一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法技术

一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法，属于电力电子技术领域。本发明专利技术提出的多维均压空间矢量调制方法适用于AC‑DC整流器包括n个级联的子模块的单相级联变换器，将n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成模块间矢量，利用两个相邻矢量合成参考矢量分别作用在模块间矢量上，在进行模块间均压时，按照子模块的端口电压与平均电压的误差绝对值排序进行均压，在模块间均压完成后还可以进一步进行模块内的均压。本发明专利技术保留了所有冗余矢量，不会影响均压效果且端口电平无越级跳变，具有较好的均压能力和均压效果，降低了开关频率，减少了开关损耗，具有较好的稳定性和可靠性，能够适用于多子模块的变换器。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法
本专利技术属于电力电子
，涉及一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法，具体涉及一种单相三电平H桥多子模块级联变换器的调制方法，尤其是在以FPGA、DSP等数字芯片为控制芯片的调制方法的应用中。
技术介绍
基于单相三电平H桥多子模块级联多电平的电力电子牵引变压器(PETT)能够实现牵引变压器的小型、轻量化且动静态性能优异，是新一代车载电力牵引系统的发展方向。PETT的拓扑结构如图1所示，主要包含网侧单相AC-DC整流器、中频DC-DC变换器、机侧三相DC-AC变换器。由于AC-DC整流器直接接入单相高压牵引网中，其拓扑结构采用耐压高的三电平H桥结构以减少级联子模块以及中频变压器的个数，降低PETT系统的体积重量。子模块内和子模块间的电压均衡是该变换器正常工作的前提。传统的辅助电路均压方式成本高、损耗大，因此通过控制和调制方式实现均压是一种较好的选择。基于PI控制器的均压策略实现了多个子模块直流侧的均压且扩展简单，但在调制度高时均压能力有限、子模块带重载时容易饱和，严重限制了其应用范围。调制均压的策略是在空间矢量调制中通过选择不同冗余矢量来改变直流侧电容充放电的方向以达到直流侧电压均衡的效果。由于其具有电压利用率高、数字化实现容易、输出波形质量好、均压能力强等优点，成为现在的研究热点。目前，子模块内均压算法能够利用冗余开关状态很好地解决。而对于子模块间均压算法，基于整体能量分配的方法虽具有较强的均压效果，但会导致开关动作时子模块端口电平越级跳变，从而导致桥臂开关管冲击大，容易引起调制失调、增加系统开关频率和开关损耗。为避免这一问题需要舍去较多的冗余状态，但是这样会影响均压的效果。同时，随着子模块数的增加，矢量数目急剧增加，算法实现的复杂度也急剧增加，因此近年来对单相三电平H桥多子模块级联变换器的研究多数局限在两子模块。
技术实现思路
针对上述传统的子模块内和子模块间的均压方式在均压能力、均压效果等方面的问题，本专利技术提出了一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法，保留了所有冗余矢量，不会影响均压效果且端口电平无越级跳变，具有较好的均压能力和均压效果，降低了开关频率，减少了开关损耗，具有较好的稳定性和可靠性，能够适用于多子模块的变换器。本专利技术的技术方案为：一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法，所述单相级联变换器中的AC-DC整流器包括n个级联的子模块，其中n为正整数；所述多维均压空间矢量调制方法包括如下步骤：步骤一、将所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成矢量，初始时刻将所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值全设为0；步骤二、将所述单相级联变换器的交流侧输出调制波作为参考矢量Vref，利用两个相邻矢量合成所述参考矢量Vref；将所述两个相邻矢量中电平值较大的一个定义为大矢量Vmax，将所述两个相邻矢量中电平值较小的一个定义为小矢量Vmin，所述大矢量Vmax的电平值kmax和小矢量Vmin的电平值kmin的计算方法如式(1)：其中floor为向下取整函数，V*ref为所述参考矢量Vref的标幺值；当所述单相级联变换器的交流侧输出调制波大于所述单相级联变换器的三角载波时，将所述小矢量Vmin作为所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成的矢量，小矢量Vmin作用时间为Tmin；当所述单相级联变换器的交流侧输出调制波小于所述单相级联变换器的三角载波时，将所述大矢量Vmax作为所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成的矢量，大矢量Vmax作用时间为Tmax；则Ts为一个调制周期；步骤三、分别计算所述n个子模块的直流侧输出电压与平均电压的误差，所述平均电压为将所述n个子模块的直流侧输出电压之和除以n得到的电压值；步骤四、将步骤三中得到的所述n个子模块的误差取绝对值后按从大到小的顺序进行排列；步骤五、按照步骤四排列的顺序，从误差绝对值最大的子模块开始均压，直到将误差绝对值最小的子模块均压后完成一个调制周期内的子模块间均压，并返回步骤三进行下一个调制周期内的子模块间均压；将误差取绝对值为第i大的子模块定义为第i个子模块，前n-1个子模块中对第i个子模块进行均压的具体方法为：首先判断该调制周期内未进行子模块间均压时所述n个子模块的总端口电平与所述小矢量Vmin的电平值kmin的关系，当该调制周期内未进行子模块间均压时所述n个子模块的总端口电平等于所述小矢量Vmin的电平值kmin时，若第i个子模块的直流侧输出电压Vdci大于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流小于0，或第i个子模块的直流侧输出电压Vdci小于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流大于0，将第i个子模块的端口电平Qi增大一个单位电压值；当该调制周期内未进行子模块间均压时所述n个子模块的总端口电平不等于所述小矢量Vmin的电平值kmin时，若第i个子模块的直流侧输出电压Vdci大于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流大于0，或第i个子模块的直流侧输出电压Vdci小于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流小于0，将第i个子模块的端口电平Qi减小一个单位电压值；否则将第i个子模块的端口电平Qi保持不变；在对第i个子模块进行均压时，所述第i个子模块的端口电平Qi需满足式(3)：max[k-2(n-i)-Q1-Q2-...-Qi-1,-2]≤Qi≤min[k+2(n-i)-Q1-Q2-...-Qi-1,2](3)其中max为取最大值函数，min为取最小值函数，k为将所述第i个子模块进行均压后的所述n个子模块的总端口电平；对第n个子模块的均压方法为：首先判断该调制周期内未进行子模块间均压时所述n个子模块的总端口电平与所述参考矢量的标幺值为V*ref的关系，当所述n个子模块的总端口电平大于所述参考矢量的标幺值为V*ref时，将所述小矢量Vmin的电平值kmin减去前n-1个子模块经过均压之后的端口电平作为第n个子模块的目标端口电平，当该调制周期内未进行子模块间均压时所述n个子模块的总端口电平不大于所述参考矢量的标幺值为V*ref时，将所述大矢量Vmax的电平值kmax减去前n-1个子模块经过均压之后的端口电平作为第n个子模块的目标端口电平；随后对所述第n个子模块未均压时的端口电平进行处理使得第n个子模块均压之后的端口电平等于所述第n个子模块的目标端口电平。具体的，每个所述子模块包括两个桥臂，每个所述桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，以及接在第一开关管和第二开关管的串联点以及第三开关管和第四开关管的串联点之间的串联的第一二极管和第二二极管；每个所述桥臂包括三种开关状态，开关状态A表示所述桥臂中第一开关管和第二开关管导通，第三开关管和第四开关管关断；开关状态B表示所述桥臂中第二开关管和第三开关管导通，第一开关管和第四开关管关断；开关状态C表示所述桥臂中第三开关管和第四开关管导通，第一开关管和第二开关管关断；每个所述子模块包括九种开关状态组合，分别是AC、AB、BC、CC、BB、AA、CB、BA和CA，所述九种开关状态组合对应的所述子模块的端口电平分别为2E、E、E、0、0、0、-E、-E和-2E，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法，所述单相级联变换器中的AC‑DC整流器包括n个级联的子模块，其中n为正整数；其特征在于，所述多维均压空间矢量调制方法包括如下步骤：步骤一、将所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成矢量，初始时刻将所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值全设为0；步骤二、将所述单相级联变换器的交流侧输出调制波作为参考矢量Vref，利用两个相邻矢量合成所述参考矢量Vref；将所述两个相邻矢量中电平值较大的一个定义为大矢量Vmax，将所述两个相邻矢量中电平值较小的一个定义为小矢量Vmin，所述大矢量Vmax的电平值kmax和小矢量Vmin的电平值kmin的计算方法如式(1)：

【技术特征摘要】
1.一种适用于单相级联变换器的多维均压空间矢量调制方法，所述单相级联变换器中的AC-DC整流器包括n个级联的子模块，其中n为正整数；其特征在于，所述多维均压空间矢量调制方法包括如下步骤：步骤一、将所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成矢量，初始时刻将所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值全设为0；步骤二、将所述单相级联变换器的交流侧输出调制波作为参考矢量Vref，利用两个相邻矢量合成所述参考矢量Vref；将所述两个相邻矢量中电平值较大的一个定义为大矢量Vmax，将所述两个相邻矢量中电平值较小的一个定义为小矢量Vmin，所述大矢量Vmax的电平值kmax和小矢量Vmin的电平值kmin的计算方法如式(1)：其中floor为向下取整函数，V*ref为所述参考矢量Vref的标幺值；当所述单相级联变换器的交流侧输出调制波大于所述单相级联变换器的三角载波时，将所述小矢量Vmin作为所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成的矢量，小矢量Vmin作用时间为Tmin；当所述单相级联变换器的交流侧输出调制波小于所述单相级联变换器的三角载波时，将所述大矢量Vmax作为所述n个子模块的端口电压对应的标幺化值组成的矢量，大矢量Vmax作用时间为Tmax；则Ts为一个调制周期；步骤三、分别计算所述n个子模块的直流侧输出电压与平均电压的误差，所述平均电压为将所述n个子模块的直流侧输出电压之和除以n得到的电压值；步骤四、将步骤三中得到的所述n个子模块的误差取绝对值后按从大到小的顺序进行排列；步骤五、按照步骤四排列的顺序，从误差绝对值最大的子模块开始均压，直到将误差绝对值最小的子模块均压后完成一个调制周期内的模块间均压，并返回步骤三进行下一个调制周期内的模块间均压；将误差取绝对值为第i大的子模块定义为第i个子模块，前n-1个子模块中对第i个子模块进行均压的具体方法为：首先判断该调制周期内未进行模块间均压时所述n个子模块的总端口电平与所述小矢量Vmin的电平值kmin的关系，当该调制周期内未进行模块间均压时所述n个子模块的总端口电平等于所述小矢量Vmin的电平值kmin时，若第i个子模块的直流侧输出电压Vdci大于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流小于0，或第i个子模块的直流侧输出电压Vdci小于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流大于0，将第i个子模块的端口电平Qi增大一个单位电压值；当该调制周期内未进行模块间均压时所述n个子模块的总端口电平不等于所述小矢量Vmin的电平值kmin时，若第i个子模块的直流侧输出电压Vdci大于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流大于0，或第i个子模块的直流侧输出电压Vdci小于平均电压Vave，且所述单相级联逆变器的输入电流小于0，将第i个子模块的端口电平Qi减小一个单位电压值；否则将第i个子模块的端口电平Qi保持不变；在对第i个子模块进行均压时，所述第i个子模块的端口电平Qi需满足式(3)：max[k-2(n-i)-Q1-Q2-...-Qi-1,-2]≤Qi≤min[k+2(n-i)-Q1-Q2-...-Qi-1,2](3)其中max为取最大值函数，min为取最小值函数，k为将所述第i个子模块进行均压后的所述n个子模块的总端口电平；对第n个子模块的均压方法为：首先判断该调制周期内未进行模块间均压时所述n个子模块的总端口电平与所述参考矢量的标幺值为V*ref的关系，当所述n个子模块的总端口电平大于所述参...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒泽亮，林宏健，钱奕，闫晗，朱磊磊，柳明，何晓琼，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51