基于空间矢量分层的级联多电平变换器零共模电压SVM方法

本发明涉及级联多电平变换器调制，特别是一种基于空间矢量分层的级联多电平变换器零共模电压svm方法。

背景技术：

1、级联多电平变换器相较于传统低电平变换器，具有开关器件应力低、成本低、可靠性好、输出波形质量高等特点，广泛应用于各种大功率场合，例如集中式光伏发电站和海上风电场等清洁能源发电场合。级联多电平变换器开关器件的驱动信号由多电平变换器调制技术产生，所以多电平调制技术决定变换器的输出电能质量和效率。空间矢量调制(spacevector modulation—svm)相较于其他多电平调制策略可以提高直流电压利用率，可以通过选择合适的冗余开关状态优化变换器性能，在级联多电平变换器中得到广泛应用。传统svm技术采用最近三个基本矢量合成参考矢量，每个基本矢量都对应多个开关状态(称为冗余开关状态矢量)。但冗余开关状态的数量随着电平数的增加明显增多，导致选择最佳开关状态计算工作量大、切换路径选择复杂等问题，计算量呈指数级增长，极大提升了svm实现难度。传统svm算法使用最近的三个基本矢量合成参考矢量，不能完全消除共模电压，导致系统依旧存在由共模电压引起的轴承电流、电磁干扰等问题，在大功率场合会明显增大电机损坏概率。虽然可以通过选择非最近三个具有零共模电压开关状态的基本矢量合成参考矢量，完全消除共模电压，但进一步提高了非最近三个具有零共模电压开关状态的基本矢量的寻找难度，同时最佳开关切换顺序也难以确定，导致开关次数明显增多。上述问题使得零共模电压svm方法的难以应用于级联多电平变换器。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于空间矢量分层的级联多电平变换器零共模电压svm方法。首先得到三个相电压参考信号最近电平，计算参考矢量、最近矢量和两个矢量在二维坐标系的两个坐标轴方向差值，通过判断两个方向差值组成的三个简单加减数是否大于零，以及三个相电压参考信号最近电平之和的具体数值，直接得到合成参考矢量的三个零共模电压开关状态和零共模电压开关状态对应的作用时间。最后根据分层关系，判断三个零共模电压开关状态依次是否位于内层，确定开关次数最小的切换顺序。本发明适用于任意级数多电平变换器。

2、实现本发明目的的技术方案为：

3、基于空间矢量分层的级联多电平变换器零共模电压svm方法，包括：

4、步骤一，分别对三相电压参考信号ar,br,cr进行四舍五入取整，得到三相最近电平anl,bnl,cnl；步骤二，求取参考矢量vr(αr,βr)和最近矢量vnl(αnl,βnl)；

5、其中，αr和βr表示三相电压参考信号ar,br,cr在45°空间矢量坐标系中的横轴分量和纵轴分量，αr＝ar-cr，βr＝-ar+br；αnl和βnl表示三相最近电平anl,bnl,cnl在45°空间矢量坐标系中的横轴分量和纵轴分量，αnl＝anl-cnl，βnl＝-anl+bnl；

6、步骤三，计算参考矢量vr(αr,βr)与最近矢量vnl(αnl,βnl)在α、β方向的差值δα＝αr-αnl、δβ＝βr-βnl；

7、步骤四，根据三相最近电平anl,bnl,cnl之和，确定三个零共模电压开关状态及其对应的作用时间：

8、如三相最近电平anl,bnl,cnl之和为1，则三个零共模电压开关状态为sza(anl-1,bnl,cnl)、szb(anl,bnl-1,cnl)和szc(anl,bnl,cnl-1)，对应的作用时间tza＝[ts-ts*(δα-αβ)]/3、tzb＝[ts-ts*(δα+2δβ)]/3和tzc＝[ts+ts*(2δα+δβ)]/3，其中，ts表示相电压参考信号的采样频率；

9、如三相最近电平anl,bnl,cnl之和为-1，则三个零共模电压开关状态为sza(anl+1,bnl,cnl)、szb(anl,bnl+1,cnl)和szc(anl,bnl,cnl+1)，对应的作用时间tza＝[ts+ts*(δα-δβ)]/3、tzb＝[ts+ts*(δα+2δβ)]/3和tzc＝[ts-ts*(2δα+δβ)]/3；

10、如三相最近电平anl,bnl,cnl之和为0，则进一步判断后，确定三个零共模电压开关状态及其作用时间：

11、如δα+2δβ＜0且2δα+δβ＞0，则三个零共模电压开关状态为sza(anl,bnl,cnl)、szb(anl+1,bnl-1,cnl)和szc(anl+1,bnl,cnl-1)，对应的作用时间分别为tza＝ts-ts*(δα-δβ)/3、tzb＝-ts*(δα+2δβ)/3和tzc＝ts*(2δα+δβ)/3；

12、如δα-δβ＞0且δα+2δβ＞0，则三个零共模电压开关状态为sza(anl+1,bnl,cnl-1)、szb(anl,bnl+1,cnl-1)和szc(anl,bnl,cnl)，对应的作用时间分别为tza＝ts*(δα-δβ)/3、tzb＝ts*(δα+2δβ)/3和tzc＝ts-ts*(2αδ+δβ)/3；

13、如δα-δβ<0且2αδ+δβ＞0，则三个零共模电压开关状态为sza(anl-1,bnl+1,cnl)、szb(anl,bnl,cnl)和szc(anl,bnl+1,cnl-1)，对应的作用时间分别为tza＝ts*(δα-δβ)/3、tzb＝ts-ts*(δα+2δβ)/3和tzc＝ts*(2δα+δβ)/3；

14、如δα+2δβ＞0且2δα+δβ＜0，则三个零共模电压开关状态为sza(anl,bnl,cnl)、szb(anl-1,bnl+1,cnl)和szc(anl-1,bnl,cnl+1)，对应的作用时间分别为tza＝ts+ts*(δα+δβ)/3、tzb＝ts*(δα+2δβ)/3和tzc＝-ts*(2δα+δβ)/3；

15、如δα-δβ＜0且δα+2δβ＜0，则三个零共模电压开关状态为sza(anl-1,bnl,cnl+1)、szb(anl,bnl-1,cnl+1)和szc(anl,bnl,cnl)，对应的作用时间分别为tza＝-ts*(δα-δβ)/3、tzb＝-ts*(δα+2δβ)/3和tzc＝ts+ts*(2δα+δβ)/3；

16、如δα-δβ＞0且2δα+δβ＜0，则三个零共模电压开关状态为sza(anl+1,bnl-1,cnl)、szb(anl,bnl,cnl)和szc(anl,bnl-1,cnl+1)，对应的作用时间分别为tza＝ts*(δα-δβ)/3、tzb＝ts+ts*(δα+2δβ)/3和tzc＝-ts*(2δα+δβ)/3；

17、步骤五，根据开关状态为sza、szb、szc时三相输出电平的绝对值的最大值i，即i＝max{|aza|,|bza|,|cza|,|azb|,|bzb|,|czb|,|azc|,|bzc|,|czc|}，将开关状态sza、szb、szc所对应的空间矢量分层：如开关状态s的三相输出电平的绝对值均在[-i,i]之内，则开关状态s对应的空间矢量在i层内，s∈{sza,szb,szc}；其中，aza、bza、cza表示开关状态为sza时的三相输出电平，azb、bzb、czb表示开关状态为szb时的三相输出电平，azc、bzc、czc表示开关状态为szc时的三相输出电平；

18、步骤六，选择空间矢量在i层内的那一个开关状态s，作为空间矢量第一个切换；再采用五段算法，合成三个零共模电压开关状态切换顺序及其对应的作用时间，实现svm；

19、所述采用五段算法，合成三个零共模电压开关状态切换顺序及其对应的作用时间，具体为：

20、当|aza|＜i、|bza|＜i且|cza|＜i时，采用五段算法，合成参考矢量的三个零共模电压开关状态切换顺序为sza→szb→szc→szb→sza，对应的作用时间分别为tza/2→tzb/2→tzc→tzb/2→tza/2；

21、当|azb|＜i、|bzb|＜i且|czb|＜i时，采用五段算法，合成参考矢量的三个零共模电压开关状态切换顺序为szb→sza→szc→sza→szb，对应的作用时间分别为tzb/2→tza/2→tzc→tza/2→tzb/2；

22、当|azc|＜i、|bzc|＜i且|czc|＜i时，采用五段算法，合成参考矢量的三个零共模电压开关状态切换顺序为szc→sza→szb→sza→szc，对应的作用时间分别为tzc/2→tza/2→tzb→tza/2→tzc/2。

23、本发明的有益效果在于，可以直接得到距离参考矢量最近具有零共模电压开关状态的三个基本矢量对应的零共模电压开关状态、零共模电压开关状态对应作用时间和三个零共模电压开关状态的最佳切换顺序，实现最少的开关切换次数。算法只需要通过简单的加减和比较就可以实现，避免了复杂的三角函数和无理数运算，易于计算机实现。