五电平有源中点钳位h桥变频器单相空间矢量调制方法
阅读说明：本技术 五电平有源中点钳位h桥变频器单相空间矢量调制方法 (Five-level active neutral point clamped H-bridge frequency converter single-phase space vector modulation method ) 是由 肖飞 胡亮灯 蒋林飞 辛子越 吴文捷 楼徐杰 任强 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种五电平有源中点钳位H桥变频器单相空间矢量调制方法,根据变频器共模电压最小原则和开关状态切换约束对变频器的开关状态进行筛选-确定期望输出电压矢量所在矢量区间采用的基本电压矢量-根据伏秒平衡原理计算基本电压矢量的作用时间-根据基本电压矢量的作用时间、反馈回来的中点电位偏差和悬浮电容器电压偏差计算各开关状态的作用时间-根据开关动作次数最小的原则确定一个控制周期内开关状态序列-根据一个控制周期内开关状态序列及各开关状态的作用时间生成脉冲发送给变频器。通过综合考虑输出电压、中点电位平衡、悬浮电容器电压平衡来产生脉冲,实现中点电位和悬浮电容器电压的解耦控制。(The invention discloses a single-phase space vector modulation method of a five-level active neutral point clamping H-bridge frequency converter, which comprises the steps of screening the switching state of the frequency converter according to the minimum principle of common-mode voltage of the frequency converter and the switching state switching constraint, determining a basic voltage vector adopted in a vector interval where an expected output voltage vector is located, calculating the action time of the basic voltage vector according to the volt-second balance principle, calculating the action time of each switching state according to the action time of the basic voltage vector, the fed back neutral point potential deviation and the voltage deviation of a suspension capacitor, determining a switching state sequence in a control period according to the principle that the number of switching actions is minimum, and generating pulses according to the switching state sequence in the control period and the action time of each switching state and sending the pulses to the frequency converter. The decoupling control of the midpoint potential and the voltage of the suspension capacitor is realized by generating pulses by comprehensively considering the output voltage, the midpoint potential balance and the voltage balance of the suspension capacitor.)
技术领域
本发明涉及五电平有源中点钳位多相H桥变频器技术领域，具体涉及一种五电平有源中点钳位H桥变频器单相空间矢量调制方法。
背景技术
为适应舰船负荷的增长，未来综合电力系统直流电压可能提升至更高等级，结合器件耐压等级，考虑装置适装性，较适合变频调速领域的拓扑主要为五电平有源中点钳位拓扑，其也是目前较有应用前景的拓扑之一。中高压多相开绕组电机系统可满足大功率电力推进系统容量大、可靠性好、转矩密度高等要求，成为舰船大容量推进变频器的首选方案。配套多相开绕组电机系统变频器可以采用五电平有源中点钳位H桥拓扑方案。如图1所示为多相H桥变频器拓扑，单个五电平有源中点钳位H桥变频器可以输出九个电平，电平数的增多也使空间矢量选择范围更多，调制技术变得更复杂，若多相H桥变频器采用统一的空间矢量控制将导致实现非常复杂，也不利于提高多相H桥变频器控制的独立性及装置故障运行的冗余性。此外，考虑到每个五电平有源中点钳位H桥单元主电路和控制上相对独立，对于多相H桥拓扑变频器，每个H桥拓扑可采用单独的空间矢量控制策略。
对于五电平有源中点钳位H桥变频器，其存在直流电容器电压和悬浮电容器电压均衡控制问题，控制上需要实现多电平脉冲输出的同时实现直流电容器电压和悬浮电容器电压的平衡。此外五电平有源中点钳位H桥变频器的直流电容器电压和悬浮电容器电压的控制之间存在耦合，常规的载波移相调制不便于实现解耦控制。采用空间矢量调制技术可以灵活的指定开关管的开关状态，易于实现控制目标。
常规的控制方法是对中点电位和悬浮电容器电压分别进行控制，通过注入共模电压控制中点电位，通过冗余矢量的选择控制悬浮电容器电压。中点电位控制在前，悬浮电容器电压控制在后，不同的冗余状态也会对中点平均电流产生影响，从而有可能导致中点电位恶化。以输出电平为-E的两种冗余状态为例。如图2和图3所示，两种状态的输出电平均为-E，其对悬浮电容器的影响相反，图2中电流给悬浮电容器放电，对中点电位没有影响；图3中电流给悬浮电容器充电，会影响中点电位，通过这两个冗余状态的切换可以使悬浮电容器的电压保持平衡。但是也带来问题，改变冗余状态后会带来额外的中点电流，会使中点电位发生波动。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种五电平有源中点钳位H桥变频器单相空间矢量调制方法，能够实现中点电位和悬浮电容器电压控制的完全解耦，并且能够根据中点电位和悬浮电容器电压偏差精确的进行补偿。
为实现上述目的，本发明所设计的五电平有源中点钳位H桥变频器单相空间矢量调制方法如下：
1)根据变频器共模电压最小原则和开关状态切换约束对变频器的开关状态进行筛选；
2)确定期望输出电压矢量所在矢量区间和采用的基本电压矢量；
3)根据伏秒平衡原理计算基本电压矢量的作用时间；
4)根据基本电压矢量的作用时间、反馈回来的中点电位偏差和悬浮电容器电压偏差计算各开关状态的作用时间；
5)根据开关动作次数最小的原则确定一个控制周期内开关状态序列；
6)根据一个控制周期内开关状态序列及各开关状态的作用时间生成脉冲发送给变频器。
进一步地，所述步骤1)中，对变频器的开关状态进行筛选的原则具体为：1)共模电压最小，变频器的共模电压定义为两桥臂输出电压之和的一半，剔除共模电压大于E/2的开关矢量；2)各开关矢量之间便于切换，切换过程中及切换前后不出现非期望的输出电压跳变，同时减少开关动作次数。
进一步地，所述步骤2)中，根据期望输出电压矢量所在的矢量区间确定采用的基本电压矢量，期望输出电压矢量表达式为：
V*＝Vmcos(ωt)＝4mEcos(ωt) (1)
其中ω为调制波角频率，m为调制比，E为相邻电平之差所对应的电压值；
矢量区间与调制比的对应关系如下：
进一步地，所述步骤3)中，用表示模较小的电压矢量，T1表示作用时间，表示模较大的电压矢量，T2表示作用时间，Ts表示一个控制周期，其计算公式为：
进一步地，所述步骤4)中，各个开关状态作用时间满足：
其中t1 t8为8个开关状态的作用时间。x1～x8、y1～y8、z1～z8的绝对值接近；参数A、B、C、D、E的定义为：
其中：Cd为直流支撑电容器容值，Cf为悬浮电容器容值，io为负载电流，ud1、ud2为直流支撑电容器Cd1、Cd2的电压，ufa、ufb为悬浮电容器Cfa、Cfb的电压，udc为直流电源电压值。
进一步地，所述步骤4)中，如果计算得到的开关状态的作用时间为负，则将变量C、D、E变为原来的一半重新计算，如果还是为负，重复上述过程，直到解满足条件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明五电平有源中点钳位H桥变频器单相空间矢量调制方法，通过综合考虑输出电压、中点电位平衡、悬浮电容器电压平衡来产生脉冲，实现中点电位和悬浮电容器电压的解耦控制。将中点电位、悬浮电容器电压的控制转化为各开关状态作用时间的变化，可以实现中点电位、悬浮电容器电压偏差的精确补偿。
附图说明
图1为现有技术中五电平有源中点钳位多相H桥变频器示意图；
图2为图1中电流给悬浮电容器放电示意图；
图3为图1中电流给悬浮电容器充电示意图；
图4为本发明五电平有源中点钳位H桥变频器示意图；
图5为图4的调制流程图；
图6为图4的电压空间矢量图；
图7为图4的电压矢量合成示意图；
图8为图4的开关状态序列示意图；
图9为图4调制方法的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明。
图4给出了五电平有源中点钳位H桥变频器的结构，包括结构完全一致的两个桥臂，每个桥臂均为五电平有源中点钳位型拓扑结构。五电平有源中点钳位H桥变频器包括直流电源、24个开关管及其反并连二极管、1个电流传感器、4个电压传感器、控制器、AD采样芯片、开端电机绕组。直流电源正极与直流支撑电容器Cd1的正极连接，直流电源负极与直流支撑电容器Cd2的负极连接，H桥两桥臂的输出端分别接开端电机一相绕组的两端，五电平有源中点钳位H桥变频器中每个电容器两端布置电压传感器，输出端设置电流传感器，副边信号接AD采样芯片，AD采样芯片连接到控制器，控制器输出脉冲给开关管。
单个桥臂五电平有源中点钳位拓扑结构包括直流支撑电容器Cd1和Cd2，第一至第十二开关管Sx1-Sx12以及悬浮电容器Cfx。其中，第一至第十二开关管Sx1-Sx12均有反并联二极管。第五开关管Sx5的发射极与第六开关管Sx6的集电极连接、第六开关管Sx6的发射极与第一开关管Sx1的集电极连接、第一开关管Sx1的发射极与第二开关管Sx2的集电极连接、第二开关管Sx2的发射极与第三开关管Sx3的集电极连接、第三开关管Sx3的发射极与第四开关管Sx4的集电极连接、第四开关管Sx4的发射极与第十一开关管Sx11的集电极连接、第十一开关管Sx11的发射极与第十二开关管Sx12的集电极连接、第六开关管Sx6的发射极与第七开关管Sx7的集电极连接、第七开关管Sx7的发射极与第八开关管Sx8的集电极连接、第八开关管Sx8的发射极与第九开关管Sx9的集电极连接、第九开关管Sx9的发射极与第十开关管Sx10的集电极连接、第五开关管Sx5的集电极与Cd1的正极连接、第十二开关管Sx12的发射极与Cd2的负极连接、悬浮电容器Cfx的正极与第七开关管Sx7的发射极连接、悬浮电容器Cfx的负极与第九开关管Sx9的发射极连接，第八开关管Sx8的发射极接负载，直流支撑电容器Cd1的负极和直流支撑电容器Cd2的正极连接。
如图5所示，五电平有源中点钳位H桥变频器单相空间矢量调制方法如下：
1)根据变频器共模电压最小原则和开关状态切换约束对变频器的开关状态进行筛选
对变频器的开关状态进行筛选的原则具体为：1)共模电压最小小，变频器的共模电压定义为两桥臂输出电压之和的一半，剔除共模电压大于E/2的开关矢量；2)各开关矢量之间便于切换，切换过程中及切换前后不出现非期望的输出电压跳变，同时减少开关动作次数。经过筛选，得到可用的28种开关状态。
2)确定期望输出电压矢量所在矢量区间和采用的基本电压矢量
根据期望输出电压矢量所在的矢量区间确定采用的基本电压矢量，期望输出电压矢量表达式为：
V*＝Vmcos(ωt)＝4mEcos(ωt) (6)
其中ω为调制波角频率，m为调制比，E为相邻电平之差所对应的电压值。
矢量区间与调制比的对应关系如下：
其中m为调制比。
3)根据伏秒平衡原理计算基本电压矢量的作用时间
用表示模较小的电压矢量，T1表示作用时间，表示模较大的电压矢量，T2表示作用时间，Ts表示一个控制周期，其计算公式为：
4)根据基本电压矢量的作用时间、反馈回来的中点电位偏差和悬浮电容器电压偏差计算各开关状态的作用时间
各个开关状态作用时间的确定，要能够控制中点电位和两个桥臂的悬浮电容器，并且表达式的形式要尽可能的统一，且满足：
其中t1～t8为8个开关状态的作用时间。x1～x8、y1～y8、z1～z8的绝对值尽量接近。参数A、B、C、D、E的定义为：
其中：Cd为直流支撑电容器容值，Cf为悬浮电容器容值，io为负载电流，ud1、ud2为直流支撑电容器Cd1、Cd2的电压，ufa、ufb为悬浮电容器Cfa、Cfb的电压，udc为直流电源电压值。
如果计算得到的开关状态的作用时间为负，则将与中点电位和悬浮电容器控制相关的变量(即变量C、D、E)变为原来的一半重新计算，如果还是为负，重复上述过程，直到解满足条件。
5)根据开关动作次数最小的原则确定一个控制周期内开关状态序列。
6)根据一个控制周期内开关状态序列及各开关状态的作用时间生成脉冲发送给变频器。
根据计算得到的开关状态序列及其作用时间，产生脉冲发送给开关管。
下面结合实例进一步详细说明。
(1)表1为五电平有源中点钳位H桥变频器一个桥臂的开关状态。用mn来表示五电平有源中点钳位H桥变频器的开关状态，其中a桥臂的开关状态为Vm，b桥臂的开关状态为Vn，(m，n＝0,1…7)。
表1
按照以下原则对变频器的开关状态进行筛选：1)共模电压最小。变频器的共模电压定义为两桥臂输出电压之和的一半。剔除26种共模电压大于E/2的开关矢量。2)各开关矢量之间要便于切换，切换过程中及切换前后不应出现非期望的输出电压跳变，同时应避免增加开关动作次数。将变频器一个桥臂开关状态分为两组：G1{V0，V1，V2，V3}和G2{V4，V5，V6，V7}。定义两种桥臂的开关切换过程，第一种为桥臂的开关状态在G1和G2之间切换，此时需要全部串联开关管和部分非串联开关管动作；第二种为桥臂的开关状态在G1或G2内部切换，此时仅需要部分非串联开关管动作，其损耗显著小于第一种开关切换过程。通过对开关状态切换的分析，可知当H桥的两个桥臂的开关状态同时来自G1或同时来自G2时，出现第一种切换过程的可能性加大，因此剔除G1G1和G2G2形式的8种开关矢量。余下的开关矢量的组合形式为G2G1或G1G2。
(2)期望输出电压矢量所在区间判定：如图6所示，共有九个离散的基本电压矢量{-4E,-3E,-2E,-E,0,E,2E,3E,4E}，根据期望输出电压矢量所在区间确定采用的基本电压矢量。期望输出电压矢量表达式为：
V*＝Vmcos(ωt)＝4mEcos(ωt) (11)
其中ω为调制波角频率，m为调制比，E为相邻电平之差所对应的电压值。调制比与矢量区间对应关系为：
(3)根据伏秒平衡原理计算基本电压矢量的作用时间，如图7所示。若用表示模较小的电压矢量，T1表示作用时间，表示模较大的电压矢量，T2表示作用时间，Ts表示一个控制周期，其计算公式为：
(4)确定各开关状态的作用时间：各个矢量区间对应的开关状态如表2所示，编号为1～8。根据不同开关状态对中点电位和悬浮电容器电压的影响可以计算出各开关状态的作用时间t1～t8如表3所示，表3中参数A、B、C、D、E的定义为：
其中：Cd为直流支撑电容器容值，Cf为悬浮电容器容值，io为负载电流，ud1、ud2为支撑电容器Cd1、Cd2的电压，ufa、ufb为支撑电容器Cfa、Cfb的电压，udc为直流电源电压。
表2
表3
(5)根据开关次数最小原则确定开关状态在一个控制周期内的输出序列，如图8所示：
(6)为了便于控制周期间的过渡，将对应的其中一个开关状态同时作为起始开关状态和结束开关状态，根据计算得到的开关状态序列及其作用时间，产生脉冲发送给变频器。
给出了基于空间矢量调制策略下五电平有源中点钳位H桥拓扑变频器仿真结果。直流支撑电容器的电压初始值分别设置为6000V和4000V，(参考值5000V)，约120ms调节均衡；悬浮电容器电压初始值设置为2000V(参考值2500V)，约40ms调节均衡，验证了空间矢量控制策略的有效性。图9为基于空间矢量调制的五电平有源中点钳位H桥拓扑变频器仿真结果(仿真波形从上至下依次为：直流电容器电压；悬浮电容器电压；H桥输出电压；交流输出电流)。
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