CN108418461A - 一种三角形连接级联h桥逆变器的空间矢量调制方法 - Google Patents

一种三角形连接级联h桥逆变器的空间矢量调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，针对空间矢量调制算法随着级联单元增加，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，利用星形连接级联多电平逆变器基本矢量的横坐标、纵坐标、横坐标与纵坐标之和分别对应三相逆变器的三个线电压矢量，以及星形连接三相逆变器的相电压与线电压的关系，直接采用星形连接方式下合成相电压参考矢量的基本矢量作为三角形连接方式下线电压的控制信号，该方法不需要计算基本矢量对应各相的开关状态信号，不需要计算大量的冗余开关状态矢量，大大简化了级联多电平逆变器空间矢量调制方法。

Description

一种三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法
技术领域
本发明属于三角形连接的级联H桥多电平逆变器空间矢量调制方法领域，涉及一种三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，特指一种在α'-β'坐标下实现三角形连接的级联H桥多电平逆变器的快速空间矢量调制方法。
背景技术
级联多电平逆变技术被广泛应用于高压大功率变流器中，其优点是能够利用功率单元的级联，实现分压而有效扩容。高压大功率H桥级联多电平逆变器存在星形和三角形两种接线方式，星形接线方式下级联模块承受相电压，因此在低电压情况下能够减少成本，但是其可靠性不高，故障下难于控制；三角形接线方式级联模块需要承受线电压，其短路故障性能较优，适用于高压、大容量系统，典型的应用如高压大容量静止同步补偿器。
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，导致空间矢量调制方法实现困难。
因此，有必要设计一种新的空间矢量调制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，该空间矢量调制方法构思巧妙，易于控制和实施。
发明的技术解决方案如下：
一种三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，在α'-β'坐标系下，建立三角形轨迹模型，所述的三角形轨迹模型是指三角形连接方式下2n个H桥级联(即每相均由2n个H桥级联而成)的多电平逆变器输出电压空间矢量轨迹模型，由下式表征：
其中，α'-β'坐标系中的基本矢量的表达式为：
式中，a,b和c分别表示开关状态矢量(a,b,c)的三个分量；
m表示三角形连接方式线电压调制系数；
基于三角形轨迹模型对三角形连接级联H桥逆变器实施空间矢量调制；
将三角形轨迹模型等效为星型轨迹模型，如下：
m'表示星形连接方式相电压调制系数，有
星型轨迹模型是指星形连接方式下n个H桥级联(即每相均由n个H桥级联而成)的多电平逆变器输出电压空间矢量轨迹模型；
根据三角形轨迹模型与星型轨迹模型的等效关系，故基于星型轨迹模型实现对三角形连接级联H桥逆变器实施空间矢量调制。
对星形连接级联H桥多电平逆变器输出参考电压空间矢量轨迹模型进行采样，计算最靠近采样参考矢量Vr(αpr',βpr')的三个基本矢量，并把这三个基本矢量作为等效基本矢量，利用伏秒平衡原理计算合成采样参考矢量的等效基本矢量作用时间，直接利用基本矢量作为三角形连接级联H桥逆变器各相的控制信号；
其中，Vr(αpr',βpr')中的Vr表示参考矢量名，(αpr',βpr')表示参考矢量的坐标。
计算最靠近采样参考矢量的基本矢量的方法为：分别对参考电压矢量Vr的坐标分量进行取整得基本矢量V0(α0',β0')，其中：α0'＝floor(αr')，β0'＝floor(βr')；floor(*)为向下取整函数；
基本矢量包括V0(α0',β0')、V1(α0'+1,β0')、V2(α0',β0'+1)，V3(α0'+1,β0'+1)；
第一种情况：当(αr'-α0')+(βr'-β0')≤1时，用基本矢量V0、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr；“分时制”是一种计算方法，不是简单的组合。详见后文。
第二种情况：当(αr'-α0')+(βr'-β0')＞1时，用基本矢量V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr。
第一种情况：
当利用V0、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr时：
(1)在基本矢量V0作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(2)基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号。
第二种情况：
当利用V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr时：
(1)在基本矢量V3作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+2、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(2)在基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号。
优选的，n＝3～12。
优选的，n＝3。
本发明的目的是针对三角形连接的H桥级联多电平逆变器，基于α'-β'坐标下基本矢量即为线电压矢量的特点，直接使用采样所得线电压控制矢量作为三相桥臂的控制信号，实现三角形连接级联H桥多电平逆变器的控制。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
三角形连接的级联H桥多电平逆变器的一种快速空间矢量调制方法，是基于α'-β'坐标系，适用于三角形连接的级联H桥多电平逆变器的空间矢量调制方法，α'-β'坐标系是由传统α-β坐标系经过逆时针旋转45°并压缩轴向比例得到的坐标系，该坐标系的优点是基本矢量全部位于整数坐标点上，且矢量的坐标就表示线电压输出电平的值；所述快速空间矢量调制方法，基于α'-β'坐标系，计算出三角形连接级联H桥多电平逆变器的等效星形连接级联H桥多电平逆变器模型，利用该等效星形连接级联H桥多电平逆变器模型的相电压控制信号计算矢量轨迹表达式，此矢量轨迹即为参考矢量轨迹，对参考矢量轨迹采样，并利用伏秒平衡的原理计算合成参考矢量的等效基本矢量，所得基本矢量的坐标即为线电压矢量坐标，直接利用该线电压矢量控制三角形连接级联H桥多电平逆变器的各相，即可实现对逆变器的调制。该方法不需要计算基本矢量对应的各相的开关状态信号，不存在各相的冗余开关状态矢量计算，大大简化了级联多电平逆变器空间矢量调制方法，且能保证三角形连接级联H桥逆变器的三相输出电压之和在任意时刻均为零，使输出电压完全对称。三角形连接的级联H桥多电平逆变器的一种快速空间矢量调制方法，包括以下具体步骤：
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：
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相电压输出电平，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°并压缩轴向比例得到α'-β'坐标系，α'-β'坐标系上基本矢量的表达式为：
式(2)中，α'和β'分别表示α'-β'坐标系中基本矢量的坐标值，从公式(2)可以看出，基本矢量(α',β')分布在整数坐标点上，且α'、β'和α'+β'分别表示逆变器输出线电压的电平。
步骤二：构造三角形连接级联H桥多电平逆变器的等效星形连接级联H桥多电平逆变器模型，根据式(2)可得，星形连接方式下n个H桥级联的多电平逆变器的相电压输出电平数为2n+1，线电压输出电平数为4n+1，因此，每一相由2n个H桥级联的三角形连接方式逆变器，其星形连接等效电路的每一相为n个H桥级联。
步骤三：在α'-β'坐标系下，建立三角形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器输出电压空间矢量轨迹模型为：
式中，αlr'和βlr'分别表示α'-β'坐标系中三角形连接方式逆变器线电压参考矢量的坐标值，m表示三角形连接方式线电压调制系数，调制系数m即对应不同的参考电压。αlr'和βlr'中，l表示线电压，r表示参考。
步骤四：在α'-β'坐标系下，建立星形连接方式下n个H桥级联的多电平逆变器输出电压空间矢量轨迹模型，根据式(3)以及星形连接逆变器的相电压与线电压之间的关系可得：
令可得：
式中，αpr'和βpr'分别表示α'-β'坐标系中星形连接方式逆变器相电压参考矢量的坐标值，m'表示星形连接方式相电压调制系数，由于0＜m'≤1，因此
步骤五：对星形连接级联H桥多电平逆变器输出参考电压空间矢量轨迹模型(5)进行采样，计算最靠近采样参考矢量Vr(αpr',βpr')的三个基本矢量(此处的Vr(αpr',βpr')表示参考矢量，其中Vr表示参考矢量名，(αpr',βpr')表示参考矢量的坐标，后同)，并把这三个基本矢量作为等效基本矢量，利用伏秒平衡原理计算合成采样参考矢量的等效基本矢量作用时间，由公式(2)可知，基本矢量的横坐标、纵坐标以及纵坐标与横坐标之和分别表示三个线电压的输出电平，因此可以直接利用基本矢量作为三角形连接级联H桥逆变器各相的控制信号。
计算最靠近采样参考矢量的基本矢量的方法为：分别对参考电压矢量Vr(αpr',βpr')向上取整和向下取整，
V0＝floor(Vr)，V3＝ceil(Vr) (6)
式中，floor(Vr)表示对参考矢量Vr的各个分量向下取整，V0的坐标为(α0',β0')，即α0'＝floor(αr')，β0'＝floor(βr')，ceil(Vr)表示对参考矢量Vr的各个分量向上取整，即V3的坐标为(α0'+1,β0'+1)。以基本矢量V0和V3为对角线确定一个单位正方形，单位正方形的另外两个顶点对应的基本矢量分别为V1(α0'+1,β0')、V2(α0',β0'+1)，当(αr'-α0')+(βr'-β0')≤1时，根据伏秒平衡原理，用基本矢量V0、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr，当(αr'-α0')+(βr'-β0')＞1时，用基本矢量V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr。
具体如下：
第一种情况：
当利用V0、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr时：
(1)在基本矢量V0作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(2)在基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号。
第二种情况：
当利用V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr时：
(1)在基本矢量V3作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+2、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(2)在基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号。
有益效果：
针对空间矢量调制算法随着级联单元增加，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，利用星形连接级联多电平逆变器基本矢量的横坐标、纵坐标、横坐标与纵坐标之和分别对应三相逆变器的三个线电压矢量，以及星形连接三相逆变器的相电压与线电压的关系，直接采用星形连接方式下合成相电压参考矢量的基本矢量作为三角形连接方式下线电压的控制信号，该方法不需要计算基本矢量对应各相的开关状态信号，不存在计算大量的冗余开关状态矢量，大大简化了级联多电平逆变器空间矢量调制方法。
与现有级联多电平逆变器空间矢量调制方法相比，本发明不需要计算基本矢量对应的开关状态矢量，不存在冗余开关状态矢量，简化了计算工作量，大大提高了控制方法实现的速度。
本发明基于α'-β'坐标下空间矢量坐标即为线电压矢量的特性，针对三角形接线方式H桥级联多电平逆变器，利用采样所得空间矢量直接实现线电压的调制。该调制方法简单，且易于拓展到n级多电平逆变器。
附图说明
图1为星形连接方式H桥级联逆变电路线电压与相电压关系示意图；
图2为三角形连接方式下六个H桥级联的逆变电路拓扑结构；
图3为星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路拓扑结构；
图4为星形连接方式三个H桥级联的逆变器空间矢量分布及相电压参考矢量轨迹；
图5为三角形连接方式下2n个H桥级联的逆变电路拓扑结构；
图6为星形连接方式下n个H桥级联的逆变电路拓扑结构。
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：图1所示实线三角形示意的H桥级联逆变器输出线电压与虚线星形连接的H桥级联逆变器输出线电压相等。
图2所示三角形连接方式下六个H桥级联的逆变电路拓扑结构，其线电压输出电平为±6,±5,±4,±3,±2,±1,0，合计13个电平，图3所示星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路拓扑结构，其线电压输出电平为±6,±5,±4,±3,±2,±1,0，合计13个电平，由此可以得出，三角形连接方式下2n个H桥级联的逆变电路拓扑结构输出的线电压电平数为4n+1，星形连接方式下n个H桥级联的逆变电路拓扑结构输出的线电压电平数为4n+1，即两种连接方式下输出线电压电平数完全一致，因此可以使用星形连接方式下输出的线电压矢量作为三角形连接的相电压控制信号。此处讨论的是，使用星形连接方式输出的线电压控制信号可以用来控制三角形连接方式的每一相。
三角形连接方式下六个H桥级联的逆变器线电压输出参考矢量轨迹模型为：
为了实现星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路输出的线电压与三角形连接方式下六个H桥级联的逆变电路输出的线电压相等，星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路线电压参考矢量模型必须满足式(7)。由于星形连接方式下线电压是相电压的倍，即有：
因此式(7)可表示为：
令式(9)简化为：
要使逆变器不工作在过调制的范围，必须满足0＜m'≤1，因此，
式(10)即为星形连接方式下三个H桥级联的逆变器相电压参考矢量轨迹模型。在α'-β'坐标系下，根据式(2)和式(10)可画出星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路其空间矢量分布及相电压参考矢量轨迹如图4所示，图中“*”点表示基本矢量，参考矢量轨迹是椭圆，根据调制系数m'的大小变化，参考矢量轨迹的长短半径发生改变，图中所示调制系数m'＝1，从图中可以看出，基本矢量位于单位整数坐标点。
对式(10)所示参考矢量轨迹进行采样，计算距离参考矢量最近的三个基本矢量，利用伏秒平衡原理合成参考矢量。如图4中“*”点所表示的基本矢量组成的实线三角形和虚线三角形，其中实线三角形包含了参考矢量轨迹，实线三角形的三个顶点矢量可以用来合成该三角形所包含的参考矢量轨迹上的任意一个参考矢量。
由式(2)可知，基本矢量的横坐标α'＝a-c，纵坐标β'＝-a+b，α'+β'＝b-c，a,b,c分别表示图3中A、B、C三相输出的相电压，则α'表示A相和C相之间的线电压，β'表示A相和B相之间的线电压，α'+β'表示B相和C相之间的线电压，根据三相对称的原理，用-α'作为三角形连接方式下CA相的控制信号，用-β'作为三角形连接方式下AB相的控制信号，用α'+β'作为三角形连接方式下BC相的控制信号，即可实现对三角形连接方式下六个H桥级联的逆变器的控制。
图5所示为三角形连接方式下2n个H桥级联的逆变电路拓扑结构，图6所示为星形连接方式下n个H桥级联的逆变电路拓扑结构，同理可以采用星形连接方式下n个H桥级联逆变器的相电压调制信号来控制三角形连接方式下2n个H桥级联逆变器的线电压。
各IGBT的驱动信号如何形成为现有成熟技术。
图1中：1、2、3：2n H桥级联所得模块
1'、2'、3'：n个H桥级联所得模块
图2-3，5-6中，QAij、QBij、QCij是指功率开关管IGBT。

Claims (6)

1.一种三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，在α'-β'坐标系下，建立三角形轨迹模型，所述的三角形轨迹模型是指三角形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器输出电压空间矢量轨迹模型，由下式表征：
其中，α'-β'坐标系中的基本矢量的表达式为：
式中，a,b和c分别表示开关状态矢量(a,b,c)的三个分量；
m表示三角形连接方式线电压调制系数；
基于三角形轨迹模型对三角形连接级联H桥逆变器实施空间矢量调制；
将三角形轨迹模型等效为星型轨迹模型，如下：
m'表示星形连接方式相电压调制系数，有
星型轨迹模型是指星形连接方式下n个H桥级联的多电平逆变器输出电压空间矢量轨迹模型；
根据三角形轨迹模型与星型轨迹模型的等效关系，故基于星型轨迹模型实现对三角形连接级联H桥逆变器实施空间矢量调制。
2.根据权利要求1所述的三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，对星形连接级联H桥多电平逆变器输出参考电压空间矢量轨迹模型进行采样，计算最靠近采样参考矢量Vr(αpr',βpr')的三个基本矢量，并把这三个基本矢量作为等效基本矢量，利用伏秒平衡原理计算合成采样参考矢量的等效基本矢量作用时间，直接利用基本矢量作为三角形连接级联H桥逆变器各相的控制信号；
其中，Vr(αpr',βpr')中的Vr表示参考矢量名，(αpr',βpr')表示参考矢量的坐标。
3.根据权利要求2所述的三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，计算最靠近采样参考矢量的基本矢量的方法为：分别对参考电压矢量Vr的坐标分量进行取整得基本矢量V0(α0',β0')，其中：α0'＝floor(αr')，β0'＝floor(βr')；floor(*)为向下取整函数；
基本矢量包括V0(α0',β0')、V1(α0'+1,β0')、V2(α0',β0'+1)，V3(α0'+1,β0'+1)；
第一种情况：当(αr'-α0')+(βr'-β0')≤1时，用基本矢量V0、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr；
第二种情况：当(αr'-α0')+(βr'-β0')＞1时，用基本矢量V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr。
4.根据权利要求3所述的三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，
第一种情况：
当利用V0、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr时：
(1)在基本矢量V0作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(2)在基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号。
第二种情况：
当利用V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr时：
(1)在基本矢量V3作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+2、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(2)在基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为三角形连接逆变器AB相、BC相、CA相的控制信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述的三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，n＝3～12。
6.根据权利要求1-4任一项所述的三角形连接级联H桥逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，n＝3。
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