CN110445409B - 一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法，涉及变换器调制技术领域。本发明采用正负区间分离法，将第四桥臂取值区间划分成多个子区间，分析各个子区间内的最优序列产生的中点电流，选取最有利于中点平衡控制的最优序列。本发明提供的具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法，在保证输出电压THD略微增加的条件下，能够极大减小中点电位振荡幅值，减小功率器件上承受的电压，减小电容容量。

Description

一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法

技术领域

本发明涉及变换器调制技术领域，尤其涉及一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法。

背景技术

三电平变换器相比于传统的两电平变换器输出功率大，输出电压谐波少，功率器件上承受的电压低，在大功率电能变换场合已得到广泛应用。四桥臂变换器是三相四线结构中一种较好的选择，其直流电压利用率高，中性点电位可控。三电平四桥臂变换器结合了三电平和四桥臂拓扑结构的优点，在大功率三相四线系统中可精确控制中性电流，提供高质量电能输出，在不平衡或非线性负载下，可以输出三相对称电压，作为有源滤波器可以补偿电网中性电流，是大功率不对称系统中一种优势拓扑结构。

三电平四桥臂变换器调制方法主要有三种：载波调制、空间矢量调制和消除特定谐波调制。相比于载波调制，空间矢量调制方法的研究文献相对较多，其研究难点在于参考矢量轨迹位于三维空间，基本矢量数目多，部分基本矢量含有冗余分量，四面体数量多，且每个四面体含有的冗余矢量数目不一致，不仅确定参考矢量空间位置过程复杂，在选取矢量序列和利用冗余分量优化系统性能时也非常复杂。目前三电平四桥臂变换器空间矢量调制方法的研究主要集中在三维SVM算法实现及算法简化两个方面。F′elix Roias近年发表了两篇文献，研究了四面体选择的简单实现方法，并对中点电位控制进行了简单研究，提出在含有冗余矢量的四面体中，对作用时间最长的一个冗余矢量的冗余分量作用时间进行分配，进而控制中点电位。以上两篇文献尽管在选择四面体时，给出了简化实现方法，但是在确定矢量序列时，由于每个四面体含有的冗余矢量数目不同，如何根据四个基本作用矢量确定矢量作用序列也是一个比较复杂的过程。同时上述文献都没有研究三电平四桥臂变换器各种开关序列对中点电流的影响，无法实现最优中点电位控制目标。

载波调制方法实现简单，可直接对四个桥臂的输出状态进行控制，且其含有第四桥臂端电压这个自由分量，通过调节该自由分量(也可称为偏置电压)，可得到不同的开关序列及充分利用冗余分量，实现各种预期控制目标。现有的文献只对最优序列载波调制方法的偏置电压进行了研究，能够减小输出电压中的谐波含量，但没有涉及中点电位平衡控制问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法，能够减小中点电位振荡幅值，采用正负区间分离法，将第四桥臂取值区间划分成多个子区间，分析各个子区间内的最优序列产生的中点电流，选取最有利于中点平衡控制的最优序列。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法，包括以下步骤：

步骤1：变换器三相电压除以基准值V_dc/2得到标准化后的变换器三相参考电压v_af、v_bf和v_cf，取值范围均为[-2，2]；标准化的四个桥臂端电压为v_xo，x＝a、b、c、f，v_xo∈[-1，1]，三相参考电压和端电压之间满足下面关系式：

步骤2：确定偏置电压取值范围；

由式(1)中的三个方程确定偏置电压v_fo的三个取值区间，每个区间的跨度为2，三个区间以及区间[-1，1]的交集即为偏置电压的取值范围，用区间[Q，F]表示；

三相桥臂的端电压取值范围分别为[Q_a，F_a]＝[Q+v_af，F+v_af]，[Q_b，F_b]＝[Q+v_bf，F+v_bf]和[Q_c，F_c]＝[Q+v_cf，F+v_cf]；

步骤3：采用正负区间分离法划分偏置电压取值区间；

为减小开关变换次数，限定在一个采样周期内每个桥臂最多输出两种开关状态，且只在相邻的两个开关状态之间切换，即o和p，或n和o；当桥臂端电压在正区间内取值时，该桥臂输出o和p状态，当桥臂端电压在负区间内取值时，该桥臂输出n和o状态；根据四个桥臂包含的正负区间情况，将正负区间分离，划分偏置电压取值区间，分为以下几种情况：

(1)四个桥臂都只包含一种区间，偏置电压区间无需划分，包含一个子区间；

(2)四个桥臂中有一个桥臂包含正负区间，其它三个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为两个子区间；

(3)四个桥臂中有两个桥臂包含正负区间，其它两个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为三个子区间；

(4)四个桥臂中有三个桥臂包含正负区间，另外一个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为四个子区间；

(5)四个桥臂中每个桥臂都包含正负区间，偏置电压划分为五个子区间；

步骤4：计算各个子区间内的最优序列偏置电压；

给出偏置电压在子区间[Q，M₁]取值时的开关序列，其中M₁表示偏置电压最左侧子区间的区间上限值：当v_fo取区间中间值(Q+M₁)/2时，上下冗余矢量作用时间平均分配，都为d₀/2，对应于最优开关序列，d₀表示冗余矢量作用时间占空比；其它子区间最优序列偏置电压求解方法相似；

步骤5：计算各个子区间开关序列产生的中点电流；

如果用N∈{1，2，3，4，5}表示子区间的个数，那么v_foi表示第i个最优序列偏置电压，i＝1，...，N；将v_foi带入到式(1)中，得到三相桥臂端电压{v_aoi，v_boi，v_coi}；一个采用周期内的平均中点电流为

i_NPi＝(1-|v_aoi|)i_a+(1-|v_boi|)i_b+(1-|v_coi|)i_c+(1-|v_foi|)i_f (5)其中，i_NPi表示第i个子区间的平均中点电流；i_a、i_b、i_c、i_f分别表示四个桥臂输出电流；

步骤6：比较电流差确定最优偏置电压；

直流侧电容容量用C₁和C₂表示，T_S表示采样周期，V_C1和V_C2表示直流侧两个电容上的电压，补偿电流i_cmp为

计算式(5)中N个中点电流与补偿电流的差值Δi_i为

Δi_i＝|i_NPi-i_cmp| (7)

比较式(7)中的N个中点电流差值，选取差值最小的子区间的最优序列偏置电压作为所用偏置电压。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法，在保证输出电压THD略微增加的条件下，能够极大减小中点电位振荡幅值，减小功率器件上承受的电压，减小电容容量。

附图说明

图1为三电平四桥臂变换器主电路；

图2为本发明实施例提供的具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法流程图；

图3为本发明实施例提供的偏置电压取值范围示意图；

图4为本发明实施例提供的四个桥臂取值区间对应关系示例图；

图5为本发明实施例提供的端电压子区间划分示例图，其中，(a)为子区间1，(b)为子区间2；

图6为本发明实施例提供的子区间内开关序列特点示意图，其中，(a)为v_fo取区间下限值Q时，(b)为v_fo取区间中间值(Q+M₁)/2时，(c)为v_fo取区间上限值M₁时；

图7为本发明实施例提供的采用传统最优序列载波调制方法仿真的负载a相电压、电压THD和电容电压波形图；

图8为本发明实施例提供的采用本发明最优序列调制方法仿真的负载a相电压、电压THD和电容电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

三电平四桥臂变换器包含四个桥臂，四个桥臂结构相同，每个桥臂包含四个功率开关管和两个箝位二极管，主电路如图1所示。每个桥臂可以输出三种电平电压，分别为V_dc/2、0和-V_dc/2，V_dc为直流母线电压，分别用状态p、o和n表示。四个桥臂共有3⁴＝81种开关状态组合，对应于三维空间的65个矢量。

调制模型如下：

标准化后(除以V_dc/2)的变换器三相参考电压为v_af、v_bf和v_cf，取值范围均为[-2，2]；标准化的四个桥臂端电压为v_xo，x＝a、b、c、f，v_xo∈[-1，1]，三相参考电压和端电压之间满足下面关系式：

第四桥臂端电压v_fo为一个自由分量，称其为偏置电压，其在有效范围内任意取值，对应于不同的开关序列及产生不同的输出性能；基于伏秒平衡原理，四个桥臂相占空比满足下式：

Gd＝H (2)

其中，

d＝[d_ap，d_ao，d_an，d_bp，d_bo，d_bn，d_cp，d_co，d_cn，d_fp，d_fo，d_fn]^T，d_xp、d_xo和d_xn分别表示x桥臂连接到直流侧p、o和n端的占空比，H＝[V_ao，V_bo，V_co，V_fo，1，1，1，1]^T；

式(2)为三电平四桥臂变换器调制模型；当限定在一个采样周期内每个桥臂的输出最多包含两种相邻开关状态时，有：

d_xp＝0或d_xn＝0 (3)

由式(2)和(3)，求出四个桥臂的相占空比d_xp、d_xo和d_xn；

在已知四个桥臂端电压的前提下，由上面的表达式能直接求解出四个桥臂的相占空比。但是给定的三相参考电压与四个桥臂端电压之间并不是一一对应关系，其映射关系取决于偏置电压，如式(1)所示，且偏置电压的取值影响系统的输出性能。本实施例针对中点电位平衡控制目标，对偏置电压进行详细分析及讨论，并提出一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法，如图2所示，具体方法如下所述。

步骤1：变换器三相电压除以基准值V_dc/2得到标准化后的变换器三相参考电压v_af、v_bf和v_cf，取值范围均为[-2，2]；标准化的四个桥臂端电压为v_xo，x＝a、b、c、f，v_xo∈[-1，1]，三相参考电压和端电压之间满足下面关系式：

步骤2：确定偏置电压取值范围。

由式(1)中的三个方程确定偏置电压v_fo的三个取值区间，如图3中的a、b、c三个区域，每个区间的跨度为2，三个区间以及区间[-1，1]的交集即为偏置电压的取值范围，用区间[Q，F]表示。

比如，当{v_af，v_bf，v_cf}＝{-1.4，-0.5，-0.3}时，偏置电压的三个取值区间为[0.4，2.4]，[-0.5，1.5]和[-0.7，1.3]，上述三个区间及区间[-1，1]的交集为[Q，F]＝[0.4，1]。

三相桥臂的端电压取值范围分别为[Q_a，F_a]＝[Q+v_af，F+v_af]，[Q_b，F_b]＝[Q+v_bf，F+v_bf]和[Q_c，F_c]＝[Q+v_cf，F+v_cf]；如图4所示，表示四个桥臂端电压取值区间的对应关系。

步骤3：采用正负区间分离法划分偏置电压取值区间。

为减小开关变换次数，限定在一个采样周期内每个桥臂最多输出两种开关状态，且只在相邻的两个开关状态之间切换，即o和p，或n和o。当桥臂端电压在正区间内取值时，该桥臂输出o和p状态，当桥臂端电压在负区间内取值时，该桥臂输出n和o状态；根据四个桥臂包含的正负区间情况，将正负区间分离，划分偏置电压取值区间，分为以下几种情况：

(1)四个桥臂都只包含一种区间，偏置电压区间无需划分，包含一个子区间。

(2)四个桥臂中有一个桥臂包含正负区间，其它三个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为两个子区间。

比如图4中的b相桥臂包含正负区间，f桥臂和c相桥臂为正区间，a相桥臂为负区间，划分后的两个子区间如图5所示。

(3)四个桥臂中有两个桥臂包含正负区间，其它两个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为三个子区间。

(4)四个桥臂中有三个桥臂包含正负区间，另外一个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为四个子区间。

(5)四个桥臂中每个桥臂都包含正负区间，偏置电压划分为五个子区间。

步骤4：计算各个子区间内的最优序列偏置电压。

偏置电压在每个子区间内取值时，开关序列保持不变，并且首尾两个矢量是一对冗余分量；当端电压数值在子区间内变化时，两个冗余分量的作用时间重新分配，作用时间总和不变，其它矢量的作用时间保持不变；给出偏置电压在子区间[Q，M₁]取值时的开关序列，如图6所示，其中M₁表示偏置电压最左侧子区间的区间上限值：当v_fo取区间下限值Q时，下冗余矢量作用时间为0，上冗余矢量作用时间为时间总和d₀，d₀表示冗余矢量作用时间占空比，如图6(a)所示。当v_fo取区间中间值(Q+M₁)/2时，上下冗余矢量作用时间平均分配，都为d₀/2，对应于最优开关序列，如图6(b)所示。当v_fo取区间上限值M₁时，下冗余矢量作用时间为时间总和d₀，上冗余矢量作用时间为0，如图6(c)所示。其它子区间最优序列偏置电压求解方法相似。

步骤5：计算各个子区间开关序列产生的中点电流。

根据上述的分析，每个子区间内有一个产生最优序列的偏置电压，对于最复杂的五个子区间的情况，整个偏置电压取值范围内一共有五个最优序列偏置电压，这五个偏置电压对应的开关序列完全不同，因此产生的中点电流也不同，选取最有利于中点电位平衡控制的偏置电压，既可以减小输出电压中的谐波含量，又可以减小中点电位振荡幅值。

如果用N∈{1，2，3，4，5}表示子区间的个数，那么v_foi表示第i个最优序列偏置电压，i＝1，...，N；将v_foi带入到式(1)中，得到三相桥臂端电压{v_aoi，v_boi，v_coi}；一个采用周期内的平均中点电流为

i_NPi＝(1-|v_aoi|)i_a+(1-|v_boi|)i_b+(1-|v_coi|)i_c+(1-|v_foi|)i_f (5)其中，i_NPi表示第i个子区间的平均中点电流；i_a、i_b、i_c、i_f分别表示四个桥臂输出电流。

步骤6：比较电流差确定最优偏置电压。

直流侧电容容量用C₁和C₂表示，T_S表示采样周期，V_C1和V_C2表示直流侧两个电容上的电压，补偿电流i_cmp为

计算式(5)中N个中点电流与补偿电流的差值Δi_i为

Δi_i＝|i_NPi-i_cmp| (7)

比较式(7)中的N个中点电流差值，选取差值最小的子区间的最优序列偏置电压作为所用偏置电压。

应用Matlab\simulink软件，将所本实施例提出的具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法与传统的三电平四桥臂变换器最优序列载波调制方法进行对比分析，仿真参数如表1所示。

表1仿真参数

参数	数值
		直流电压V<sub>dc</sub>	300V
基频f	50Hz
		载波频率f<sub>s</sub>	5kHz
直流侧电容C<sub>1</sub>＝C<sub>2</sub>	470μF
		负载电感L	10mH
负载电阻C	10Ω

系统施加式(8)所示的三相参考电压：

图7和图8分别为传统最优序列载波调制方法和本实施例所提的最优序列调制方法的负载a相电压、电压THD和电容电压仿真波形。

从图7和图8可以看出，本实施例所提方法相比于传统方法中点电位振荡峰峰值从15V减小为5V，减小为原来的1/3，基波电压基本相同，略有增大，谐波含量从8.63％增大到10.37％，增加量很小。所以本实施例所提方法利用三电平四桥臂变换器具有的多冗余矢量特性，分析各种开关序列产生的中点电流，选取最有利于控制中点平衡的开关序列及偏置电压，在保证输出电压THD略微增加的条件下，能够极大减小中点电位振荡幅值，减小功率器件上承受的电压，减小电容容量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种具有中点电位控制能力的变换器最优序列调制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：变换器三相电压除以基准值V_dc/2得到标准化后的变换器三相参考电压v_af、v_bf和v_cf，取值范围均为[-2，2]；标准化的四个桥臂端电压为v_xo，x＝a、b、c、f，v_xo∈[-1，1]，三相参考电压和端电压之间满足下面关系式：

步骤2：确定偏置电压取值范围；

由式(1)中的三个方程确定偏置电压v_fo的三个取值区间，每个区间的跨度为2，三个区间以及区间[-1，1]的交集即为偏置电压的取值范围，用区间[Q，F]表示；

三相桥臂的端电压取值范围分别为[Q_a，F_a]＝[Q+v_af，F+v_af]，[Q_b，F_b]＝[Q+v_bf，F+v_bf]和[Q_c，F_c]＝[Q+v_cf，F+v_cf]；

步骤3：采用正负区间分离法划分偏置电压取值区间；

为减小开关变换次数，限定在一个采样周期内每个桥臂最多输出两种开关状态，且只在相邻的两个开关状态之间切换，即o和p，或n和o；当桥臂端电压在正区间内取值时，该桥臂输出o和p状态，当桥臂端电压在负区间内取值时，该桥臂输出n和o状态；根据四个桥臂包含的正负区间情况，将正负区间分离，划分偏置电压取值区间，分为以下几种情况：

(1)四个桥臂都只包含一种区间，偏置电压区间无需划分，包含一个子区间；

(2)四个桥臂中有一个桥臂包含正负区间，其它三个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为两个子区间；

(3)四个桥臂中有两个桥臂包含正负区间，其它两个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为三个子区间；

(4)四个桥臂中有三个桥臂包含正负区间，另外一个桥臂只包含一种区间，偏置电压划分为四个子区间；

(5)四个桥臂中每个桥臂都包含正负区间，偏置电压划分为五个子区间；

步骤4：计算各个子区间内的最优序列偏置电压；

给出偏置电压在子区间[Q，M₁]取值时的开关序列，其中M₁表示偏置电压最左侧子区间的区间上限值：当v_fo取区间中间值(Q+M₁)/2时，上下冗余矢量作用时间平均分配，都为d₀/2，对应于最优开关序列，d₀表示冗余矢量作用时间占空比；其它子区间最优序列偏置电压求解方法相似；

步骤5：计算各个子区间开关序列产生的中点电流；

如果用N∈{1，2，3，4，5}表示子区间的个数，那么v_foi表示第i个最优序列偏置电压，i＝1，...，N；将v_foi带入到式(1)中，得到三相桥臂端电压{v_aoi，v_boi，v_coi}；一个采样 周期内的平均中点电流为

i_NPi＝(1-|v_aoi|)i_a+(1-|v_boi|)i_b+(1-|v_coi|)i_c+(1-|v_foi|)i_f (5)

其中，i_NPi表示第i个子区间的平均中点电流；i_a、i_b、i_c、i_f分别表示四个桥臂输出电流；

步骤6：比较电流差确定最优偏置电压；

直流侧电容容量用C₁和C₂表示，T_S表示采样周期，V_C1和V_C2表示直流侧两个电容上的电压，补偿电流i_cmp为

计算式(5)中N个中点电流与补偿电流的差值Δ_i为

Δ_i＝|i_NPi-i_cmp| (7)

比较式(7)中的N个中点电流差值，选取差值最小的子区间的最优序列偏置电压作为所用偏置电压。

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