一種基於移相空間矢量調製方法的H橋級聯多電平逆變器與流程
2023-07-25 10:12:26 1
本發明屬於逆變器調製領域，涉及一種基於移相空間矢量調製方法的h橋級聯多電平逆變器。
背景技術：
由於受電力電子器件電壓和容量的限制，傳統的兩電平逆變器通常採用「高-低-高」方式經變壓器降壓和升壓獲得高壓大功率變換，或採用多個小容量逆變單元經多繞組變壓器多重化實現高壓大功率變換，這兩種高壓大功率變流器的系統效率比較低，人們希望利用直接高壓逆變技術提高系統效率。因此，基於電力電子器件直接串聯和並聯的高壓大功率兩電平逆變技術被研究，然而，由於電力電子器件的特性，串並聯電力電子器件對動靜態均壓、均流的要求非常高，且這種兩電平變流器的輸出電壓諧波含量高，輸出濾波器設計複雜，不適合實際應用。基於上述原因，級聯多電平逆變技術被廣泛應用於高壓大功率變流器中。
級聯多電平逆變器的調製方法主要分為最近電平調製、載波層疊調製、載波移相調製、空間矢量調製等。級聯多電平逆變器空間矢量調製方法與載波調製方法相比，具有諧波特性好、電壓利用率高、開關損耗低、便於數字實現等優點。
但空間矢量調製方法隨著級聯單元數n的增加，基本矢量數量大大增加，且對應一個基本矢量，其存在多個冗餘開關狀態矢量，開關狀態矢量的選擇及其作用時間計算極為複雜，開關狀態矢量切換路徑多樣，導致空間矢量調製方法實現困難。
因此，有必要設計一種基於移相空間矢量調製方法的h橋級聯多電平逆變器。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種基於移相空間矢量調製方法的h橋級聯多電平逆變器，該基於移相空間矢量調製方法的h橋級聯多電平逆變器的脈衝調製簡單，易於實施。
發明的技術解決方案如下：
一種基於移相空間矢量調製方法的h橋級聯多電平逆變器，包括逆變器本體以及控制器；控制器用於向逆變器本體中的功率開關發送pwm脈衝；
逆變器本體包括3n個h橋單元，n為每一相h橋的串聯級數；a、b、c三相中，每一相具有n個串聯的h橋(h橋為由4個功率管組成的單相逆變橋，具有輸入側和輸出側，輸入側和輸出側分別為直流側和交流側)，串聯是指n個h橋的輸出側(交流側)串聯；串聯的h橋交流端的一端接a或b或c端(a相n個串聯的h橋交流端一端接a端，b相n個串聯的h橋交流端一端接b端，c相n個串聯的h橋交流端一端接c端，)，另一端接n點(交流電網的零點，或稱為中線點)。每一個h橋的輸入側接直流電源，h橋的功率開關由pwm脈衝驅動。
基於兩電平空間矢量調製的參考矢量軌跡模型進行矢量調製，所述的兩電平空間矢量調製的參考矢量軌跡模型是指基於α′-β′坐標的參考矢量軌跡模型；
將傳統空間矢量調製技術所採用的α-β坐標系經過逆時針旋轉45°並壓縮軸向比例所得到的坐標系即為α′-β′坐標系，有：
在α′-β′坐標系中，有：
其中，α′和β′分別表示α′-β′坐標系的橫坐標和縱坐標，a、b、c分別表示級聯多電平逆變器一級的三相輸出電平，a、b、c可以取0和1兩個電平，0表示低電平，1表示高電平；
α′-β′坐標系具有7個基本矢量：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(*，*)表示該基本矢量的坐標；7個基本矢量有1個零矢量v0或v7，6個非零矢量v1、v2、v3、v4、v5和v6；α′-β′坐標系中的6個非零基本矢量構成一個六邊形；
兩個相鄰的非零矢量與零矢量組成一個扇區三角形，其中v1、v2和v0/v7(「/」表示「或」的意思，下同)構成扇區i，v2、v3和v0/v7構成扇區ii，v3、v4和v0/v7構成扇區iii，v4、v5和v0/v7構成扇區iv，v5、v6和v0/v7構成扇區v，v6、v1和v0/v7構成扇區vi；
所述的基於α′-β′坐標的參考矢量軌跡模型由下式表示：
式中，αr′和βr′分別表示α′-β′坐標系中參考電壓矢量vr的坐標值，m表示調製係數，且0＜m≤1，m的大小反應了電源電壓的利用率，式(3)所述參考矢量軌跡為一個橢圓，當該橢圓內切6個非零基本矢量構成的六邊形時，m為1，電源電壓的利用率最大，隨著調製係數m的減小，橢圓的半徑減小，電源電壓的利用率減小。
步驟a：判斷參考矢量vr所在扇區：
根據公式3所得橢圓形參考電壓矢量軌跡，對參考電壓矢量進行採樣，採樣頻率為fr，為了滿足同步採樣的要求，通常採樣頻率fr是參考電壓頻率f的整數倍，採樣所得參考電壓矢量為vr(αr′，βr′)，通過判斷參考電壓矢量的值確定參考電壓矢量所屬扇區，具體判斷依據如下：
如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區i；
如果αr′≥0&&βr′≥0，則參考矢量vr位於扇區ii；
如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區iii；
如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區iv；
如果αr′≤0&&βr′≤0，則參考矢量vr位於扇區v；
如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區vi；
其中，&&表示與運算，floor(αr′)、floor(βr′)分別表示對αr′、βr′向下取整。
還包括步驟b：計算合成參考矢量的基本矢量作用時間：
確定參考矢量所在扇區的位置後，即可採用該扇區三角形的三個頂點對應基本矢量合成參考矢量，根據伏秒平衡原理計算合成參考矢量的基本矢量作用時間；
各扇區合成參考矢量的基本矢量作用時間為：
扇區i：t0＝ts(1-αr′)，t1＝-tsβr′，t2＝ts(αr′+βr′)；
扇區ii：t0＝ts(1-αr′-βr′)，t2＝tsαr′，t3＝tsβr′
扇區iii：t0＝ts(1-βr′)，t3＝ts(αr′+βr′)，t4＝-tsαr′
扇區iv：t0＝ts(1+αr′)，t4＝tsβr′，t5＝-ts(αr′+βr′)
扇區v：t0＝ts(1+αr′+βr′)，t5＝-tsαr′，t6＝-tsβr′
扇區vi：t0＝ts(1+βr′)，t6＝-ts(αr′+βr′)，t1＝tsαr′；
其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6分別表示矢量v0(v7)、v1、v2、v3、v4、v5、v6的作用時間，ts表示參考電壓採樣周期，ts＝1/fr。
還包括步驟c：確定切換路徑以及各基本矢量的作用時間：
分配零矢量的作用時間和順序，根據最小切換的原則(即兩個基本矢量間的切換每次只能改變某一相的開關狀態)，採用七段制調方法確定切換路徑。
還包括步驟d：產生三路pwm信號；
基於步驟b中的計算合成參考矢量的基本矢量作用時間，並由七段調製方法產生三路pwm信號，分別控制第一級各h橋逆變單元的左橋臂，將該三路信號移相180°分別控制第一級各h橋逆變單元的右橋臂，級與級之間相應橋臂的控制信號相位互差π/kn，k表示頻率調製比，k＝fr/f，其值為參考電壓信號採樣頻率與參考電壓信號頻率的比值。
有益效果：
本發明針對h橋級聯多電平逆變器，基於α′-β′坐標下，實現兩電平的空間矢量調製，對兩電平空間矢量產生的pwm信號進行移相，作為其它橋臂的開關信號，實現級聯多電平逆變器的控制。
本發明的基於移相空間矢量調製方法的h橋級聯多電平逆變器，針對空間矢量調製算法隨著級聯單元數的增加，基本矢量大大增加，存在大量的冗餘開關狀態矢量，開關狀態矢量的選擇及其作用時間計算極為複雜等問題，本發明基於α′-β′坐標系，利用移相空間矢量調製策略實現h橋級聯多電平逆變器的控制，即用兩電平的空間矢量調製方法進行適當的移相實現級聯多電平逆變器的控制，將級聯多電平逆變器的每一個h橋逆變單元分為左半橋臂和右半橋臂，同一級的h橋逆變單元的三個左半橋臂和三個右半橋臂(三相逆變器，每一級只有三個h橋，一個橋一個左半橋臂和一個右半橋臂，因此只有三個左半橋臂和右半橋臂)分別進行控制，採用兩電平空間矢量調製，獲得左半橋臂控制信號，把該信號移相180°作為右半橋臂控制信號，級與級之間相應橋臂的控制信號相位互差π/kn。
本發明基於α′-β′坐標，針對h橋級聯多電平逆變器，利用移相空間矢量調製策略實現級聯多電平逆變器的控制，即用兩電平的空間矢量調製方法進行適當的移相實現級聯多電平逆變器的控制。該調製方法簡單，且易於拓展到n級多電平逆變器。
與傳統α-β坐標下移相空間矢量調製方法相比，本發明在確定參考矢量作用時間和參考矢量所在扇區相對較容易，容易用微處理器編程實現，簡化了計算，提高了計算機處理速度。
附圖說明
圖1為α′-β′坐標下兩電平空間矢量調製參考矢量軌跡及扇區分布；
圖2為扇區i中參考矢量切換順序及作用時間分配(七段調製方法)；
圖3為三個h橋級聯逆變電路拓撲結構及pwm信號的分配；
圖4為n個h橋級聯逆變電路拓撲結構及pwm信號的分配；
圖5為三個h橋級聯逆變電路相電壓輸出波形。
具體實施方式
以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明：
實施例1：如圖1～5，一種基於移相空間矢量調製方法的h橋級聯多電平逆變器，包括逆變器本體以及控制器；控制器用於向逆變器本體中的功率開關發送pwm脈衝；
逆變器本體包括3n個h橋單元，n為每一相h橋的串聯級數；a、b、c三相中，每一相具有n個串聯的h橋(h橋為由4個功率管組成的單相逆變橋，具有輸入側和輸出側，輸入側和輸出側分別為直流側和交流側)，串聯是指n個h橋的輸出側(交流側)串聯；串聯的h橋交流端的一端接a或b或c端(a相n個串聯的h橋交流端一端接a端，b相n個串聯的h橋交流端一端接b端，c相n個串聯的h橋交流端一端接c端，)，另一端接n點(交流電網的零點，或稱為中線點)。每一個h橋的輸入側接直流電源，h橋的功率開關由pwm脈衝驅動。
本發明採用基於α′-β′坐標下h橋級聯多電平逆變器移相空間矢量調製方法，所述α′-β′坐標是由傳統α-β坐標經過逆時針旋轉45°並壓縮軸向比例所得到的坐標系，該坐標系的優點是基本矢量全部位於整數坐標點上；所述移相空間矢量調製方法，利用α′-β′坐標系，將級聯多電平逆變器的每一個h橋逆變單元分為左半橋臂和右半橋臂，同一級的h橋逆變單元的三個左半橋臂和三個右半橋臂分別進行控制，採用兩電平空間矢量調製，獲得左半橋臂控制信號，把該信號移相180°作為右半橋臂控制信號，級與級之間逆變單元的調製信號互差一個移相角。該方法簡化級聯多電平逆變器空間矢量調製方法，使得空間矢量調製方法適用於任意n級多電平逆變器。為了實現基於α′-β′坐標下h橋級聯多電平逆變器移相空間矢量調製方法，包括以下控制步驟：
準備步驟：
步驟一：將傳統的α-β坐標系轉換為α′-β′坐標系，傳統空間矢量調製方法的基本矢量表達式為：
s.t.|a|≤n，|b|≤n，|c|≤n
式(1)中，α和β分別表示α-β坐標系中基本矢量的坐標值，a、b、c分別表示級聯多電平逆變器三相的輸出電平，n表示級聯單元數，從公式(1)可以看出，基本矢量(α，β)分布在非整數坐標點上，且由於公式(1)是非齊次線性方程組，開關狀態矢量(a，b，c)存在冗餘。
將α-β坐標經過逆時針旋轉45°並壓縮軸向比例所得到的坐標系α′-β′，有：
在α′-β′坐標系中，有：
其中，α′和β′分別表示α′-β′坐標系中基本矢量的坐標值，a、b、c分別表示級聯多電平逆變器一級的三相輸出電平，a、b、c可以取0和1兩個電平，0表示低電平，1表示高電平。
從公式(3)可以看出，基本矢量(α′，β′)分布在整數坐標點上。
根據式(3)可計算出兩電平空間矢量調製的7個基本矢量：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(*，*)表示該基本矢量的坐標。7個基本矢量有1個零矢量v0或v7，6個非零矢量v1、v2、v3、v4、v5和v6。兩個相鄰的非零矢量與零矢量組成一個扇區三角形，其中v1、v2和v0(v7)構成扇區i，v2、v3和v0(v7)構成扇區ii，v3、v4和v0(v7)構成扇區iii，v4、v5和v0(v7)構成扇區iv，v5、v6和v0(v7)構成扇區v，v6、v1和v0(v7)構成扇區vi。
步驟二：在α′-β′坐標下，建立兩電平空間矢量調製算法參考矢量軌跡的數學模型為：
式中，αr′和βr′分別表示α′-β′坐標系中參考電壓矢量vr的坐標值，m表示調製係數，且0＜m＜1。m的大小反應了電源電壓的利用率，式(4)所述參考矢量軌跡為一個橢圓，當該橢圓內切6個非零基本矢量構成的六邊形時，m為1，電源電壓的利用率最大，隨著調製係數m的減小，橢圓的半徑減小，電源電壓的利用率減小。
步驟a：判斷參考矢量vr所在扇區：根據式(4)對參考電壓進行採樣，採樣所得參考矢量為vr(αr′，βr′)，通過判斷參考電壓矢量的值確定參考電壓矢量所屬扇區，具體判斷依據如下：
如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區i；
如果αr′≥0&&βr′≥0，則參考矢量vr位於扇區ii；
如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)＞(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區iii；
如果αr′＜0&&βr′＞0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區iv；
如果αr′≤0&&βr′≤0，則參考矢量vr位於扇區v；
如果αr′≥0&&βr′≤0&&(αr′+βr′)≤(1+floor(αr′)+floor(βr′))，則參考矢量vr位於扇區vi；
其中，&&表示與運算，floor(αr′)、floor(βr′)分別表示對αr′、βr′向下取整。
步驟b：計算合成參考矢量的基本矢量作用時間：
確定參考矢量所在扇區的位置後，即可採用該扇區三角形的三個頂點對應基本矢量合成參考矢量，根據伏秒平衡原理計算合成參考矢量的基本矢量作用時間，以扇區i為例，假如參考矢量位於扇區i，則利用基本矢量v1、v2和v0(v7)合成參考矢量vr：
根據基本矢量v1、v2和v0(v7)和參考矢量vr的矢量坐標可得：
t0＝ts(1-αr′)，t1＝-tsβr′，t2＝ts(αr′+βr′)
同理，可得其他扇區合成參考矢量的基本矢量作用時間為：
扇區ii：t0＝ts(1-αr′-βr′)，t2＝tsαr′，t3＝tsβr′
扇區iii：t0＝ts(1-βr′)，t3＝ts(αr′+βr′)，t4＝-tsαr′
扇區iv：t0＝ts(1+αr′)，t4＝tsβr′，t5＝-ts(αr′+βr′)
扇區v：t0＝ts(1+αr′+βr′)，t5＝-tsαr′，t6＝-tsβr′
扇區vi：t0＝ts(1+βr′)，t6＝-ts(αr′+βr′)，t1＝tsαr′；
其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6分別表示矢量v0(v7)、v1、v2、v3、v4、v5、v6的作用時間，ts表示參考電壓採樣周期。
步驟c：合理分配零矢量的作用時間和順序，根據最小切換的原則(即兩個基本矢量間的切換每次只能改變某一相的開關狀態)，採用七段制調方法確定切換路徑。
步驟d：由七段調製方法產生三路pwm信號，分別控制第一級各h橋逆變單元的左橋臂，將該三路信號移相180°分別控制第一級各h橋逆變單元的右橋臂，級與級之間相應橋臂的控制信號相位互差π/kn(k表示頻率調製比，其值為參考電壓信號採樣頻率與參考電壓信號頻率的比值)。圖1所示α′-β′坐標下兩電平空間矢量調製參考矢量軌跡及扇區分布，參考矢量軌跡為傾斜45°的橢圓，連接各非零矢量的終點可得一個傾斜45°的六邊形。零矢量與相鄰兩個非零矢量將六邊形分為六個部分，即六個扇區。
採用七段調製方法，當參考矢量位於扇區i中時，合成參考矢量的基本矢量分別為v0(v7)、v1、v2，其切換順序為v0→v1→v2→v7→v2→v1→v0，相應的作用時間分別為t0/4、t1/2、t2/2、t0/2、t2/2、t1/2、t0/4，圖2所示為合成參考矢量的基本矢量切換順序及作用時間。當參考矢量位於扇區ii中時，合成參考矢量的基本矢量分別為v0(v7)、v2、v3，其切換順序為v0→v3→v2→v7→v2→v3→v0，相應的作用時間分別為t0/4、t3/2、t2/2、t0/2、t2/2、t3/2、t0/4。當參考矢量位於扇區iii中時，合成參考矢量的基本矢量分別為v0(v7)、v3、v4，其切換順序為v0→v3→v4→v7→v4→v3→v0，相應的作用時間分別為t0/4、t3/2、t4/2、t0/2、t4/2、t3/2、t0/4。當參考矢量位於扇區iv中時，合成參考矢量的基本矢量分別為v0(v7)、v4、v5，其切換順序為v0→v5→v4→v7→v4→v5→v0，相應的作用時間分別為t0/4、t5/2、t4/2、t0/2、t4/2、t5/2、t0/4。當參考矢量位於扇區v中時，合成參考矢量的基本矢量分別為v0(v7)、v5、v6，其切換順序為v0→v5→v6→v7→v6→v5→v0，相應的作用時間分別為t0/4、t5/2、t6/2、t0/2、t6/2、t5/2、t0/4。當參考矢量位於扇區vi中時，合成參考矢量的基本矢量分別為v0(v7)、v6、v1，其切換順序為v0→v1→v6→v7→v6→v1→v0，相應的作用時間分別為t0/4、t1/2、t6/2、t0/2、t6/2、t1/2、t0/4。
圖3所示三個h橋級聯逆變電路拓撲結構，每一級h橋逆變單元的左橋臂開關管控制信號由兩電平空間矢量調製方法產生，並且同一個h橋左橋臂上、下開關管的信號互補。對應h橋的右橋臂開關管信號由左橋臂的開關管信號移相180°所得。相鄰級h橋逆變單元的控制信號互差π/3k相位角。具體信號分配：利用兩電平空間矢量調製方法產生三路pwm信號(pwma11、pwmb11、pwmc11)分別控制第一級h橋逆變單元的左上橋臂開關管，將pwma11、pwmb11、pwmc11分別取反得pwma12、pwmb12、pwmc12用於控制左下橋臂開關管。第一級h橋逆變單元的右橋臂上、下開關管控制信號分別由相應的左橋臂信號移相180°所得。第二級三相h橋逆變單元的開關管控制信號分別由第一級相應的控制信號移相π/3k相位角所得。第三級三相h橋逆變單元的開關管控制信號分別由第一級相應的控制信號移相2π/3k所得。
圖4所示n個h橋級聯逆變電路，第一級h橋逆變單元的控制信號的產生跟圖3三個h橋逆變器第一級控制信號產生方法一樣，第二級三相h橋逆變單元的開關管控制信號分別由第一級相應的控制信號移相π/n所得。第i級三相h橋逆變單元的開關管控制信號分別由第一級相應的控制信號移相iπ/kn所得。
圖5所示為三個h橋級聯逆變器輸出相電壓的仿真波形圖。從圖上可以看出，輸出相電壓為7電平，三個相電壓互差120°相位，即輸出三相電壓完全對稱。
以上僅為本發明的一個實施例，本發明並不局限於三個h橋級聯單元逆變電路拓撲結構，本發明適應於n級h橋級聯單元拓撲結構。