+1)作为一个单位立方体的对角线上的两个顶点，该单位立方 体包含参考电压矢里。
[0028] 根据图2实施例图，判断单位立方体上距离参考矢量最近的基本矢量，并以该矢 量为基准Κ，在单位立方体上寻找另外三个距离基本矢量Κ最近的三个基本矢量巧， 从图2可以看出，尤分别是基准矢量Κ沿着三个坐标轴的方向变化一个单位所得的基 本矢量，根据（ay tv cj相对于（ai，bp Cl)的位置，存在八种可能的情况。
[0029] 情况 1 : 0 < ar-a! < 0 · 5、0 < b r_b! < 0 · 5、0 < c r_c! < 0 · 5， 基准矢量为gOptq)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为 ipq)、6(4,4+1,9)、FJflptq+l)，根据式（3)计算对应的作用时 间为：
[0030]
(4)
[0031] 情况 2 : 0 < ar-a! < 0 · 5、0 < b r_b! < 0 · 5、0 · 5 < c r_c! < 1 时，基准矢量为ghjyi)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为 Μα+Ι,',α+Ι)、根据式（3)计算对应的 作用时间为：
[0032]
(5)
[0033] 情况 3 : 0 < ar-a! < 0 · 5、0 · 5 < b r_b! < 1、0 < c r_c! < 0 · 5 时，基准矢量为+i,Cl)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为 +l,Cl)、K(fll +1,爿 +l,q)、、Κ(αιΛ +l,Cl +1)，根据式（3)计算对应的 作用时间为：
[0034]
[0035] 情况 4 :0 彡 5、0· 5 < b 厂比；1、0· 5 < c r_Cl< 1 时， 基准矢量为^(ΑΛ+Ια+ι)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为 GhA+hq+l)、6(4+14+1,9+1)、+1)^(4,4+1,9)，根据式（3)计算对 应的作用时间为：
[0036]
[0037] 情况 5 : 0 · 5 < ar-a! < 1、0 < b r_b! < 0 · 5、0 < c r_c! < 0 · 5 时，基准矢量为+l,6pCl)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为 FgOOpq)、、6(4+1,4+1,9) +1,6,,9+1),根据式（3)计算对应的 作用时间为：
[0038]
[0039] 情况 6 :0· 5 < ar-ai< 1、0 彡 b 厂比彡 0· 5、0· 5 < c r_Cl< 1 时， 基准矢量为Kh+Hq+l)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为 GOi+lJpq+l)、ΚΟΑα+Ι)、6((?+1,?+1,4+1)^3(^+1,4，《^)，根据式（3)计算对 应的作用时间为：
[0040]
[0041] 情况 7 :0· 5 < ar-ai< 1、0· 5 < b r-b!; 1、0 彡 c r-Cl< 0· 5 时， 基准矢量为6(4 +1Λ +l,Cl)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为 匕(〇1+1,61+1，<:1)、厂1〇 1,61+1，<;1)、厂2〇1+1，6 1,￡1)、6〇1+1，61+1,(^+1)，根据式（3)计算 对应的作用时间为：
[0042]
[0043] 情况 8 :0· 5 < ar-ai< 1、0· 5 < b r-bi; 1、0· 5 < c r_Cl< 1 时，基准矢量 为+l,c, +1)，合成参考矢量的四个基本矢量分别为6(? +1A +l，q +1)、 巧01,61+1，￡；1+1)、：^(4+1，6 1，1+1)、巧(叫+1名+1，1)，根据式（3)计算对应的作用时间 为：
[0044]
[0045] 根据以上八种情况及所计算的作用时间，确定切换路径，以情况1所得4个基本矢 量合成参考矢量为例，采用七段算法，把基准矢量，& pCl)的作用时间t。四等分，与其他 三个基本矢量交替切换，所得切换波形如附图3所示，在一个采样周期，开关管切换7次，其 他七种情况同理也可实现七段算法。
[0046] 为了跟踪参考电压矢量的变化，重复上述工作。
【主权项】
1. 一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于：直接对级联多电平逆 变器的参考电压进行采样，取归一化值，并映射到三维空间坐标系中，以包含参考电压矢量 的单位立方体上距离参考电压矢量最近的基本矢量为基准矢量，确定该单位立方体上距离 该基准矢量最近的三个基本矢量，以此四个基本矢量合成参考矢量，并采用七段算法实现 在四个基本矢量之间的切换。2. 如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于把 开关状态矢量（a，b，c)映射到三维空间坐标中，得到开关状态矢量点集，且所有开关状态 矢量位于单位立方体的顶点，称为基本矢量。3. 如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于将 期望输出的三相电压u1?fa， Ul?fb，Uraf。作为参考电压，以E(E为级联逆变单元输入直流电压） 为基准归一化：(1) 04. 如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于把 (ap Iv C1O投影到abc三维坐标上，C,)即为参考电压矢量。5. 如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于对 参考电压矢量采样，并对参考矢量各个分量取整得：(2) 。6. 如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于以 基本矢量（ap bp C1)和（ajl，h+l，Ci+Ι)作为一个单位立方体的对角线上的两个顶点，该 单位立方体包含参考电压矢量ZV,Cj，该单位立方体的另外6个顶点对应的基本矢量 分别是（a!，b!，h+1)、（a!+l，b!，h+1)、（a!+l，b!，C1)、（a!，h+l，C1)、（a!，h+l，h+1)、（a!+l， bi+1，Ci) 〇7. 如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于 在包含参考电压矢量的单位立方体上寻找距离该参考矢量最近的基本矢量，并 以该基本矢量为基准巧，确定该单位立方体上距离该基准矢量最近的另外三个基本矢量8. 如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法，其特征在于根 据伏秒平衡原理，以所得四个基本矢量巧合成参考矢量， (3) 式⑶中，t。，t2,〖3分别表示基本矢量6，1乙巧的作用时间，1^表示采样周期。9.如权利要求1所述的一种级联多电平逆变器三维空间矢量调制算法， 其特征在于采用七段算法，在上述四个基本矢量之间进行切换，切换顺序为： - K - - ，巧每次的作用时间为tQ/4, 的作用时间分别为 11 赁 ? ?3 °
【文档编号】H02M7/49GK105897027SQ201410840527
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月18日
【发明人】王翠, 章云, 唐雄民
【申请人】广东工业大学