CN112290815B - 一种多电平逆变器的通用svpwm算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多电平逆变器的新型通用SVPWM算法，包括以下步骤：采集多电平逆变器的瞬时三相输入电压V_i(i＝x,y,z)，转换为瞬时二相输入电压后计算出旋转矢量V_ref的瞬时幅度；基于所述旋转矢量V_ref的尖端幅值以及调制指数M确定出逆变器的当前工作电平状态L；根据所述工作电平状态L确定出当前工作电平状态下每个扇区支撑矢量的K值。该多电平逆变器的新型通用SVPWM算法，仅需在两电平状态上确定开关矢量、开关顺序和停留时间，无需在n级电平状态下确定这些参数，也无需确定参考向量的确切位置，可以扩展为具有固定电平数的逆变器的应用中，无需使用任何查找表技术，简单有效，具有通用性，适用于采用非常规能源的基于网格/独立系统的MLI。

Description

一种多电平逆变器的通用SVPWM算法

技术领域

本发明属于电力电子技术应用领域，适用于并网逆变器、PWM镇流器等，更具体地说是涉及一种多电平逆变器的新型通用SVPWM算法。

背景技术

在现有的很多SVPWM方案中，随着输出电压电平的增加，涉及的复杂计算和存储要求也随之增加，这使得SVPWM方案的实施非常昂贵。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出的一种新的用于多电平逆变器(多电平逆变器)的通用SVPWM算法。目的是为了以更小的算法复杂度和条件，实现可以适用于多电平逆变器SVPWM的有效调制。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种多电平逆变器的新型通用SVPWM算法，包括以下步骤：

采集多电平逆变器的瞬时三相输入电压V_x、V_y、V_z，转换为瞬时二相输入电压后计算出旋转矢量V_ref的瞬时幅度；

基于所述旋转矢量V_ref的尖端幅值以及调制指数M确定出逆变器的当前工作电平状态L；

根据所述工作电平状态L确定出当前工作电平状态下每个扇区支撑矢量的k值，以生成每个扇区的支撑矢量SV_i，i＝1,...,k，并根据所述SV_i确定出与V_ref距离最小的支撑矢量，作为HLS中间矢量，其中HLS为高电平子六边形矢量图区域；

根据所述旋转矢量V_ref以及HLS中间矢量生成更高电平调制开关矢量。

作为本发明的进一步优化方案，所述计算给定的逆变器瞬时三相输入电压，计算公式为：

v_x＝V_m，cosωt (1)

其中V_m，是三相输入电压的幅值。

根据转换矩阵将瞬时三相输入电压转换成瞬时两相输入电压，转换矩阵为：

根据瞬时两相输入电压计算出瞬时幅度，计算公式为：

作为本发明的进一步优化方案，根据获取的瞬时幅度计算逆变器的工作电平状态，计算公式为：

其中M为调制指数，V_dc为沿0°轴的n电平电压矢量的最大长度。

作为本发明的进一步优化方案，根据工作电平状态L计算生成当前工作电平下每个扇区的支撑矢量，计算公式为：

k＝L-1 (8)

其中SV_k为第k个支撑矢量，V₁和V₂两个矢量是两电平输入矢量。

作为本发明的进一步优化方案，根据生成的支撑矢量来计算每个支撑矢量与V_ref的距离并选取最小距离的矢量作为包含V_ref尖端的HLS中间矢量，计算公式为：

其中(V_{ref_α},V_{ref_β})和(SV_{k_α},SV_{k_β})分别是V_ref和第k个支撑矢量的坐标。

作为本发明的进一步优化方案，将包含V_ref尖端的HLS中间矢量V_m映射到内部子六边形空间矢量图并计算出映射矢量V_{ref_m}的坐标(V_{ref_mα},V_{ref_mβ})，根据映射矢量获取内部子六边形空间矢量图最接近的相邻开关矢量，计算公式为：

V_{ref_mα}＝V_{ref_α}-V_{m_α}

V_{ref_mβ}＝V_{ref_β}-V_{m_β} (11)

其中(V_{ref_α},V_{ref_β})和(V_{m_α},V_{m_β})分别是V_ref和V_m的坐标。

作为本发明的进一步优化方案，根据获取的内部子六边形空间矢量图最接近的相邻开关矢量计算出与V_ref确切位置相关的n电平开关矢量，计算公式为：

其中V_m为包含V_ref尖端的HLS中间矢量，V₂₁、V₂₂、V₂₃为内部子六边形空间矢量图最接近的相邻开关矢量。

本发明的有益效果在于：

1)本发明仅涉及对向量的映射和反向映射的一些基本数学计算，仅需在两电平状态上确定开关矢量、开关顺序和停留时间，无需在n电平电平状态下确定这些参数，并且也无需确定参考向量的确切位置；

2)本发明可以扩展为具有固定电平数的逆变器的应用中，而无需使用任何查找表技术，简单有效；

3)本发明具有通用性，适用于采用非常规能源的基于网格/独立系统的多电平逆变器。

附图说明

图1为一种多电平逆变器的新型通用SVPWM算法中涉及步骤示意图；

图2为逆变器的工作电平状态；

图3为高电平子六边形矢量图区域的不同位置；

图4为支撑矢量的生成；

图5为高电平电压矢量生成；

图6a-6b为V/F控制的五电平逆变器馈电异步电动机在47Hz频率下的仿真结果；

图7a-7b为V/F控制的五电平逆变器馈电异步电动机在33Hz频率下的仿真结果；

图8a-8b为V/F控制的三电平逆变器馈电异步电动机在47Hz频率下的仿真结果；

图9a-9b为V/F控制的三电平逆变器馈电异步电动机在33Hz频率下的仿真结果；

图10a-10b为V/F控制的三电平逆变器馈电异步电动机在20Hz频率下的仿真结果；

图11为三电平逆变器线电压和无负载线电流实验波形以及在47Hz频率下的THD数值；

图12为三电平逆变器线电压和无负载线电流实验波形以及在33Hz频率下的THD数值；

图13为三电平逆变器线电压和无负载线电流实验波形以及在20Hz的频率下的THD数值；

图14为在不同频率下用于仿真和实验结果的电机线电压THD的比较图；

图15为在不同频率下用于仿真和实验结果的空载线电流THD的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1所示为本发明算法的实现步骤示意图，一种多电平逆变器的新型通用SVPWM算法，本实施例中，以五相逆变器举例，算法按如下步骤进行：

步骤1、给定的逆变器瞬时三相输入电压为：

v_x＝V_m，cosωt (1)

使用转换矩阵(4)将这些瞬时三相输入电压转换为瞬时二相输入电压。

使用表达式(4)，通过以下表达式(5)合成V_ref的瞬时幅度。

步骤2、确定逆变器的工作电平状态：

通过控制调制指数(M)，可以驱动n电平逆变器工作在2到“n”之间的任何电平状态。如图2所示，有两电平，三电平，四电平和五电平模式，它们分别由L＝2、L＝3、L＝4和L＝5表示。这些工作电平的状态可以根据旋转矢量V_ref的尖端幅值轻松确定。

通过使用以下表达式(6)可以容易地获得多电平逆变器的工作电平状态。设沿0⁰轴的n电平电压矢量的最大长度为V_dc，每级的调制指数为M。

通过使用表达式(7)，可以容易地获得每个电平状态下的M。

步骤3、支撑向量的生成：

五电平空间矢量中矢量(0,0,0)作为中间矢量，而高电平子六边形矢量图区域包含旋转矢量V_ref的尖端。但是，此高电平子六边形矢量图区域的位置不是固定的，它根据旋转矢量V_ref的大小和位置而变化。当V_ref在五电平工作扇区1中旋转时，HLS的各个位置如图4所示，在(3,0,0)、(3,1,0)、(3,2,0)和(3,3,0)这些矢量恰好位于以五电平工作状态运行旋转的V_ref下方。其中，最接近V_ref尖端的一个矢量将充当HLS的中间矢量。由于参考矢量在旋转，因此每个矢量在任何情况下都可能基于V_ref的位置充当HLS的中间矢量。

在每个扇区中最适合用作HLS中间矢量的矢量称为支撑矢量。因此，图3中所示的HLS中间矢量被认为是五电平工作扇区1的支撑矢量。每个扇区中的这些支撑矢量都是借助逆变器的工作电平和两个二电平输入矢量通过简单的过程直接生成的，而无需将其存储在查找表中。当V_ref在扇区1的五电平工作状态中旋转时的支撑矢量生成如图4所示。在这种情况下，线AA1，BB1和CC1分别是2电平，3电平和4电平六边形空间矢量图的一部分。AA1包含两个两电平矢量V1和V2。这些矢量被指定为与扇区1相关的输入矢量。CC1则包含五电平工作状态的支撑矢量。

通过使用以下表达式来确定每个扇区中的支撑矢量“k”的数值。

k＝L-1 (8)

其中，任何电平的第一支撑矢量可以通过将前面两电平输入矢量V1乘以L-2可以生成。之后，通过将两个输入矢量之差重复地添加到第一支撑矢量来生成其余的支撑矢量。

因此，通过使用下面的矩阵方程式(9)来生成恰好在特定工作电平下的每个扇区的支撑矢量。

其中SV_k表示第k个支撑矢量，V₁和V₂两个矢量是图4中两电平输入矢量。

步骤4：为HLS中间矢量确定最近的支撑矢量；

生成与每个扇区相关的所有支撑矢量后，需要确定最接近V_ref尖端的矢量。这可以通过使用下面的矩阵方程式(10)计算每个支撑矢量与V_ref的距离“d”来完成。

其中(V_{ref_α},V_{ref_β})和(SV_{k_α},SV_{k_β})分别是V_ref和第k个支撑矢量的坐标。其中，选择具有最小距离“d”的矢量作为包含V_ref尖端的HLS的中间矢量。

步骤5：更高电平调制开关矢量的生成；

在本算法中，将包含V_ref尖端的HLS映射到内部子六边形空间矢量图，这涉及将与HLS的V_ref相关的扇区映射到内部子六边形空间矢量图中。这是通过从矢量V_ref中减去HLS的中间矢量(V_m)来完成的。生成的矢量V_z映射到内部子六边形空间矢量图中，作为映射的参考矢量(V_{ref_m})，如图5所示。

在将V_ref映射到内部子六边形空间矢量图之后，通过使用以下表达式(11)来找到该映射矢量(V_{ref_m})的坐标(V_{ref_mα},V_{ref_mβ})。

V_{ref_mα}＝V_{ref_α}-V_{m_α}

V_{ref_mβ}＝V_{ref_β}-V_{m_β} (11)

其中(V_{ref_α},V_{ref_β})和(V_{m_α},V_{m_β})分别是V_ref和V_m的坐标。

由于内部子六边形空间矢量图在概念上被视为两电平逆变器，因此，通过使用任意的两电平CSVPWM方法可以得到与内部子六边形空间矢量图的矢量V_{ref_m}对应的最近的三个相邻矢量、切换序列生成和停留时间。

然后，使用反向映射方法将这两电平矢量的相关参数转换为更高电平的六边形空间矢量图中。这涉及将HLS的矢量V_m与先前生成的两电平矢量相加。如果矢量V21，V22，V23和V24是与两电平内部子六边形空间矢量图最接近的相邻开关矢量，则通过使用矩阵方程式(12)可以找到与V_ref的确切位置相关的n电平开关矢量。

基于反向映射原理的高电平电压开关矢量的生成如图4所示。因此，在映射原理中，不需要用查找表的方式生成实际开关矢量，并且也无需确定参考矢量的确切位置，将自动生成要切换的实际开关矢量和最佳的开关顺序。例如，考虑扇区1中的五电平逆变器，并如图5所示重画。

在此图中，瞬时V_ref的尖端位于HLS的扇区2中。通过从矢量V_ref中减去矢量V_m，将参考矢量映射为内部子六边形空间矢量图扇区2的V_{ref_m}。然后，生成与映射矢量V_{ref_m}的扇区有关的最近的三个相邻矢量(0,0,0)，(0,1,0)和(1,1,0)。在找到两电平电压矢量之后，通过使用反向映射原理产生与V_ref的精确位置有关的较高电平电压矢量。这涉及将两电平电压矢量相加到HLS的中间矢量(3,2,0)中。得出矢量(3,2,0＝0,0,0+3,2,0)，(3,3,0＝0,1,0+3,2,0)和(4,3,0＝1,1,0+3,2,0)，它们是与包含V_ref尖端的HLS扇区2相关的矢量。类似地，可以通过对任何n电平反相器使用两电平参数，直接生成与所有扇区的任何时刻的V_ref的精确位置有关的矢量。

仿真结果：

使用MATLAB/Simulink验证了开关序列为0127的新型通用SVPWM算法的性能。该算法中考虑的采样频率为2000Hz。该仿真是在无滤波器且无负载的情况下，对以伏特/赫兹控制的五电平和三电平逆变器供电的感应电动机进行的。电机线电压和电机空载线电流的仿真波形及其相关的THD在47Hz(较高的调制电平)，33Hz(中调制电平)和20Hz(较低的调制电平)的不同基本频率下呈现。

图6a和6b显示了电机线电压波形和线电流波形及其相对总谐波失真，频率为47Hz。

图7a和7b显示了电机线电压波形和线电流波形及其相对THD在33Hz的频率。

图8a和8b显示了电机在THD为47Hz时的三电平线电压和空载线电流仿真波形。从图8a可以看出，在33Hz的较低调制频率下，五电平逆变器在输出线电压中仅产生四电平，THD增大。

图9a和9b显示了电机在THD为33Hz时的三电平线电压和空载线电流仿真波形。

图10a和10b显示了电机在THD为20Hz时的三电平线电压和空载线电流仿真波形。

从图10a可以看出，在<25Hz的较低调制频率下，三电平逆变器在输出线电压中仅产生两电平，总谐波失真(THD)增大。从仿真波形的THD频谱，可以观察到在1000Hz和2000Hz频率下的谐波优势。是采样频率的整数倍。通过使用小型滤波器组件，可以轻松消除高频谐波。因此，通过增加采样频率可以提高逆变器的性能。

实验结果：

通过在基于IGBT的伏特/赫兹控制的三电平逆变器馈电式感应电动机上实现提出的新型SVPWM算法，已验证了上述仿真结果。

图11(a)-(b)显示了电机在THD为47Hz时的三电平线电压和空载线电流实验波形。

图12(a)-(b)显示了电机在THD为33Hz时的三电平线电压和空载线电流实验波形。

图13(a)-(b)显示了电机在THD为20Hz时的三电平线电压和空载线电流实验波形。

通过观察图14和图15，可以清楚地看出在40Hz至49.95Hz的整个频率范围内，仿真和实验结果几乎相似，因此本发明的算法更加简单有效，通用性更高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多电平逆变器的通用SVPWM算法，其特征在于，包括以下步骤：

采集多电平逆变器的瞬时三相输入电压V_x、V_y、V_z，转换为瞬时两相输入电压后计算出旋转矢量V_ref的瞬时幅度；

基于所述旋转矢量V_ref的尖端幅值以及调制指数M确定出逆变器的当前工作电平状态L；

根据所述工作电平状态L确定出当前工作电平状态下每个扇区支撑矢量的k值，以生成每个扇区的支撑矢量SV_i，i＝1,...,k，并根据所述SV_i确定出与V_ref距离最小的支撑矢量，作为HLS中间矢量，其中HLS为高电平子六边形矢量图区域；

其中，根据工作电平状态L计算生成当前工作电平下每个扇区的支撑矢量，计算公式为：

k＝L-1

其中SV_k为第k个支撑矢量，V₁和V₂两个矢量是两电平输入矢量；

基于所述旋转矢量V_ref以及HLS中间矢量生成更高电平调制开关矢量。

2.根据权利要求1所述的一种多电平逆变器的通用SVPWM算法，其特征在于：计算给定的逆变器瞬时三相输入电压：

v_x＝V_m，cosωt (1)

其中V_m，是三相输入电压的幅值；

根据转换矩阵将瞬时三相输入电压转换成瞬时两相输入电压，转换矩阵为：

根据瞬时两相输入电压计算出瞬时幅度，计算公式为：

3.根据权利要求2所述的一种多电平逆变器的通用SVPWM算法，其特征在于：根据获取的瞬时幅度计算逆变器的工作电平状态，计算公式为：

其中M为调制指数，V_dc为沿0°轴的n电平电压矢量的最大长度。

4.根据权利要求3所述的一种多电平逆变器的通用SVPWM算法，其特征在于：根据生成的支撑矢量来计算每个支撑矢量与V_ref的距离并选取最小距离的矢量作为包含V_ref尖端的HLS的中间矢量，计算公式为：

其中(V_{ref_α},V_{ref_β})和(SV_{k_α},SV_{k_β})分别是V_ref和第k个支撑矢量的坐标。

5.根据权利要求4所述的一种多电平逆变器的通用SVPWM算法，其特征在于：将包含V_ref尖端的HLS中间矢量V_m映射到内部子六边形空间矢量图并计算出映射矢量V_{ref_m}的坐标(V_{ref_mα},V_{ref_mβ})，根据映射矢量获取内部子六边形空间矢量图最接近的相邻开关矢量，计算公式为：

V_{ref_mα}＝V_{ref_α}-V_{m_α}

V_{ref_mβ}＝V_{ref_β}-V_{m_β}

其中(V_{ref_α},V_{ref_β})和(V_{m_α},V_{m_β})分别是V_ref和V_m的坐标。

6.根据权利要求5所述的一种多电平逆变器的通用SVPWM算法，其特征在于：根据获取的内部子六边形空间矢量图最接近的相邻开关矢量计算出与V_ref确切位置相关的n电平开关矢量，计算公式为：

其中V_m为包含V_ref尖端的HLS中间矢量，V₂₁、V₂₂、V₂₃为内部子六边形空间矢量图最接近的相邻开关矢量。

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