级联多电平逆变器的电流相位估计方法及死区补偿方法

本发明属于电力电子，更具体地，涉及级联多电平逆变器的电流相位估计方法及死区补偿方法。

背景技术：

1、甚低频(3-30khz)电磁波具有传播损耗小和穿透能力强等优点，因此被广泛应用于水下通信、定位导航与授时。为满足甚低频电磁波发射的低谐波、高压和大功率要求，采用级联变压器对h桥逆变子模块输出电平叠加的多电平逆变器成为主要选择。为发射甚低频电磁波，多电平逆变器的基波频率需大于20khz。为抑制低次谐波并减小开关损耗，通常采用开关频率等于基波频率的特定次数谐波消除脉宽调制(selective harmonicelimination pulse width modulation,shepwm)，理论上n个子模块可消除2n-1次及以下的所有谐波。但是，由于功率器件存在开通、关断延时时间，同一桥臂上、下管的工作状态切换时，需要设置死区时间。死区时间的插入导致h桥输出电平缺失，将引入额外的低次谐波，即所谓死区效应。由于高基波频率和多电平数，级联多电平逆变器中死区效应引入的低次谐波成为输出电压的主要谐波来源，严重制约其高频化应用，必须对其加以补偿。

2、由于shepwm为无载波的预编程调制，只能对其采取基于调整pwm脉冲宽度的死区补偿方法。现阶段，基于脉宽的死区补偿方法多针对单个h桥拓扑，针对级联多电平逆变器的研究较少。传统方法需要在死区时间起始时刻检测电流极性，以选择合适的死区补偿动作。但在高频级联多电平逆变器中，由于电流基波频率大于20khz，受限于有限的采样率及电流过零钳位，采样电路很难准确检测电流极性。此外，由于级联多电平逆变器采用分布式控制结构，其主控制器与各h桥子模块间采用光纤通信，存在通信延时。通过采样获取的电流极性信息将滞后实际死区时刻，造成死区电压欠补偿或过补偿，反而导致低次谐波增大。

3、总体而言，现有的高频级联多电平逆变器的死区补偿方法因依赖于电流电测，死区补偿效果较差，难以满足甚低频发射系统的低谐波要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了级联多电平逆变器的电流相位估计方法及死区补偿方法，旨在解决现有的高频级联多电平逆变器的死区补偿方法依赖电流极性检测，死区补偿效果较差，难以满足甚低频发射系统低谐波要求的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种级联多电平逆变器的电流相位估计方法，包括：

3、(s1)计算级联多电平逆变器中h桥子模块理想的电流相位角

4、(s2)分别计算各h桥子模块实际的输出电压的基波分量的傅里叶展开系数后，叠加得到级联多电平逆变器的输出电压umul的基波分量的傅里叶展开系数，并由此计算输出电压umul的基波分量的相位角，作为相位滞后角对于任意一个h桥子模块，其实际的输出电压的基波分量的傅里叶展开系数，计算方式包括：

5、对h桥子模块理想的输出电压uidl进行傅里叶展开，得到输出电压uidl的基波分量的傅里叶展开系数a1_idl和b1_idl；

6、确定死区误差电压ud，并对其进行傅里叶展开，得到死区误差电压ud的基波分量的傅里叶展开系数a1_d和b1_d；当时，ud＝0；当时，死区误差电压ud的电平宽度为幅值为-vdc；当时，死区误差电压ud的电平宽度为δd+δon-δoff，幅值为-vdc；

7、按照a1_s＝a1_idl+a1_d、b1_s＝b1_idl+b1_d计算h桥子模块实际的输出电压us的基波分量的傅里叶展开系数a1_s和b1_s；

8、(s3)按照估计各h桥子模块的电流相位角

9、其中，θs表示h桥子模块的开通角，δon和δoff分别表示开关器件的开通延时时间和关断延时时间对应的角度，δd表示死区时间对应的角度；vdc表示直流母线电压。

10、进一步地，步骤(s1)中，

11、其中，ω0为基波角频率；lc和rc分别表示传输线的寄生电感和寄生电阻；lg和rg分别表示负载电感和负载电阻；k为级联多电平逆变器中的变压器绕组系数；leq和req分别表示级联多电平逆变器的等效漏感和等效绕线电阻。

12、进一步地，req＝n(r1+k2r2)，leq＝n(l1+k2l2)；

13、其中，n表示级联多电平逆变器中级联的变压器个数，r1和r2分别表示变压器的一次侧绕线电阻和二次侧绕线电阻，l1和l2分别表示变压器的一次侧漏感和二次侧漏感。

14、进一步地，当时，

15、当时，

16、当时，

17、进一步地，

18、其中，θe表示h桥子模块的关断角。

19、按照本发明的又一个方面，提供了一种基于电流相位估计的级联多电平逆变器的死区补偿方法，包括：

20、利用本发明提供的级联多电平逆变器的电流相位估计方法估计级联多电平逆变器中各h桥子模块的电流相位角，并根据各h桥子模块的电流相位角计算各h桥子模块的补偿后的开通角；

21、按照补偿后的开通角分配h桥子模块中各开关器件的移相控制信号，实现死区补偿；

22、对于任意一个h桥子模块，以和θs_com分别表示其电流相位角和补偿后的开通角，则：

23、当时，θs_com＝θs；

24、当时，

25、当时，θs_com＝θs-δd_e；

26、其中，θs表示h桥子模块的开通角，δon和δoff分别表示开关器件的开通延时时间和关断延时时间对应的角度，δd表示死区时间对应的角度；δd_e＝δd+δon-δoff为有效死区时间；vdc表示直流母线电压。

27、按照本发明的又一个方面，提供了一种级联多电平逆变器的电流相位估计装置，包括：

28、计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；

29、以及处理器，用于读取计算机可读存储介质中存储的计算机程序，执行本发明提供的级联多电平逆变器的电流相位估计方法。

30、按照本发明的又一个方面，提供了一种基于电流相位估计的级联多电平逆变器的控制器，包括本发明提供的级联多电平逆变器的电流相位估计装置，以及补偿模块和控制模块；

31、补偿模块，用于根据电流相位估计装置估计的电流相位角计算各h桥子模块的补偿后的开通角；

32、控制模块，用于按照补偿后的开通角分配h桥子模块中各开关器件的移相控制信号，实现死区补偿；

33、对于任意一个h桥子模块，以和θs_com分别表示其电流相位角和补偿后的开通角，则：

34、当时，θs_com＝θs；

35、当时，

36、当时，θs_com＝θs-δd_e；δd_e＝δd+δon-δoff为有效死区时间；

37、其中，θs表示h桥子模块的开通角，δon和δoff分别表示开关器件的开通延时时间和关断延时时间对应的角度，δd表示死区时间对应的角度；vdc表示直流母线电压。

38、按照本发明的又一个系统，提供了一种级联多电平逆变器系统，包括：级联多电平逆变器以及本发明提供的基于电流相位估计的级联多电平逆变器的控制器。

39、本发明发现，级联多电平逆变器中将出现三种死区误差，分别为：

40、1、当时，死区期间内无电平丢失，死区误差电压为0；

41、2、当时，从电流过零点至死区时间结束，h桥输出电压为0，死区误差电压为电平宽度等于幅值为-vdc的方波；

42、3、当时，整个死区时间内h桥输出电压为0，死区误差电压为电平宽度等于δd_e，幅值为-vdc的方波，其中δd_e为有效死区时间，定义为δd_e＝δd+δon-δoff。

43、其中，h桥逆变子模块流过电流的相位角θs表示h桥子模块的开通角，δon和δoff分别表示开关器件的开通延时时间和关断延时时间对应的角度，δd表示死区时间对应的角度；δd_e＝δd+δon-δoff为有效死区时间；vdc表示直流母线电压。

44、因此，本发明先估计级联多电平逆变器中h桥子模块内的电流相位值，再相应进行补偿，能够依据级联多电平逆变器拓扑和shepwm调制特点，将死区补偿的关键由传统方法的检测各子模块流过电流极性，转变为了获取变压器原边级联电流的相位。

45、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

46、(1)本发明提供的级联多电平逆变器的电流相位估计方法，首先计算级联多电平逆变器中h桥子模块理想的电流相位角并基于计算结果估计所对应的死区误差情况，获得相应的误差电压，完成相位滞后角的计算，结合和即可完成h桥子模块电流相位角的估计，为后续的死区补偿提供明确的依据，并修正死区效应导致的输出电压相位滞后的影响。本发明中，h桥子模块电流相位角的估计不依赖于电流极性检测，并且由于h桥子模块理想的电流相位角由拓扑决定，可直接在主控制器端计算，省去了光纤通信延时时间，因此，可以在后续的死区补偿中有效抑制死区效应引入的低次谐波。

47、(2)本发明提供的级联多电平逆变器的电流相位估计方法，在其优选方案中，h桥子模块理想的电流相位角的计算，以及计算电流相位角时所涉及的级联多电平逆变器的等效漏感和等效绕线电阻这些参数的计算，均是通过将级联变压器解耦变换为二端口γ型电路并考虑寄生参数而构建的级联多电平逆变器系统模型完成的，计算准确度高且复杂度低。

48、(3)本发明提供的基于电流相位估计的级联多电平逆变器的死区补偿方法，在估计得到各h桥子模块实际的电流相位角后，判断其所对应的死区误差情况，相应地对各h桥子模块中开关器件的开通角进行补偿，并按照补偿后的开通角分配h桥子模块中各开关器件的移相控制信号，由此能够有效补偿死区效应导致的电平畸变，同时，由于电流相位角的估计不依赖于电流检测，省去了电流极性检测和光纤通信延时时间，在高频级联拓扑中可有效抑制死区效应引入的低次谐波，显著提升波形质量。