一种逆变器三维空间矢量调制方法及系统

本发明属于电力电子，具体涉及一种第四桥臂为两电平的三电平三相四线制四桥臂逆变器三维空间矢量调制方法。

背景技术：

1、三电平逆变器具有低开关损耗和低输出谐波等优点，在过去几十年里已经广泛运用于工业生产中。三相四线制四桥臂(3p4w4l)逆变器可以有效处理不平衡或非线性交流负载。此外，与三相三线(3p3w)逆变器相比，3p4w逆变器组中支持直流母线的电容器显著减少。逆变器的第4桥臂可以有不同的配置，由2个开关器件组成的两电平桥臂可以减少n相的功率损耗，从而带来成本效益。

2、然而，随着桥臂数目的增多，以及相关需求的增加，如开关损耗的降低以及thd的减小等等，其调制算法的复杂性也极大的增加。现如今该拓扑结构的调制算法研究有限。

3、从实施的角度来看，对于三电平三相四桥臂的逆变器而言，目前调制方案主要有两种。其一为使用传统的三电平调制方法处理正负序分量，使用第四桥臂单独处理零序分量；其二为使用三维空间矢量的方式，考虑零序分量，将矢量映射到三维空间中进行等效合成，以实现追踪连续旋转的空间矢量。

4、文献k.li,m.wei,c.xie,f.deng,j.m.guerrero,and j.c.vasquez,“trianglecarrier-based dpwm for three-level npc inverters,”ieee j.emerge.sel.topicspower electron.,vol.6,no.4,pp.1966–1978,dec.2018介绍了三电平逆变器的基于三角波载波的不连续脉宽调制(tcb-dpwm)的实现方法。结果表明，提出的tcb-dpwm可以有效简化调制的实现，且降低了开关损耗，提高了系统效率。然而，这种方式难以应用于四桥臂逆变器的调制。

5、文献l.zhang,h.yang,y.tang,j.pou,and l.m.tolbert,“decoupled modulationwith common-mode load-voltage control for three-phase four-leg three-levelinverter,”ieee trans.ind.electron.,vol.69,no.8,pp.8594–8598,aug.2022提出了一种解耦调制方法，其中三相桥臂调制实现vbc和闭环dm负载电压控制，而第四相腿被单独调制以实现闭环cm负载电压控制。所提出的方法已经经过实验验证。然而，这种方式忽视了第四个桥臂引入的电压矢量的变化，在调制过程中引入了多余的电压矢量，导致开关损耗增加。

6、文献siyuan ren,xiao zhu,and hu bo."3d-svpwm modulation strategy forfour-leg three-level inverter."journal of power systems and automation 31.10(2019)提出了针对第四个桥臂配置为三级的3p4l4w-3l逆变器，将αβγ坐标分解为两个两级结构进行调制，所提调制策略极大地简化了运算过程，并且实现了直流侧上下电容电压平衡。。这种方式为本发明提供了借鉴意义，然而，这种方式无法完全等效的运用于第四桥臂为两电平的三电平三相四桥臂逆变器。

技术实现思路

1、本发明在基于以往过调制方案的基础上，为实现第四桥臂为两电平的三电平三相四线制四桥臂逆变器(3p4w4l-3l)逆变器，在不平衡或非线性负载下的运行目标，分析拓扑结构的等效开关模型，并通过α-β-γ坐标变换将其映射到三维空间中，确定任意四面体区块的矢量合成方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供本发明提供一种三电平三相四线制四桥臂逆变器三维空间矢量调制方法，包括：

4、分析确定三电平三相四线制四桥臂逆变器拓扑结构的等效开关模型，并将三电平三相四线制四桥臂逆变器的三相电压对应矢量映射到α-β-γ三维坐标系；

5、根据α-β-γ坐标系中所有开关三维空间矢量的分布特征，将每个主要区域中的矢量旋转或对称映射至平面上第一大扇区对应的三维空间；

6、确定每一个四面体区块的矢量合成方式，对不符合矢量序列生成原则的不规则四面体，采用矢量替换和虚拟矢量合成方法；

7、根据矢量合成方式，给出第一大扇区对应的三维空间的区块划分方式，以及对应的占空比计算方式。

8、作为本发明进一步改进，所述三电平三相四线制四桥臂逆变器为3p4l4w 3l t型逆变器。

9、作为本发明进一步改进，所述将三电平三相四线制四桥臂逆变器的三相电压对应矢量映射到α-β-γ三维坐标系，包括：

10、三电平三相四线制四桥臂逆变器的abc三相桥臂每一相有三个开关器件，其中每个开关器件有开通和关断两种工作状态，组合而成三种不同的输出状态，定义为开关函数sj＝{1,0,-1}，j＝{a,b,c},对应于符号'p'，'o'，'n'；第四个桥臂开关函数sn有两个可能的值{1,-1}，对应于符号'p'，'n'；三相输出电压van、vbn、vcn由以下公式给出：

11、

12、其中，abc三相相对于n点的开关函数sjn由以下公式定义：

13、

14、从abc坐标系到α-β-γ坐标系的转换由以下方程变换得到

15、

16、式中，vα、vβ、vγ分别为α轴β轴γ轴对应坐标。

17、作为本发明进一步改进，所述根据α-β-γ坐标系中所有开关三维空间矢量的分布特征，将每个主要区域中的矢量旋转或对称映射至平面上第一大扇区对应的三维空间，包括：

18、针对不同的开关状态，计算得到所有开关状态及其相应的电压矢量。

19、将电压矢量绘制在α-β-γ坐标系上得到了开关矢量分布图；得到所有开关矢量在三维α-β-γ坐标系中的输出分布及其相应的可行区域；

20、每个特定矢量对应的开关状态，在α-β平面上的投影，其中每个主要区域分为4个较小的扇区；

21、将三维空间中与相邻主要区域对应的可行区域展现出对称的开关矢量分布，直接旋转到与第一扇区相对应的位置进行调制计算。

22、作为本发明进一步改进，所述可行区域展现出对称的开关矢量分布，在旋转到与第一扇区相对应的位置后，旋转后的α-β坐标需要相对于方程进行对称变换，然后再进行进一步的调制计算。

23、作为本发明进一步改进，所述确定每一个四面体区块的矢量合成方式，对不符合矢量序列生成原则的不规则四面体，提出矢量替换和虚拟矢量合成方法；包括：

24、在第一个主要区域中，通过两个黄色填充平面将其分为上、中和下三个区域。在上部区域，开关矢量sn始终为'n'，而在下部区域，开关矢量sn始终为'p'；在这两个区域中，第四个桥臂的状态保持不变；对于这两个区域中的目标参考矢量：

25、基于α-β投影，确定属于四个小三角形区域中的哪一个；

26、基于α-β-γ坐标，找到包含该矢量的最小四面体块，并使用其顶点的四个矢量来合成；

27、直接通过判断a-b-c坐标直接确定一个矢量属于哪个四面体块，在确定它属于α-β投影的小三角形区域后，根据1<van<2,1<vbn<2,1<vcn<2判断其所属的空间位置；

28、对于中部区域，涉及第四个桥臂sn的开关动作，由于开关矢量数量不足，无法使用平面集vjn＝-2,-1,...,2，j＝{a,b,c}将其划分为前述的最小四面体。

29、作为本发明进一步改进，所述对不符合矢量序列生成原则的不规则四面体，采用矢量替换和虚拟矢量合成方法，包括：

30、采用矢量替换方法，其中使用具有相同α-β坐标但不同γ坐标的另一个矢量来替换其中一个矢量，确保新构造的四面体块包含原始块。

31、采用虚拟矢量合成方法，其中使用满足特定占空比关系的两个矢量来合成不满足矢量生成原则的原始四面体的顶点矢量。

32、作为本发明进一步改进，所述根据矢量合成方式，给出第一大扇区对应的三维空间的区块划分方式，以及对应的占空比计算方式，包括：

33、对于使用4个矢量调制的块，即svm 7调制：

34、v0-v1-v2-v3-v2-v1-v0(4)

35、每个矢量的动作时间或占空比满足方程：

36、

37、对于对应于第一个小三角形区域的特殊情况，即svm 9调制：

38、v0-v1-v2-v3-v4-v3-v2-v1-v0(6)

39、其中使用5个矢量进行调制，每个矢量的动作时间或占空比满足方程：

40、

41、其中，vnm，n＝{0,1,2,3,4}，m＝{α,β,γ}，表示矢量vn投影在轴m上的坐标值。

42、第二方面，本发明提供一种三电平三相四线制四桥臂逆变器三维空间矢量调制系统，包括：

43、第一映射模块，用于分析确定三电平三相四线制四桥臂逆变器拓扑结构的等效开关模型，并将三电平三相四线制四桥臂逆变器的三相电压对应矢量映射到α-β-γ三维坐标系；

44、第二映射模块，用于根据α-β-γ坐标系中所有开关三维空间矢量的分布特征，将每个主要区域中的矢量旋转或对称映射至平面上第一大扇区对应的三维空间；

45、矢量合成模块，确定每一个四面体区块的矢量合成方式，对不符合矢量序列生成原则的不规则四面体，采用矢量替换和虚拟矢量合成方法；

46、划分计算模块，根据矢量合成方式，给出第一大扇区对应的三维空间的区块划分方式，以及对应的占空比计算方式。

47、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

48、本发明确定三电平三相四线制四桥臂逆变器拓扑结构的等效开关模型、三维坐标系映射、区块划分和占空比计算等步骤，对于提高逆变器的性能、优化输出电压和电流的质量具有重要意义。该方法展示了电力电子、控制理论和数学工具在电力电子系统设计和分析中的综合应用。