CN113271027A - 一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法 - Google Patents

一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，该算法采用4段式矢量合成方式，将逆变器开关频率降为传统7段式矢量合成方式的一半。在过调制区，创新地利用面积等效原理实现伏秒平衡，同时根据傅里叶分析计算得到使输出电压5、7次谐波含量最小的基本电压矢量作用时间，以此来抑制低开关频率导致的低频电流谐波和转矩脉动。本申请解决了传统算法开关频率高，电流和转矩谐波大的问题，并具有算法简单，适用性强的优点。

Description

一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法
技术领域
本发明涉及电力电子与电力传动领域中二极管钳位三电平逆变器调制领域，具体涉及一种具有低开关频率、转矩脉动和电流谐波的二极管钳位三电平逆变器高性能同步过调制算法。
背景技术
相较于传统两电平逆变器，二极管钳位的三电平逆变器具有较低的管压降，相同开关频率下输出谐波低等特点。因此，二极管钳位的三电平逆变器已经被广泛应用于中压大功率电机驱动场合。目前常见的二极管钳位的三电平逆变器的调制算法主要有空间电压矢量调制和载波脉冲宽度调制两种。这两种算法以其较好的谐波性能和较为简便的算法实现在工业界得到了广泛的应用与推广。但是，空间电压矢量调制和载波脉冲宽度调制的性能极其依赖载波比的大小。在中压大功率应用场合中，通常开关频率仅为几百赫兹，随着电机运行速度的提高，载波比会急剧下降。传统空间电压矢量调制和载波脉冲宽度调制算法在低载波比的条件下容易造成输出电压不对称，进而导致逆变器输出谐波增大，电机输出转矩脉动增加，严重影响控制性能。
此外，随着工业领域的发展，对于变频器在过调制区的性能要求也越来越高。过调制的优势在于：一方面，对于某些特殊应用场合，比如风机、水泵、提升机等应用，过调制算法能够使得电机在额定频率以上运行，拓宽调速范围，极大提高作业效率；另一方面，高性能的过调制算法能够降低对电网电压的跌落敏感性，特别是对于采用二极管整流的系统。目前现有的过调制算法主要有单模式算法和双模式算法。其中，单模式算法工程实现较为简单，但是逆变器输出的谐波性能较差。双模式算法能够改善逆变器输出谐波，但算法十分复杂，不利于工程应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，在低开关频率的基础上，改善逆变器输出谐波特性，降低电机输出转矩脉动，拓宽电机的调速范围以及提高系统对电压的适应性。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，其包括以下步骤：
S1，根据二极管钳位的三电平逆变器拓扑结构，在两相静止αβ坐标系中的6个大扇区M1~M6内分别进行5次参考电压矢量采样，共计30个参考电压矢量，将所述参考电压矢量的幅值与2/3倍直流母线电压求比值得到调制度m。
S2，对于所述共计30个参考电压矢量，分别设计4段式矢量合成方式。
S3，根据所述调制度m和所述4段式矢量合成方式，并采用面积等效原理计算基本电压矢量的作用时间的取值范围，所述基本电压矢量的作用时间包括基本小矢量的作用时间t 1、基本中矢量的作用时间t 2、基本大矢量的作用时间t 3。
S4，根据傅立叶分析，基于5、7次谐波最小原则，唯一确定一组所述基本小矢量的作用时间t 1、所述基本中矢量的作用时间t 2和所述基本大矢量的作用时间t 3的最优取值。
S5，按照所述基本小矢量的作用时间t 1、所述基本中矢量的作用时间t 2和所述基本大矢量的作用时间t 3的最优取值进行4段式矢量合成，并通过调制模块作用于开关器件。
进一步地，所述S1中将所述基本电压矢量划分为6个扇区方法为：选定在两相静止αβ坐标系中相对于α轴-30°的位置为第一扇区M1的起始位置，之后每60°划分为一个扇区，所有基本电压矢量关于开关状态的函数表示为：
Figure 363478DEST_PATH_IMAGE001
其中j为虚部单位，u s为基本电压矢量，U dc为直流母线电压采样值，S A、S B、S C为开关函数，定义为S x=1、0、-1，x=A、B、C，用字母p代表S x=1时的状态，用字母o代表S x=0时的状态，用字母n代表S x=-1时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量。
进一步地，所述S2中的4段式矢量合成方式为：
当参考电压矢量位于所述大扇区M1内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由pno、pnn、pno、poo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由poo、pno、pnn、onn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由onn、pnn、pnn、onn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由onn、pnn、pon、poo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由poo、pon、pnn、pon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M2内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由pon、ppn、pon、oon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由oon、pon、ppn、ppo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由ppo、ppn、ppn、ppo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由ppo、ppn、opn、oon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由oon、opn、ppn、opn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M3内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由opn、npn、opn、opo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由opo、opn、npn、non四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由non、npn、npn、non四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由non、npn、npo、opo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由opo、npo、npn、npo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M4内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由npo、npp、npo、noo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由noo、npo、npp、opp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由opp、npp、npp、opp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由opp、npp、nop、noo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由noo、nop、npp、nop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M5内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由nop、nnp、nop、oop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由oop、nop、nnp、nno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由nno、nnp、nnp、nno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由nno、nnp、onp、oop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由oop、onp、nnp、onp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M6内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由onp、pnp、onp、ono四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由ono、onp、pnp、pop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由pop、pnp、pnp、pop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由pop、pnp、pno、ono四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由ono、pno、pnp、pno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
进一步地，所述S3中的面积等效原理计算方法为：
Figure 948044DEST_PATH_IMAGE002
其中Δt为采样间隔，r ref为所述参考电压矢量的幅值，r 1为所述基本小矢量的幅值，r 2为所述基本中矢量的幅值，r 3为所述基本大矢量的幅值，t 1为所述基本小矢量的作用时间、t 2为所述基本中矢量的作用时间，t 3为所述基本大矢量的作用时间。
进一步地，所述S3中的基本小矢量的作用时间t 1、基本中矢量的作用时间t 2和基本大矢量的作用时间t 3的取值范围计算方法为：
Figure 69714DEST_PATH_IMAGE003
其中m为调制度。
进一步地，所述S4中的傅立叶分析计算方法为：
Figure 284795DEST_PATH_IMAGE004
其中θ为空间电压矢量在两相静止αβ坐标系中相对于α轴的夹角，U x表示x相桥臂输出相电压，x=A、B、C，a 0表示傅立叶分析后的直流分量，a k表示傅立叶分析后的k次谐波余弦分量，b k表示傅立叶分析后的k次谐波正弦分量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1) 采用4段式矢量合成方式，其等效开关频率仅为传统7段式矢量合成方式的一半，有效降低了逆变器开关频率和开关损耗；
(2) 通过合理设计基本电压矢量作用顺序，保证输出电压脉冲满足三相对称、半波对称以及1/4对称，有效解决低载波比条件下输出电压不对称导致的控制性能变差问题；
(3) 基于面积等效原理，在保证调制算法在过调制区满足伏秒平衡的同时，极大地简化了计算过程，有利于工程应用；
(4) 采用傅立叶分析的方法确定所述基本小矢量的作用时间t 1、所述基本中矢量的作用时间t 2和所述基本大矢量的作用时间t 3的最优取值，进而极大改善了逆变器输出电流谐波性能，降低了电机输出电磁转矩脉动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为二极管钳位的三电平逆变器拓扑图；
图2为基本电压矢量在两相静止αβ坐标系中的分布图；
图3为M1扇区内参考电压矢量分布图；
图4为一个基波周期内逆变器输出相电压波形；
图5为面积等效原理示意图，其中(a)为实际矢量拟合过程，(b)为理想矢量拟合过程；
图6为调制度为0.89时不同基本小矢量作用时间对应的输出电压谐波分布，其中(a)为电压5次谐波分布图，(b)为电压7次谐波分布图；
图7为调制度为0.95时不同基本小矢量作用时间对应的输出电压谐波分布，其中(a)为电压5次谐波分布图，(b)为电压7次谐波分布图；
图8为传统算法稳态满载情况下的实验结果，其中(a)为电机A相电流、相电压、线电压的实验波形，(b)为电流总谐波畸变率分析结果；
图9为本发明所提算法稳态满载情况下的实验结果，其中(a)为电机A相电流、相电压、线电压的实验波形，(b)为电流总谐波畸变率分析结果；
图10为传统算法和本发明所提算法在不同调制度情况下，电流总谐波畸变率对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
具体的实施步骤如下。
一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，包括以下步骤：
步骤1：建立二极管钳位的三电平逆变器数学模型。二极管钳位的三电平逆变器拓扑如图1所示。在二极管钳位的三电平逆变器中，每相桥臂共有三种开关状态，分别为S1、S2导通，S3、S4关断；S2、S3导通，S1、S4关断；S3、S4导通，S1、S2关断。其中S1、S2、S3、S4分别为图1中每相桥臂从上到下第1、2、3、4个开关管。用开关函数S A、S B、S C对每相桥臂的开关状态进行表示。开关函数定义为S x=1、0、-1，x=A、B、C，并用字母p代表S x=1时的状态，用字母o代表S x=0时的状态，用字母n代表S x=-1时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量。逆变器每相输出电压计算方法为：
Figure 373974DEST_PATH_IMAGE005
其中，U x表示x相桥臂输出相电压，x=A、B、C，U dc为直流母线电压采样值。基本电压矢量u s关于开关函数的表达式计算方法为：
Figure 762230DEST_PATH_IMAGE006
其中j为虚部单位。
根据开关函数，各个基本电压矢量在空间中的分布如图2所示。其中，整个基本电压矢量空间被划分为M1~M6共计6个大扇区。
步骤2：确定扇区内采样点位置，并确定每次采样拟合时所选用的基本电压矢量。图3给出M1扇区内参考电压矢量采样点位置示意图。以第一扇区为例，根据最近三矢量原则，参考电压矢量u ref1和u ref2将由基本电压矢量pnn、pno、poo或onn合成；参考电压矢量u ref3将由基本电压矢量pnn、poo、onn合成；参考电压矢量u ref4和u ref5将由基本电压矢量pnn、pon、poo或onn合成。
步骤3：针对每个参考电压矢量，按照如下规则设计4段式矢量合成方式：尽可能减小不同基本矢量切换时产生的开关动作次数；输出相电压满足三相对称、半波对称和1/4对称性。因此，4段式矢量合成方式如下：
当参考电压矢量位于所述大扇区M1内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由pno、pnn、pno、poo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由poo、pno、pnn、onn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由onn、pnn、pnn、onn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由onn、pnn、pon、poo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由poo、pon、pnn、pon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M2内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由pon、ppn、pon、oon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由oon、pon、ppn、ppo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由ppo、ppn、ppn、ppo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由ppo、ppn、opn、oon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由oon、opn、ppn、opn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M3内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由opn、npn、opn、opo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由opo、opn、npn、non四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由non、npn、npn、non四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由non、npn、npo、opo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由opo、npo、npn、npo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M4内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由npo、npp、npo、noo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由noo、npo、npp、opp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由opp、npp、npp、opp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由opp、npp、nop、noo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由noo、nop、npp、nop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M5内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由nop、nnp、nop、oop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由oop、nop、nnp、nno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由nno、nnp、nnp、nno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由nno、nnp、onp、oop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由oop、onp、nnp、onp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
当参考电压矢量位于所述大扇区M6内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由onp、pnp、onp、ono四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由ono、onp、pnp、pop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由pop、pnp、pnp、pop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由pop、pnp、pno、ono四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由ono、pno、pnp、pno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
步骤4：根据当前参考电压矢量的幅值U m以及当前直流母线电压采样值U dc，调制度m计算方法为：
Figure 190937DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤5：基于图5所示的面积等效原理，根据步骤4计算得到的调制度，列出此时的伏秒平衡方程：
Figure 639236DEST_PATH_IMAGE002
其中Δt为采样间隔，r ref为所述参考电压矢量的幅值，r 1为所述基本小矢量的幅值，r 2为所述基本中矢量的幅值，r 3为所述基本大矢量的幅值，t 1为所述基本小矢量的作用时间，t 2为所述基本中矢量的作用时间，t 3为所述基本大矢量的作用时间。
由于基本小矢量的作用时间t 1、基本中矢量的作用时间t 2和基本大矢量的作用时间t 3不可能为负，因此取值范围计算方法为：
Figure 418973DEST_PATH_IMAGE008
。
步骤6：基于最小谐波原则，确定基本小矢量的作用时间t 1。令任意扇区内，参考电压矢量u ref1和u ref5对应的基本小矢量作用时间为t 1-15；参考电压矢量u ref2和u ref4对应的基本小矢量作用时间为t 1-24；参考电压矢量u ref3对应的基本小矢量作用时间为t 1-3。不同的作用时间取值对应着不同的输出谐波特性。其中参考电压矢量u ref3对应的基本小矢量作用时间t 1-3因为其仅由基本小矢量和基本大矢量合成，因而不存在可调整的自由度。其计算方法为：
Figure 361653DEST_PATH_IMAGE009
因此，可通过对t 1-15和t 1-24进行合理设计来改善逆变器输出谐波特性。
图4中所示逆变器输出相电压进行傅立叶分析的计算方法为：
Figure 644866DEST_PATH_IMAGE004
其中θ为空间电压矢量在两相静止αβ坐标系中相对于α轴的夹角，a 0表示傅立叶分析后的直流分量，a k表示傅立叶分析后的k次谐波余弦分量，b k表示傅立叶分析后的k次谐波正弦分量。
其中各次谐波系数计算方法为：
Figure 529646DEST_PATH_IMAGE010
其中ω为基波分量的角频率。
因为输出相电压满足半波对称和1/4对称，所以：
Figure 531100DEST_PATH_IMAGE011
因此，输出相电压中5、7次谐波分量计算方法为：
Figure 995579DEST_PATH_IMAGE012
。
可以计算出不同t 1-15和t 1-24的取值对最终逆变器输出相电压5、7次谐波的影响如图6和图7所示。
因此，确定最优t 1-15和t 1-24的方法为：首先根据调制度并结合各个基本电压矢量作用时间所需要满足的条件计算得到t 1-15和t 1-24的取值范围；其次，利用傅立叶分析计算相电压谐波表达式并绘出图6所示的谐波分布图；最后，在谐波分布图中寻找使得5、7次谐波最小的点作为最优的t 1-15和t 1-24取值。
步骤7：根据步骤2得到的基本电压矢量作用顺序和步骤5得到的基本电压矢量作用时间，直接将其按照参考电压矢量旋转的方向依次作用于逆变器即可。
图8为传统算法稳态满载情况下的实验结果，其中(a)为电机A相电流、相电压、线电压的实验波形，(b)为电流总谐波畸变率分析结果。
图9为本发明所提算法稳态满载情况下的实验结果，其中(a)为电机A相电流、相电压、线电压的实验波形，(b)为电流总谐波畸变率分析结果。
对比图8和图9可以发现，本发明提出的一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法能够降低输出电流中的5、7次谐波分量，进而抑制电机转矩脉动。
图10为传统算法和本发明所提算法在不同调制度情况下，电流总谐波畸变率对比。通过对比可以发现，本发明提出的一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法在全部过调制区内，输出谐波均优于传统算法。上述结果验证了该方法的有效性和可行性。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据二极管钳位的三电平逆变器拓扑结构，在两相静止αβ坐标系中的6个大扇区M1~M6内分别进行5次参考电压矢量采样，共计30个参考电压矢量，将所述参考电压矢量的幅值与2/3倍直流母线电压求比值得到调制度m；
S2，对于所述共计30个参考电压矢量，分别设计4段式矢量合成方式；
S3，根据所述调制度m和所述4段式矢量合成方式，并采用面积等效原理计算基本电压矢量的作用时间的取值范围，所述基本电压矢量的作用时间包括基本小矢量的作用时间t 1、基本中矢量的作用时间t 2、基本大矢量的作用时间t 3；
S4，根据傅立叶分析，基于5、7次谐波最小原则，唯一确定一组所述基本小矢量的作用时间t 1、所述基本中矢量的作用时间t 2和所述基本大矢量的作用时间t 3的最优取值；
S5，按照所述基本小矢量的作用时间t 1、所述基本中矢量的作用时间t 2和所述基本大矢量的作用时间t 3的最优取值进行4段式矢量合成，并通过调制模块作用于开关器件。
2.根据权利要求1所述的一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，其特征在于，所述S1中6个大扇区M1~M6定义为：选定在两相静止αβ坐标系中相对于α轴-30°的位置为第一扇区M1的起始位置，之后每60°划分为一个扇区，所有基本电压矢量可以用开关函数表示为：
Figure 125509DEST_PATH_IMAGE001
其中j为虚部单位，u s为基本电压矢量，U dc为直流母线电压采样值，S A、S B、S C为开关函数，定义为S x=1、0、-1，x=A、B、C，用字母p代表S x=1时的状态，用字母o代表S x=0时的状态，用字母n代表S x=-1时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量。
3.根据权利要求1所述的一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，其特征在于，所述S2中的4段式矢量合成方式如下：
当参考电压矢量位于所述大扇区M1内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由pno、pnn、pno、poo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由poo、pno、pnn、onn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由onn、pnn、pnn、onn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由onn、pnn、pon、poo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由poo、pon、pnn、pon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；
当参考电压矢量位于所述大扇区M2内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由pon、ppn、pon、oon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由oon、pon、ppn、ppo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由ppo、ppn、ppn、ppo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由ppo、ppn、opn、oon四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由oon、opn、ppn、opn四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；
当参考电压矢量位于所述大扇区M3内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由opn、npn、opn、opo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由opo、opn、npn、non四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由non、npn、npn、non四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由non、npn、npo、opo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由opo、npo、npn、npo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；
当参考电压矢量位于所述大扇区M4内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由npo、npp、npo、noo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由noo、npo、npp、opp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由opp、npp、npp、opp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由opp、npp、nop、noo四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由noo、nop、npp、nop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；
当参考电压矢量位于所述大扇区M5内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由nop、nnp、nop、oop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由oop、nop、nnp、nno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由nno、nnp、nnp、nno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由nno、nnp、onp、oop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由oop、onp、nnp、onp四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；
当参考电压矢量位于所述大扇区M6内，第一次采样的参考电压矢量u ref1由onp、pnp、onp、ono四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第二次采样的参考电压矢量u ref2由ono、onp、pnp、pop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第三次采样的参考电压矢量u ref3由pop、pnp、pnp、pop四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第四次采样的参考电压矢量u ref4由pop、pnp、pno、ono四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成；第五次采样的参考电压矢量u ref5由ono、pno、pnp、pno四个基本电压矢量按顺序对参考电压矢量进行合成。
4.根据权利要求1所述的一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，其特征在于，所述S3中的面积等效原理计算方法为：
Figure 109645DEST_PATH_IMAGE002
其中Δt为采样间隔，r ref为所述参考电压矢量的幅值，r 1为所述基本小矢量的幅值，r 2为所述基本中矢量的幅值，r 3为所述基本大矢量的幅值，t 1为所述基本小矢量的作用时间、t 2为所述基本中矢量的作用时间，t 3为所述基本大矢量的作用时间；
所述S3中的基本小矢量的作用时间t 1、基本中矢量的作用时间t 2和基本大矢量的作用时间t 3的取值范围计算方法为：
Figure 891657DEST_PATH_IMAGE003
其中m为调制度。
5.根据权利要求1所述的一种二极管钳位的三电平逆变器高性能同步过调制算法，其特征在于，所述S4中的傅立叶分析计算方法为：
Figure 201415DEST_PATH_IMAGE004
其中θ为空间电压矢量在两相静止αβ坐标系中相对于α轴的夹角，U x表示x相桥臂输出相电压，x=A、B、C，a 0表示傅立叶分析后的直流分量，a k表示傅立叶分析后的k次谐波余弦分量，b k表示傅立叶分析后的k次谐波正弦分量。
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