集中式多电平调制策略的状态机型脉冲分配方法与流程

本发明属于电气工程技术领域，适用于含冗余状态的模块组合型多电平变换器，涉及一种用于集中式多电平调制策略的脉冲分配方法。

背景技术：

随着智能电网的发展，电力电子技术在高压大功率场合获得了越来越广泛的应用。多电平技术不仅使主流器件应用于高压大功率场合成为可能，同时提供了更加优越的交流侧谐波性能，已成为高压大功率场合应用的主流技术。

多电平技术主要包括多电平拓扑结构和多电平调制技术两部分内容。而多电平调制技术就实现方式而言主要可以分为分布式和集中式两大类，分布式调制关注的是每个模块单元，各个模块都有与之一一对应的调制机构。相反，集中式调制策略没有这种与某一个模块单元相对应的独立脉冲生成模块，而由两大部分组成，一是对总目标调制信号采用选定的调制策略进行电平化，二是对电平化后的调制信号进行脉冲分配。集中式多电平调制技术只需一个脉冲组合分配模块，降低了系统的硬件复杂度。

脉冲分配作为集中式多电平调制技术的重要环节，其关键在于冗余状态的合理选择。冗余状态的选择不合理或不全面将会直接影响模块单元的开关次数，使得某个模块单元导通或关断次数过少，最终导致功率分配不均匀。因此，如何实现脉冲分配环节中冗余状态的合理选择问题已经引起业界关注。

目前，关于集中式调制策略的脉冲分配器的具体设计较少，且常常局限于基于载波层叠的中高频调制策略。另一方面，已有专利设计将模块的直流电容电压和端口电流信号引入分配器，通过电压排序等算法实现直流电压平衡(专利文献1：模块化多电平变换器调制方法及调制控制器CN103812369A)。分配器将冗余状态选择和主动电压平衡算法组合到一起，其优点在于能够解决因模块有功功率差异而引起的直流电压不平衡问题。然而，该方法需要大量的电压传感器，硬件成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集中式多电平调制策略的状态机型脉冲分配方法，以解决现有技术中存在的硬件成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种集中式多电平调制策略的状态机型脉冲分配方法，包括如下步骤：

步骤1，确定多电平变换器输出电压电平等级；

步骤2，划分电平区域：将相邻电平等级划分为一个电平带，对N电平而言，划分为N-1个电平带；

步骤3，对具有冗余状态的电平等级，合理选择其冗余状态：若某一电平等级具有冗余状态，则需要根据开关函数合理选择冗余状态的使用个数，确保各个模块单元导通或关断的次数相同，实现平均各个模块单元的开关动作；

步骤4，对电平带的冗余状态依次排序：在一个电平带内，根据相邻电平等级的切换要求，对冗余状态变化进行按序排列；

步骤5，将各电平带冗余状态变化进行组合得到状态机的切换规则；

步骤6，检测调制信号是否遍历状态机所有状态或路径，如果否，则强制状态切换功能来帮助目标信号完成状态路径遍历；如果是，则输出脉冲信号。

进一步的，步骤3中，对于具有冗余状态电平等级L_k(1≤k≤N)，其冗余状态个数的选择原则为开关函数输出组合中1或者0满足依次左移的规律。

进一步的，步骤4中，所述相邻电平等级的切换要求位：电平等级切换时有且仅有一个模块单元发生动作；刚发生动作的模块单元需等到其他所有模块单元在该电平带都有同样动作后，才能再次作相同动作。

进一步的，步骤5中，对于N电平状态机，由N-1行N列构成，总计有N(N－1)种基本状态，总的切换方式将有2N(N－1)种；最低和最高电平虽然开关组合唯一但仍补足N-1个基本状态。

进一步的，步骤6中，当系统采用较低频率的集中式调制策略时，一个基波周期内开关状态变化较少，会出现调制信号自身无法遍历状态机所有状态或路径的情形；因此，状态机通过强制状态切换功能来帮助目标信号完成路径遍历；选取某一电平等级作为切换目标，为避免产生窄脉冲，在目标调制信号负向过零时强制变更状态，状态强制变更周期为基波周期，在若干个基波周期内使得状态机中的所有路径都得到了遍历；对于N电平状态机，当状态机进行强制状态切换时，选取电平等级L_k(1≤k≤N)为切换目标，在每个基波周期，由状态机的第1行第k个状态开始，需要状态切换时依次向下切换，最终回到第1行第k个状态；整个过程完成N-1次状态切换。

有益效果：本发明能够很好地实现脉冲分配器将电平化后的调制信号遍历状态机中的所有状态。从而各个模块的开关次数在各个电平等级都得到均匀的分配，实现了模块电容电压的自然平衡特性。状态机型脉冲分配器适用于多种不同频率，不同类型的集中式多电平调制策略，无需计算移相角，而只需经过比较得到电平化后的调制信号，具有通用性。同时，针对低频类调制策略无法自动遍历所有状态的情形，该状态机具有状态强制切换功能，使其在若干个基波周期内遍历所有状态路径，使得模块脉冲得到均匀的分配，实现了模块电容电压的自然平衡特性。同时，在一个周波内对所有模块单元仅有总计两次的额外开关动作，最大程度地保证了调制策略的低频特性。

附图说明

图1是状态机型脉冲分配器的总体流程框图；

图2是三种主流的含冗余状态的五电平变换器拓扑结构图；

图3是五电平状态机示意图；

图4是改进状态机示意图；

图5是状态机的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的集中式多电平调制策略的状态机型脉冲分配方法，包括如下步骤：

步骤1，确定多电平变换器输出电压电平等级；

步骤2，划分电平区域：将相邻电平等级划分为一个电平带，对N电平而言，划分为N-1个电平带；

步骤3，对具有冗余状态的电平等级，合理选择其冗余状态：若某一电平等级具有冗余状态，则需要根据开关函数合理选择冗余状态的使用个数，确保各个模块单元导通或关断的次数相同，实现平均各个模块单元的开关动作；

步骤4，对电平带的冗余状态依次排序：在一个电平带内，根据相邻电平等级的切换要求，对冗余状态变化进行按序排列；

步骤5，将各电平带冗余状态变化进行组合得到状态机的切换规则；

步骤6，检测调制信号是否遍历状态机所有状态或路径，如果否，则强制状态切换功能来帮助目标信号完成状态路径遍历；如果是，则输出脉冲信号。

下面根据具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例

图2所示为三种主流的含冗余状态的多电平变换器，分别为飞跨电容型(FC)、级联H桥型(CHB)和半桥模块组合型(MMC)。这里以五电平拓扑结构为例进行分析，三类变换器都由四组以一对开关器件为基本单元的子模块组成。多电平变换器各个模块单元的一对开关的驱动信号可由二进制函数表示，设为σ_k＝{0,1},k＝4,3,2,1，为1时表示器件导通，为0时表示器件关断，同时有且只有一个开关能够导通。交流侧电压为u_o,直流侧电压为U_dc。交流侧电压与直流侧电压的关系满足

$u_o\left(t\right)=\[{\mathrm{\σ}}_4\left(t\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_3\left(t\right)+{\mathrm{\σ}}_2\left(t\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_1\left(t\right)\]\frac{U_{dc}}{4}$

由上可知，交流侧电压由完全相同的开关函数决定，对于四组相互独立的开关函数，总共有2⁴＝16种不同组合。输出电压u_o范围为-U_dc/2到U_dc/2，且被自然地分成了五个电平等级，分别为L₁，L₂，L₃，L₄和L₅，电平阶梯跨度为U_dc/4。定义变量H表示由开关函数σ₄σ₃σ₂σ₁构成的组合状态，其下标表示该组合状态的十六进制数值。其中，最低电平L₁和最高L₅都有且只有一个组合状态表示，并无冗余状态，而中间电平L₂和L₄则能够分别由四种不同的组合状态实现，零电平L₃能够由六种不同的组合状态实现。

在划分电平区域时，由于稳态情况下电平化后的调制信号只会递增或者递减到临近的电平等级，可以将相邻的两个电平等级称之为一个电平带。对五电平变换器而言，可分为四个电平带，分别为：1)L₅-L₄电平带；2)L₄-L₃电平带；3)L₃-L₂电平带；4)L₂-L₁电平带。

在冗余状态选择上，电平等级L₂，L₃和L₄分别具有4，6，4个冗余状态。其中，L₂中4个冗余状态分别为0001(H₁)，0010(H₂)，0100(H₄)，1000(H₈)，四个开关函数有且只有一个输出正逻辑。类似地，L₄中的4个冗余状态分别为0111(H₇)，1011(H_B)，1101(H_D)，1110(H_E)，其中有且只有一个输出反逻辑。为了平均各个模块单元的开关动作，这两个电平等级的四个冗余状态必须全部使用。对于电平等级L₃而言，四个开关函数可以有任意两个输出正逻辑，因此有6种可能的组合，分别为0011(H₃)，0101(H₅)，0110(H₆)，1001(H₉)，1010(H_A)，1100(H_C)。为了平均每个模块单元的开关动作，这6个冗余状态只需要其中的4个即可实现，分别为H₃，H₆，H_C和H₉，它们满足依次左移的规律。

根据左移规则可以将电平等级L₂，L₃和L₄中的冗余状态依次排列为H₁→H₂→H₄→H₈，H₃→H₆→H_C→H₉，H₇→H_E→H_D→H_B。再根据相邻电平等级的切换要求，各电平带内的状态变化满足：

L₅-L₄电平带：H₇→H_F→H_E→H_F→H_D→H_F→H_B→H_F→H₇；

L₄-L₃电平带：H₃→H₇→H₆→H_E→H_C→H_D→H₉→H_B→H₃；

L₃-L₂电平带：H₁→H₃→H₂→H₆→H₄→H_C→H₈→H₉→H₁；

L₂-L₁电平带：H₀→H₁→H₀→H₂→H₀→H₄→H₀→H₈→H₀。

将各电平带之间的切换方式进行组合，即得到五电平状态机的切换规则，如图3所示，总共由20个基本状态组成，用变量S表示，状态的切换方式总计有32种。

当系统采用较低频率的集中式调制策略时，会出现调制信号自身无法遍历状态机所有状态的情形，因此状态机需具有强制状态切换功能来帮助目标信号完成状态遍历。以L₃电平等级为切换目标，为避免产生窄脉冲，在目标调制信号负向过零时，按照如图4所示的方向强制变更状态。

将五电平状态机推广至N电平。N电平状态机有2N(N－1)个基本单元，基本单元由当前状态、目标电平和目标状态，以及目标状态下的开关动作构成，另外附加一位表征该路径的遍历状态。建立二维数组S[2N(N－1)][5]可以用来存储N电平状态机的所有信息。其中，S[i][0]表示第i个基本单元的当前状态，S[i][1]表示第i个基本单元的目标电平，S[i][2]表示第i个基本单元的目标状态，S[i][3]表示第i个基本单元的开关动作，S[i][4]表示第i个基本单元遍历状态，0≤i＜2N(N－1)。

图5所示为N电平状态机的软件流程图。其中，状态机数组S为预存数组，针对不同电平等级拓扑需要独立输入。S表征当前状态值，H为实时开关组合σ_N-1...σ₂σ₁，L和L_pre分别为当前和上一检测时刻电平化后调制信号的电平等级。当每次电平等级发生变化时，根据当前状态和目标电平值，通过查找匹配存储于数组S中的状态机基本单元，更新状态寄存器S和开关组合H的值。同时，在N-1个基波后通过自检各个基本单元的遍历状态，来确定是否进行状态强制切换。在系统动态过程中，当出现更新电平L跨度超过一个电平等级的情形，应通过不断使L_pre自加或者自减1来查找对应最短路径。

本发明由电平区域分类、冗余状态选择、冗余状态排列和状态机设计组成的集中式多电平调制策略的状态机型脉冲分配器，在传统脉冲分配器上进行改进，可以很好地实现脉冲分配器将电平化后的调制信号遍历状态机中的所有状态，从而各个模块的开关次数在各个电平等级都得到均匀的分配，实现了模块电容电压的自然平衡特性。状态机型脉冲分配器适用于多种不同频率，不同类型的集中式多电平调制策略，无需计算移相角，而只需经过比较得到电平化后的调制信号，具有通用性。

同时，针对低频类调制策略无法自动遍历所有状态的情形，该状态机具有状态强制切换功能，使其在若干个基波周期内遍历所有状态路径，且在一个周波内对所有模块单元仅有总计两次的额外开关动作，最大程度地保证了调制策略的低频特性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。