基于低共模电压SVM控制的链式多电平变换器

本发明属于多电平变换器调制，涉及一种基于低共模电压svm控制的链式多电平变换器。

背景技术：

1、以风能、光能为代表的新能源，在社会总消耗能源中的占比不断提高，有成为主要能源的潜力。但是，风能与光能受环境因素的影响较大，不稳定性强，需要高度可控的电力电子设备对其产生的电能进行变换与分配。在高压大功率应用场合，单个电力电子器件无法满足应用需要，链式多电平变换器将多个电力电子器件以特定的拓扑结构进行连接，降低单个器件承受的电压与电流，来实现高压大功率的电能变换，是目前的主流方案。

2、调制方法是链式多电平变换器的工作基础，为了实现变换器最佳性能运行，需要根据变换器的拓扑结构设计其最佳的调制策略，常见的多电平变换器调制策略包括载波移相调制、载波层叠调制、空间矢量调制(space vector modulation,svm)等。其中，空间矢量调制来源于三相电机对称运行时的磁通链理论，通过定位三个距离参考矢量最近的空间矢量，并利用伏秒平衡原理分时作用三个空间矢量，来合成参考矢量，最终产生三相对称的正弦电压输出。同其他多电平变换器调制策略相比，空间矢量调制具有直流电压利用率高，变换器输出谐波含量低，易于数字化控制等优点。

3、由于电力电子变换器非线性的物理特性，只能输出固定电压幅值的电平，三相存在不对称的情况，导致电力电子变换器产生交变的共模电压，共模电压是威胁电机绝缘安全与产生电磁干扰的主要因素之一，对电力系统稳定运行影响较大。与此同时，当变换器的输出电压超过七电平时，空间矢量数量巨大，传统svm方法难以定位距离参考矢量最近的三个空间矢量。而且，传统svm方法的计算过程包含大量三角函数以及无理数运算，计算量与计算复杂度巨大，这给svm方法的实现过程增加了极大的难度，使之难以应用于7电平以上的多电平变换器。

4、基于上述传统svm应用于高电平数链式多电平变换器存在的问题，有必要研究一种新型的svm控制的低共模电压链式多电平变换器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于低共模电压svm控制的链式多电平变换器，变换器的控制模块运行基于低共模电压的svm方法，将链式多电平变换器的参考相电压与开关状态变换至线电压坐标系，避免了克拉克变换。通过判断参考矢量对应的特征矢量所处的具体源扇区位置，降低了svm实现过程中的计算量与计算复杂度，以此解决现有技术中svm难以应用至高电平数变换器场合的问题，并将链式多电平变换器的共模电压抑制到最小。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、步骤一：对相电压参考信号ura、urb、urc进行采样，计算得出线电压坐标系中对应的参考矢量

4、

5、其中，为参考矢量在线电压坐标系中的坐标分量，分别表示a相与b相间的参考线电压、b相与c相间的参考线电压。

6、变换器的开关状态s(a,b,c)与α*β*线电压坐标系中空间矢量v(α*,β*)的对应关系为：

7、

8、其中，a、b、c为变换器输出三相相电压的电平数，且a,b,c∈(0,±1,±2,l,±n)，为空间矢量v(α*,β*)的坐标分量，分别表示a相与b相间的线电压电平数、b相与c相间的线电压电平数。

9、步骤二：提取参考矢量所对应的特征矢量

10、其中，int为取整函数，作用为舍去实数的小数部分，只保留整数部分，特征矢量位于线电压坐标系的中心矩形内，中心矩形包含9个源矢量，分别是v0(0,0)、v1(1,0)、v2(1,1)、v3(0,1)、v4(-1,1)、v5(-1,0)、v6(-1,-1)、v7(0,-1)、v8(1,-1)，9个源矢量又构成了8个源扇区，v0(0,0)、v1(1,0)、v3(0,1)构成了源扇区1，v1(1,0)、v2(1,1)、v3(0,1)构成了源扇区2，v0(0,0)、v4(-1,1)、v5(-1,0)构成了源扇区3，v0(0,0)、v3(0,1)、v4(-1,1)构成了源扇区4，v5(-1,0)、v6(-1,-1)、v7(0,-1)构成了源扇区5，v0(0,0)、v5(-1,0)、v7(0,-1)构成了源扇区6，v0(0,0)、v7(0,-1)、v8(1,-1)构成了源扇区7，v0(0,0)、v1(1,0)、v8(1,-1)构成了源扇区8，8个源扇区共同组成中心矩形；

11、步骤三：判断特征矢量在中心矩形内所属的象限，以及具体的源扇区位置：

12、步骤3.1：若此时特征矢量位于中心矩形的象限ⅰ中，如果位于源扇区1，否则位于源扇区2；

13、步骤3.2：若此时特征矢量位于中心矩形的象限ⅱ中，如果位于源扇区3，否则位于源扇区4；

14、步骤3.3：若此时特征矢量位于中心矩形的象限ⅲ中，如果位于源扇区5，否则位于源扇区6；

15、步骤3.4：若此时特征矢量位于中心矩形的象限ⅳ中，如果位于源扇区7，否则位于源扇区8；

16、步骤四：根据参考矢量对应的特征矢量所在的源扇区，确定合成参考矢量的三个空间矢量

17、步骤4.1：若特征矢量位于源扇区1，则的坐标分量分别为：

18、步骤4.2：若特征矢量位于源扇区2，则的坐标分量分别为：

19、步骤4.3：若特征矢量位于源扇区3，则的坐标分量分别为：

20、步骤4.4：若特征矢量位于源扇区4，则的坐标分量分别为：

21、步骤4.5：若特征矢量位于源扇区5，则的坐标分量分别为：

22、步骤4.6：若特征矢量位于源扇区6，则的坐标分量分别为：

23、步骤4.7：若特征矢量位于源扇区7，则的坐标分量分别为：

24、步骤4.8：若特征矢量位于源扇区8，则的坐标分量分别为：

25、步骤五：由式(2)可知，可能存在多个开关状态对应同一个空间矢量的情况，为了抑制变换器共模电压，需要计算空间矢量对应的共模电压最小的开关状态sa(aa,ba,ca)、sb(ab,bb,cb)、sc(ac,bc,cc)：

26、

27、其中，round(*)为四舍五入函数。

28、受限于变换器的输出限制，ai、bi、ci的范围在[-n,n]之间，如果式(5)中ai、bi、ci的值超出了范围，开关状态的分量取值需要被替换，分为以下几种情况：

29、情况1：ai>n，则开关状态si(ai,bi,ci)的分量由式(4)替换为

30、

31、情况2：ai<-n，则开关状态si(ai,bi,ci)的分量由式(4)替换为

32、

33、情况3：bi>n，则开关状态si(ai,bi,ci)的分量由式(4)替换为

34、

35、情况4：bi<-n，则开关状态si(ai,bi,ci)的分量由式(4)替换为

36、

37、情况5：ci>n，则开关状态si(ai,bi,ci)的分量由式(4)替换为

38、

39、情况6：ci<-n，则开关状态si(ai,bi,ci)的分量由式(4)替换为

40、

41、步骤六：根据伏秒平衡原理，计算开关状态sa(aa,ba,ca)、sb(ab,bb,cb)、sc(ac,bc,cc)各自的作用时间t1、t2、t3：

42、

43、步骤七：通过五段算法，在一个采样周期内，开关状态sa(aa,ba,ca)、sb(ab,bb,cb)、sc(ac,bc,cc)分时作用，合成参考矢量，产生pwm信号，合成的切换路径为sa(aa,ba,ca)→sb(ab,bb,cb)→sc(ac,bc,cc)→sb(ab,bb,cb)→sa(aa,ba,ca)，切换时间为：t1/2→t2/2→t3→t2/2→t1/2；

44、继续采样参考电压，重复步骤一到步骤七，完成链式多电平变换器的正常工作。

45、从上述步骤可以看出，本发明的方案将参考相电压与链式多电平变换器的开关状态变换至线电压坐标系，通过判断参考矢量对应的特征矢量所在的源扇区，可以得到合成参考矢量的三个空间矢量，以及空间矢量对应共模电压最小的开关状态。在线电压坐标系中，空间矢量的坐标分量均为整数，且不需要传统svm方法克拉克变换的步骤，计算过程避免了无理数运算，链式多电平变换器在降低了svm方法实现复杂度的同时，输出的共模电压也可以保持在较低范围；