CN108471248B - 基于α’-β’坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法 - Google Patents

基于α’-β’坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于α'‑β'坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法，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'坐标系，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，采用n个H桥级联的逆变器输出的线电压信号直接控制2n个H桥级联的逆变器的相电压。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。

Description

基于α’-β’坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法
技术领域
本发明涉及到级联多电平逆变器空间矢量调制方法领域，特指一种基于α'-β'坐标系星形连接方式级联多电平逆变器通用的快速的空间矢量调制方法。
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，由于级联单元模块的不同，又分为全桥级联多电平逆变器(又称为H桥级联多电平逆变器)和半桥级联多电平逆变器(又称为模块化多电平逆变器，简称MMC)。高压大容量H桥级联多电平变流器存在星形和星形两种接线方式，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，故星形连接的级联多电平逆变拓扑被广泛应用于中高压多电平变流器，典型的应用如静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator,简称STATCOM)。
级联多电平逆变器的调制方法主要分为载波层叠调制、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基于α'-β'坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法，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：
一种基于α'-β'坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法，包括以下步骤：
步骤一：建立α'-β'坐标系；
α'-β'坐标上基本矢量的表达式为：
α'和β'分别表示α'-β'坐标系中基本矢量对应的坐标值；a,b,c分别表示开关状态矢量(a,b,c)的三个分量；
步骤二：在α'-β'坐标系下，建立被控星形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型为：
式中，αpr'和βpr'分别表示α'-β'坐标系中被控星形连接方式逆变器参考电压矢量的坐标值，m表示第一相电压调制系数；
所述的星形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器中，每一相由2n个H桥级联；且三相星形连接；
步骤三：在α'-β'坐标系下，构造星形连接方式下n个H桥级联的多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型为：
式中，αp'r'和βp'r'分别表示α'-β'坐标系中n个H桥级联的逆变器相电压参考矢量的坐标值，m'表示第二相电压调制系数，由于0＜m'≤1，因此
所述的星形连接方式下n个H桥级联的多电平逆变器中，每一相由n个H桥级联；且三相星形连接；
步骤四：对“n个H桥级联的多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型”进行采样，并计算合成参考矢量的等效基本矢量，从而实施对被控的2n个H桥级联的多电平逆变器进行矢量调制。
步骤三中，对被构造的星形连接n个H桥级联的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(αp'r',βp'r')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星形连接级联H桥逆变器各相的控制信号；
其中，Vr(αp'r',βp'r')中的Vr表示参考矢量名，(αp'r',βp'r')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(αp'r')，β0'＝floor(βp'r')；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(αp'r'-α0')+(βp'r'-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(αp'r'-α0')+(βp'r'-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'分别作为被控星形连接逆变器A相、B相、C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)分别作为被控星形连接逆变器A相、B相、C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'分别作为被控星形连接逆变器A相、B相、C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)分别作为被控星形连接逆变器A相、B相、C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)分别作为被控星形连接逆变器A相、B相、C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'分别作为被控星形连接逆变器A相、B相、C相的控制信号。
n＝3～100。
n＝3。
基于α'-β'坐标系的星形连接方式级联多电平逆变器通用的快速的空间矢量调制方法，适用于星形连接方式的每一相由2n个H桥级联的多电平逆变器的空间矢量调制方法，α'-β'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，构造一个星形连接方式每一相由n个H桥级联的多电平逆变器模型，其输出线电压与被控逆变器输出相电压完全一致，利用被构造的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被控级联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开关状态矢量，不存在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，且能保证被控级联H桥逆变器的输出零序电压在任意时刻均为零；所述空间矢量调制方法包括以下具体步骤：
步骤一：α'-β'坐标上基本矢量的表达式为：
式(1)中，α'和β'分别表示α'-β'坐标系中基本矢量对应的坐标值，从公式(1)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矢量。
步骤二：在α'-β'坐标系下，建立被控星形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型为：
式中，αpr'和βpr'分别表示α'-β'坐标系中被控星形连接方式逆变器参考电压矢量的坐标值，m表示相电压调制系数。
步骤三：构造一个星形连接方式的每一相由n个H桥级联的多电平逆变器模型，根据式(1)可得，被控星形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器的相电压输出电平数为4n+1，被构造的星形连接多电平逆变器每一相由n个H桥级联，其线电压输出电平数为4n+1，因此，可以控制被构造的逆变器输出线电压与被控逆变器输出相电压完全一致。
步骤四：在α'-β'坐标系下，被构造的n个H桥级联的逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型为：
式中，αp'r'和βp'r'分别表示α'-β'坐标系中被构造的逆变器相电压参考矢量的坐标值，m'表示相电压调制系数。
根据星形连接方式下相电压与线电压的关系可得，
令即可实现用被构造的逆变器输出线电压矢量控制被控逆变器的输出相电压，由于0＜m'≤1，因此
步骤五：对被构造的级联H桥多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型(3)进行采样，采样所得参考矢量为Vr(αp'r',βp'r')，其中，Vr(αp'r',βp'r')中的Vr表示参考矢量名，(αp'r',βp'r')表示参考矢量的坐标。
利用伏秒平衡原理计算合成参考矢量的等效基本矢量，由公式(1)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αp'r'、βp'r'和αp'r'+βp'r'作为被控级联H桥逆变器各相的控制信号。
步骤六：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(αp'r')，β0'＝floor(βp'r')，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(αp'r'-α0')+(βp'r'-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(αp'r'-α0')+(βp'r'-β0')＞1时，用基本矢量V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr。
步骤七：分配控制信号。
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'分别作为被控星形连接逆变器三相的控制信号；
(2)在基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为被控星形连接逆变器三相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为被控星形连接逆变器三相的控制信号。
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)分别作为被控星形连接逆变器三相的控制信号；
(2)在基本矢量V1作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'+1、-(α0'+1)分别作为被控星形连接逆变器三相的控制信号；
(3)在基本矢量V2作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+1、-α0'分别作为被控星形连接逆变器三相的控制信号。
本发明的技术思路：
针对星形连接的H桥级联多电平逆变器，基于α'-β'坐标下基本矢量即为输出线电压矢量的特点，构造一个级数更少的星形连接多电平逆变器，使其输出的线电压与实际被控多电平逆变器输出相电压完全一致，即可使用该线电压矢量作为被控星形连接级联多电平逆变器的相电压控制矢量，直接使用采样所得线电压控制矢量作为三相逆变器的控制信号，实现星形连接级联H桥多电平逆变器的控制。
有益效果：
本发明基于α'-β'坐标下级联H桥逆变器空间矢量坐标即为线电压矢量的特性，针对星形接线方式H桥级联多电平逆变器，利用采样所得空间矢量直接对变流器进行调制，避免了由空间状态矢量计算开关状态矢量的过程，且不存在冗余开关状态矢量的计算。该调制方法简单，且易于拓展到任意2n级多电平逆变器。
本发明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'坐标系，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，采用n个H桥级联的逆变器输出的线电压信号直接控制2n个H桥级联的逆变器的相电压。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，且能保证被控逆变器输出零序电压为零。
附图说明
图1星形连接方式下六个H桥级联的逆变电路拓扑结构；
图2星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路拓扑结构；
图3星形连接方式的输出线电压与相电压关系的示意图；
图4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星形连接方式下2n个H桥级联的逆变电路拓扑结构；
图6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所示为星形连接方式下六个H桥级联的逆变电路拓扑结构，其相电压输出电平为±6,±5,±4,±3,±2,±1,0，合计13个电平，图2所示星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路拓扑结构，其线电压电平输出为±6,±5,±4,±3,±2,±1,0，合计13个电平，其输出线电压电平与六个H桥级联逆变器输出的相电压电平完全一致。
星形连接方式下六个H桥级联的逆变器相电压输出参考矢量轨迹模型为：
图3所示星形连接方式的输出线电压与相电压关系的示意图，图中带箭头的实线表示相电压，带箭头的虚线表示线电压，n个H桥级联，其输出相电压有2n+1个电平，输出线电压有4n+1个电平。
为了实现星形连接方式下6个H桥级联的逆变电路输出的相电压与星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路输出的线电压相等，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(5)。由于星形连接方式下线电压是相电压的倍，即有：
因此式(5)可表示为：
令式(6)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(7)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(1)和式(7)可画出星形连接方式下三个H桥级联的逆变电路空间矢量分布和相电压参考矢量轨迹如图4所示，图中“*”点表示基本矢量，图中相邻三个基本矢量组成的三角形称为扇区三角形，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。由式(1)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2中a、b、c三相输出的相电压电平，则α'表示a相和c相之间的线电压电平，β'表示a相和b相之间的线电压电平，α'+β'表示b相和c相之间的线电压电平，因此，用-α'、-β'、α'+β'分别控制图1中六个H桥级联的逆变器的C相、A相、B相，即可实现对星形连接方式下六个H桥级联的逆变器的控制。
对式(7)所示参考矢量轨迹进行采样，得参考电压矢量Vr(αp'r',βp'r)，计算距离参考矢量Vr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所示基本矢量组成的扇区三角形，在扇区三角形内部的参考矢量均可采用扇区三角形的三个顶点矢量合成。
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(αp'r')，β0'＝floor(βp'r')；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)；
当(αp'r'-α0')+(βp'r'-β0')≤1时，用基本矢量V0、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr。
(1)在基本矢量V0作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'、-α0'分别作为图1所示被控星形连接逆变器A相、B相、C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)分别作为图1所示被控星形连接逆变器A相、B相、C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'分别作为图1所示被控星形连接逆变器A相、B相、C相的控制信号。
当(αp'r'-α0')+(βp'r'-β0')＞1时，用基本矢量V3、V1、V2分时制合成参考电压矢量Vr。
(1)在基本矢量V3作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+2、-(α0'+1)分别作为图1所示被控星形连接逆变器A相、B相、C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)分别作为图1所示被控星形连接逆变器A相、B相、C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'分别作为图1所示被控星形连接逆变器A相、B相、C相的控制信号。
图5所示为2n个H桥级联的逆变电路拓扑结构，图6所示为n个H桥级联的逆变电路拓扑结构，同理可以采用图6所示n个H桥级联逆变器的线电压调制信号来控制图5所示2n个H桥级联逆变器的相电压。
各IGBT的驱动信号如何形成为现有成熟技术。
图3中：1、2、3：n个H桥级联所得模块
图1-2，5-6中，QAij、QBij、QCij是指功率开关管IGBT。

Claims (4)

1.一种基于α'-β'坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立α'-β'坐标系；
α'-β'坐标上基本矢量的表达式为：
α'和β'分别表示α'-β'坐标系中基本矢量对应的坐标值；a,b,c分别表示开关状态矢量(a,b,c)的三个分量；
步骤二：在α'-β'坐标系下，建立被控星形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型为：
式中，αpr'和βpr'分别表示α'-β'坐标系中被控星形连接方式逆变器采样参考矢量的坐标值，m表示第一相电压调制系数；
所述的星形连接方式下2n个H桥级联的多电平逆变器中，每一相由2n个H桥级联；且三相星形连接；
步骤三：在α'-β'坐标系下，构造星形连接方式下n个H桥级联的多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型为：
式中，αp'r'和βp'r'分别表示α'-β'坐标系中n个H桥级联的逆变器相电压参考矢量的坐标值，m'表示第二相电压调制系数，由于0<m'≤1，因此
所述的星形连接方式下n个H桥级联的多电平逆变器中，每一相由n个H桥级联；且三相星形连接；
步骤四：对n个H桥级联的多电平逆变器输出相电压空间矢量轨迹模型进行采样，并计算合成参考矢量的等效基本矢量，从而实施对被控的2n个H桥级联的多电平逆变器进行矢量调制；
步骤三中，对被构造的星形连接n个H桥级联的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(αp'r',βp'r')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星形连接级联H桥逆变器各相的控制信号；
其中，Vr(αp'r',βp'r')中的Vr表示采样参考矢量名，(αp'r',βp'r')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：分别对采样参考矢量Vr的坐标分量进行取整得基本矢量V0(α0',β0')，其中：α0'＝floor(αp'r')，β0'＝floor(βp'r')；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(αp'r'-α0')+(βp'r'-β0')≤1时，用基本矢量V0、V1、V2分时制合成采样参考矢量Vr；
第二种情况：当(αp'r'-α0')+(βp'r'-β0')>1时，用基本矢量V3、V1、V2分时制合成采样参考矢量Vr。
2.根据权利要求1所述的基于α'-β'坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法，其特征在于，
第一种情况：
当利用V0、V1、V2分时制合成采样参考矢量Vr时：
(1)在基本矢量V0作用时间段，即用-β0'、α0'+β0'、-α0'分别作为被控星形连接级联H桥逆变器A相、B相、C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)分别作为被控星形连接级联H桥逆变器A相、B相、C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'分别作为被控星形连接级联H桥逆变器A相、B相、C相的控制信号；
第二种情况：
当利用V3、V1、V2分时制合成采样参考矢量Vr时：
(1)在基本矢量V3作用时间段，即用-(β0'+1)、α0'+β0'+2、-(α0'+1)分别作为被控星形连接级联H桥逆变器A相、B相、C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)分别作为被控星形连接级联H桥逆变器A相、B相、C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'分别作为被控星形连接级联H桥逆变器A相、B相、C相的控制信号。
3.根据权利要求1-2任一项所述的基于α'-β'坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法，其特征在于，n＝3～100。
4.根据权利要求3所述的基于α'-β'坐标的星形级联逆变器空间矢量调制方法，其特征在于，n＝3。
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