一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法及系统与流程

1.本发明属于电力电子与电力传动技术领域，更具体地，涉及一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法及系统。


背景技术：

2.在中压大功率传动系统中，大容量高性能的变换器得到广泛应用。当前，受限于功率器件容量的限制，依靠器件与拓扑组合解决高电压、大电流的需求，通过器件串联、装置级联和多电平技术实现高电压目标；通过器件并联、装置并联和多重化技术实现大电流目标。交错并联型变换器将并联桥臂通过电感耦合输出，在扩大变换器输出容量的同时，还能提高等效开关频率，进一步减小输出电流的谐波含量。由于并联桥臂的输出脉冲不一致，必然会导致并联桥臂之间存在环流。实际上，交错并联型变换器是牺牲单台变换器的电流质量，换来并联输出电流的减少。传统交错并联型变换器采用每台独立控制方法，相邻变换器之间的载波相移2π/n，以达到最佳的谐波性能，高频环流主要依靠耦合电感进行抑制2个三电平桥臂并联的变换器，可以直接采用基于五电平空间矢量法进行调制和控制，而无需再将其看做分立的2台三电平变换器，就可以打破三电平运行对于变换器开关器件的约束，实现性能提升。但是由于pwm采样计算到加载具有滞后1拍的特性，传统环流抑制方法仅以当前周期的环流采样值作为判据进行环流调节，存在环流调节滞后的问题，导致环流峰值较大，增加了功率器件的电热应力，降低了并联变换器的输出能力。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法及系统，旨在解决现有的并联变换器输出波形质量欠佳、并联桥臂间环流大和整体输出能力受限的问题。
4.为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法，包括以下步骤：s1：在每个中断周期获取变换器期望输出的三相给定电压值，并根据变换器直流母线电压对三相给定电压进行归一化处理；s2：将归一化处理后的三相给定电压变换至两相静止αβ坐标系下，根据给定电压的α分量和β分量值计算给定电压矢量所处的扇区；s3：根据给定电压矢量所处的扇区，按照最近三矢量合成法选择输出的开关矢量，并计算开关矢量的作用时间；s4：根据当前变换器直流侧中点电压以及输出交流电流，调整冗余开关矢量的作用时间以平衡变换器直流侧中点电压；其中，一个开关矢量由一对冗余开关矢量合成；s5：根据调整后的开关矢量以及作用时间，生成变换器的五电平开关序列；s6：基于当前开关周期的采样电流，根据上一个中断周期输出的三电平开关序列，预测下一个中断周期开始时刻的并联桥臂环流大小，以预测的并联桥臂环流大小为判据，
将五电平开关序列分配为并联三电平变换器的三电平开关序列；s7：将并联三电平变换器的三电平开关序列分别经过最小脉宽和死区模块，生成相应的pwm调制脉冲，以实现交错并联型五电平变换器空间矢量调制。
5.进一步优选地，预测的并联桥臂环流表达式为：其中，i
cir_x
（k）为k时刻采样的环流值；sign
x
(k-1)为k-1时刻环流调节符号函数，对环流上升调节时sign
x
(k-1)=1，对环流下降调节时sign
x
(k-1)=-1，对环流无影响时sign
x
(k-1)=0；t
x
(k-1)为k-1时刻环流调节有效时间；l耦合电感的自感；m是耦合电感的互感；v
dc
为变换器直流母线电压。
6.进一步优选地，给定电压矢量所处扇区的计算方法为：其中，v
α’和v
β’分别为给定电压的α分量和β分量值；n=1时，表示扇区ii；n=2时，表示扇区vi；n=3时，表示扇区i；n=4时，表示扇区iv；n=5时，表示扇区iii；n=6时，表示扇区v。
7.进一步优选地，根据给定电压的α分量和β分量值，将扇区ii至扇区vi转换至扇区i，对各扇区进一步划分为16个区域，扇区i的划分方法为：当v
β*
≤0.25时
当0.25＜v
β*
≤0.5时当0.5＜v
β*
≤0.75时当0.75＜v
β*
≤1时，为区域16；其中，,。
8.进一步优选地，冗余开关矢量的作用时间获取方法为：利用变换器的输出交流电流，建立冗余开关矢量的作用时间和中点电荷量之间的关系式；采集变换器直流侧的上部中点电压和下部中点电压，计算中点电位存在的电荷偏差；计算使流过中点的电荷量等于中点电位电荷偏差的一半对应的冗余开关矢量的作用时间。
9.另一方面，本发明提供了一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制系统，包括：三相给定电压计算模块，用于在每个中断周期获取变换器期望输出的三相给定电压值，并根据变换器直流母线电压对三相给定电压进行归一化处理；扇区计算模块，用于将归一化处理后的三相给定电压变换至两相静止αβ坐标系下，根据给定电压的α分量和β分量值计算给定电压矢量所处的扇区；开关矢量作用时间的计算模块，用于根据给定电压矢量所处的扇区，按照最近三
矢量合成法选择输出的开关矢量，并计算开关矢量的作用时间；冗余开关矢量调节模块，用于根据当前变换器直流侧中点电压以及输出交流电流，调整冗余开关矢量的作用时间以平衡变换器直流侧中点电压；其中，在开关矢量中有一个开关矢量由一对冗余开关矢量合成；五电平开关序列生成模块，用于根据调整后的开关矢量以及作用时间，生成五电平开关序列；三电平开关序列分配模块，用于基于当前开关周期的采样电流，根据上一个中断周期输出的三电平开关序列，计算下一个中断周期开始时刻的并联桥臂环流大小作为预测值，以预测值为判据，将五电平开关序列分配为并联三电平变换器的三电平开关序列；pwm调制脉冲生成模块，用于将并联三电平变换器的三电平开关序列分别经过最小脉宽和死区模块，生成相应的pwm调制脉冲，以实现交错并联型五电平变换器空间矢量调制。
10.进一步优选地，预测的并联桥臂环流表达式为：其中，i
cir_x
（k）为k时刻采样的环流值；sign
x
(k-1)为k-1时刻环流调节符号函数，对环流上升调节时sign
x
(k-1)=1，对环流下降调节时sign
x
(k-1)=-1，对环流无影响时sign
x
(k-1)=0；t
x
(k-1)为k-1时刻环流调节有效时间；l耦合电感的自感；m是耦合电感的互感；v
dc
为变换器直流母线电压。
11.进一步优选地，给定电压矢量所处扇区的计算方法为：其中，v
α’和v
β’分别为给定电压的α分量和β分量值；n=1时，表示扇区ii；n=2时，表示扇区vi；n=3时，表示扇区i；n=4时，表示扇区iv；n=5时，表示扇区iii；n=6时，表示扇区v。
12.进一步优选地，根据给定电压的α分量和β分量值，将扇区ii至扇区vi转换至扇区i，对各扇区进一步划分为16个区域，扇区i的划分方法为：当v
β*
≤0.25时
当0.25＜v
β*
≤0.5时当0.5＜v
β*
≤0.75时当0.75＜v
β*
≤1时，为区域16；其中，,。
13.进一步优选地，冗余开关矢量调节模块包括：中点电荷量函数的构建单元，用于利用变换器的输出交流电流，建立冗余开关矢量的作用时间和中点电荷量之间的关系式；电荷偏差计算单元，用于采集变换器直流侧的上部中点电压和下部中点电压，计算中点电位存在的电荷偏差；冗余开关矢量作用时间的计算单元，用于计算使流过中点的电荷量等于中点电位电荷偏差的一半对应的冗余开关矢量的作用时间。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明提供了一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法及系统，由于pwm采样计算到加载具有滞后1拍的特性，如果仅以当前开关周期的环流采样值作为判据进行环流调节会存在调节滞后，导致环流峰值增大1倍。为了解决调节滞后导致的环流峰值增大的问题，本发明在每个中断周期预测下一个中断周期开始时刻的环流，以该预测值作为判据进行环流调节，此方法进行环流调节时没有滞后一拍的影响，环流调节更及时，并联变换器之间的环流更小，有效降低了变换器中器件的电热应力，进而提高了并联变换器的输出能力。
15.传统三电平空间矢量调制是分为6个扇区，每个扇区分为4个区域。本发明将两个并联的三电平变换器当作一个整体进行五电平空间矢量调制，同样分为6个扇区，但是每个扇区内细分为16个区域；与三电平相比，区域划分更为精细，可供选择的开关矢量也更多，在合成给定电压时，可以选择更优的开关矢量，使输出波形质量更优，能够大幅降低输出电压的波动。
附图说明
16.图1是本发明实施例提供的两台三相三电平变换器交错并联拓扑结构示意图；图2是本发明实施例提供的交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法流程框图；图3是本发明实施例提供的五电平空间电压矢量的扇区和区域的划分示意图；图4是本发明实施例提供的输出相电压影响环流的区间示意图；图5是本发明实施例提供的电流环流的预测方法示意图；图6是本发明实施例提供的五电平开关序列分配为并联三电平变换器的开关序列示意图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.一方面，如图2所示，本发明提供了一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法，其中，交错并联型五电平变换器如图1所示，包括以下步骤：步骤一：在每个中断周期获得变换器期望输出的三相给定电压值v
xref
（其中，x=a，
b，c），并根据变换器直流母线电压v
dc
对给定电压v
xref
进行归一化处理，归一化后的给定电压v
x*
为：v
x*
=v
xref
/v
dc
（1）归一化后的给定电压v
x*
的范围限制为-1≤v
x*
≤1；步骤二：将三相给定电压v
x*
变换为两相静止αβ坐标系，再根据v
α’和v
β’的值计算电压矢量所处的扇区和区域；如图3所示，将整个空间矢量分为i~vi扇区共6个扇区，每个扇区又细分为16个区域；进一步地，将三相静止abc坐标系的给定电压变换到两相静止αβ坐标系的变换公式如下：（2）得到给定电压的v
α’和v
β’值后，就可以计算给定电压矢量所处的扇区和区域；整个空间矢量的6个扇区划分如下：（3）其中，n=1时，表示扇区ii；n=2时，表示扇区vi；n=3时，表示扇区i；n=4时，表示扇区iv；n=5时，表示扇区iii；n=6时，表示扇区v；扇区ii~扇区vi可以先转换到扇区i，再按照扇区i的方式进行区域的划分；其中，θ为给定电压矢量的角度；vm为给定电压矢量的幅值；将给定电压矢量从其余五个扇区转换到扇区i的方法为：
以扇区i为例，扇区内的16个区域划分如下，其他扇区类似；当v
β*
≤0.25时（4）当0.25＜v
β*
≤0.5时（5）当0.5＜v
β*
≤0.75时
（6）当0.75＜v
β*
≤1时，为区域16；（7）步骤三：根据给定电压矢量所处的扇区和区域，按照最近三矢量合成法选择输出的开关矢量，并计算开关矢量的作用时间；当确定了给定电压矢量所处的扇区和区域后，按照最近三矢量合成法，可以确定输出的开关矢量v1、v2和v3，再根据伏秒平衡原则计算开关矢量的作用时间；（8）其中，t1、t2和t3分别是三个开关矢量的作用时间，ts是开关周期；v
*
为αβ坐标系下的给定电压矢量；步骤四：根据当前直流侧中点电压及输出交流电流，调整冗余开关矢量的作用时间，以平衡直流侧中点电压；其中，开关矢量v1、v2和v3中存在一个开关矢量由一对冗余开关矢量合成；以扇区i的区域7为例说明，区域7所在三角形三个顶点为三个开关矢量，分别是开关矢量v1、v2和v3，其中，v1对应有两种开关状态（2，-1，-1）和（1，-2，-2），这是一对冗余开关矢量，它们对中点电位的影响是相反的，因此，可以通过控制这对冗余开关矢量的作用时间比例关系，就可以调节中点电位，以平衡直流侧中点电压；设定一对冗余小矢量作用时间比例关系为p：（1-p），即开关状态（2，-1，-1）的作用时间为p t1，开关状态（1，-2，-2）的作用时间为（1-p）t1；则在一个开关周期内输出开关矢量v1、v2和v3时，流过中点的电荷量为：其中，i
np
(t)表示流过中点的电流；通过上述计算，可将流过中点的电荷量q0表示为关于冗余小矢量作用时间比例关系p的表达式q0（p）；括号内开关状态分别表示abc三相输出的电平，
±
2表示电压
±vdc
，
±
1表示电压
±
0.5 v
dc
，0表示电压0；进一步地，根据采样的直流侧上、下部中点电压v
dc1
和v
dc2
，可计算出中点电位存在的电荷偏差为：
△
q=0.5c(v
dc1
‑ꢀvdc2
)通过调整p值，使流过中点的电荷量q0等于中点电位电荷偏差的一半
△
q/2，以达到上、下部电容上的电荷量相等，实现中点电位平衡；最后得到p值后，就可以确定冗余开关
矢量的作用时间；步骤五：根据调整后的开关矢量以及作用时间，生成五电平开关序列；当得到输出的开关矢量以及作用时间后，就可以生成五电平开关序列；为了尽可能降低变换器的开关频率，对开关序列约束为：a.每次开关状态切换时，至多允许一相桥臂的开关状态发生变化；b.每个采样周期中的开关状态切换次数不能超过三次；按照一个开关周期内开关状态变换的次数，可分为三段式、五段式、七段式和九段式等，本发明以七段式开关序列为例进行说明；步骤六：基于当前周期的采样电流，根据上一个中断周期输出的开关序列，计算下一个中断周期开始时刻的并联桥臂环流大小，以该预测值作为判据，将五电平开关序列分配为并联三电平变换器的开关序列，以实现并联桥臂的均流控制；对于交错并联型变换器，一个重要的指标是满足并联桥臂的电流均衡控制；图4为输出相电压影响环流的区间示意图，可选用
±
0.5v
dc
、0电平处均可调节环流大小，但0电平处调节时（此时v
ao,1
=v
dc
、v
ao,2
=
‑ꢀvdc
或者v
ao,1
=-v
dc
、v
ao,2
=v
dc
）会存在桥臂电压在v
dc
与-v
dc
之间跳变，增大开关损耗及电磁干扰，因此，只选用
±
0.5v
dc
电平处调节环流大小；由于pwm采样计算到加载具有滞后1拍的特性，如果仅以当前周期的环流采样值作为判据进行环流调节会存在调节滞后，导致环流峰值增大1倍；为进一步说明，以图5为例进行阐述，在t（k-1）时刻，采样的环流小于0，环流调节器判断出需要上升，并在t（k）时刻起作用；但是在t（k）~t（k 1）期间，实际环流已大于0，在t（k 1）~t（k 2）期间，环流继续朝着上升方向变化，导致环流峰值增大1倍；为了解决调节滞后导致环流峰值增大的问题，本发明提供了一种改进方法，在每个中断周期预测下一个中断周期开始时刻的环流，以该预测值作为判据进行环流调节，预测的环流表达式为：其中，i
cir_x
（k）为k时刻采样的环流值；sign
x
(k-1)为k-1时刻环流调节符号函数，对环流上升调节时sign
x
(k-1)=1，对环流下降调节时sign
x
(k-1)=-1，对环流无影响时sign
x
(k-1)=0；t
x
(k-1)为k-1时刻环流调节有效时间；l耦合电感的自感；m是耦合电感的互感；图6所示为将五电平开关序列分配为并联三电平变换器的开关序列示意图，根据上式计算得到环流的预测值后，以该预测值作为判据，将五电平开关序列分配为并联三电平变换器的开关序列；以a相为例，若预测的环流值大于等于0，则a相并联桥臂的输出电平为图6左侧所示，使实际环流朝零轴方向变化；若预测的环流值小于0，则a相并联桥臂的输出电平为图6右侧所示，同样使实际环流朝零轴方向变化，始终保持环流在零轴附近波动，才能实现并联桥臂的均流控制；步骤七：将并联变换器的三电平开关序列分别经过最小脉宽和死区模块后，生成相应的pwm调制脉冲。
19.另一方面，本发明提供了一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制系统，包括：三相给定电压计算模块，用于在每个中断周期获取变换器期望输出的三相给定电压值，并根据变换器直流母线电压对三相给定电压进行归一化处理；
扇区计算模块，用于将归一化处理后的三相给定电压变换至两相静止αβ坐标系下，根据给定电压的α分量和β分量值计算给定电压矢量所处的扇区；开关矢量作用时间的计算模块，用于根据给定电压矢量所处的扇区，按照最近三矢量合成法选择输出的开关矢量，并计算开关矢量的作用时间；冗余开关矢量调节模块，用于根据当前变换器直流侧中点电压以及输出交流电流，调整冗余开关矢量的作用时间以平衡变换器直流侧中点电压；其中，在开关矢量中有一个开关矢量由一对冗余开关矢量合成；五电平开关序列生成模块，用于根据调整后的开关矢量以及作用时间，生成五电平开关序列；三电平开关序列分配模块，用于基于当前开关周期的采样电流，根据上一个中断周期输出的开关序列，计算下一个中断周期开始时刻的并联桥臂环流大小作为预测值，以预测值为判据，将五电平开关序列分配为并联三电平变换器的三电平开关序列；pwm调制脉冲生成模块，用于将并联三电平变换器的三电平开关序列分别经过最小脉宽和死区模块，生成相应的pwm调制脉冲，以实现交错并联型五电平变换器空间矢量调制。
20.进一步优选地，预测的并联桥臂环流表达式为：其中，i
cir_x
（k）为k时刻采样的环流值；sign
x
(k-1)为k-1时刻环流调节符号函数，对环流上升调节时sign
x
(k-1)=1，对环流下降调节时sign
x
(k-1)=-1，对环流无影响时sign
x
(k-1)=0；t
x
(k-1)为k-1时刻环流调节有效时间；l耦合电感的自感；m是耦合电感的互感；v
dc
为变换器直流母线电压。
21.进一步优选地，给定电压矢量所处扇区的计算方法为：其中，v
α’和v
β’分别为给定电压的α分量和β分量值；n=1时，表示扇区ii；n=2时，表示扇区vi；n=3时，表示扇区i；n=4时，表示扇区iv；n=5时，表示扇区iii；n=6时，表示扇区v。
22.进一步优选地，根据给定电压的α分量和β分量值，将扇区ii至扇区vi转换至扇区i，对各扇区进一步划分为16个区域，扇区i的划分方法为：当v
β*
≤0.25时
当0.25＜v
β*
≤0.5时当0.5＜v
β*
≤0.75时当0.75＜v
β*
≤1时，为区域16；其中，,。
23.进一步优选地，冗余开关矢量调节模块包括：中点电荷量函数的构建单元，用于利用变换器的输出交流电流，建立冗余开关矢量的作用时间和中点电荷量之间的关系式；电荷偏差计算单元，用于采集变换器直流侧的上部中点电压和下部中点电压，计算中点电位存在的电荷偏差；冗余开关矢量作用时间的计算单元，用于计算使流过中点的电荷量等于中点电位电荷偏差的一半对应的冗余开关矢量的作用时间。
24.综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：本发明提供了一种交错并联型五电平变换器空间矢量调制方法及系统，由于pwm采样计算到加载具有滞后1拍的特性，如果仅以当前开关周期的环流采样值作为判据进行环流调节会存在调节滞后，导致环流峰值增大1倍。为了解决调节滞后导致的环流峰值增大的问题，本发明在每个中断周期预测下一个中断周期开始时刻的环流，以该预测值作为判据进行环流调节，此方法进行环流调节时没有滞后一拍的影响，环流调节更及时，并联变换器之间的环流更小，有效降低了变换器中器件的电热应力，进而提高了并联变换器的输出能力。
25.传统三电平空间矢量调制是分为6个扇区，每个扇区分为4个区域。本发明将两个并联的三电平变换器当作一个整体进行五电平空间矢量调制，同样分为6个扇区，但是每个扇区内细分为16个区域；与三电平相比，区域划分更为精细，可供选择的开关矢量也更多，在合成给定电压时，可以选择更优的开关矢量，使输出波形质量更优，能够大幅降低输出电压的波动。
26.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。