级联多电平逆变器的小波调制方法

摘要

本发明公开了级联多电平逆变器的小波调制方法。本发明提出了一种级联多电平逆变器的小波调制方法。所述级联多电平逆变器的小波调制方法包括以下步骤：根据小波调制法获得小波调制驱动信号WM；生成M‑1个不同开关角θi(i＝1,2,…,M‑1)的矩形脉冲信号Pi；将小波调制驱动信号WM和M‑1个脉冲波信号经过一系列逻辑关系后得到级联多电平逆变器各个开关管的驱动信号。常规SPWM方法基波幅值低，对直流电压的利用率低，功率管开关频率高，并且不利于数字处理器的实现，而SVPWM算法复杂，难以在电平数较高的级联逆变器上使用。针对这些问题，本发明适用于任意电平数的等直流源H桥级联多电平逆变器。

权利要求

1.级联多电平逆变器的小波调制方法，其特征在于，对于M个单相H桥级联起来的电平数为2M+1的等直流源级联多电平逆变器，为了获得基波频率为f、周期为T的输出电压，它包括以下步骤：步骤(1)、根据小波调制法获得小波调制驱动信号WM，具体为：步骤(1.1)、设定尺度参数j的初始值j0＝1，采样组序d的初始值d0＝0；

步骤(1.2)、设定一个采样点为 另一个采样点为

其中D是采样组数，d＝0,1,2,…,D-1；

步骤(1.3)、在上述两个采样点内形成一个开关脉冲；

步骤(1.4)、SM(t)是幅值为-1到1、周期为T的正弦波调制信号，SM(t)＝sin(wmt)，S′M(t)是SM(t)的导数，计算 的值并进行判断：当0≤td2＜T/2时：

a)如果S′M(td2)>0，则下一组采样组j加1；

b)如果S′M(td2)<0，则下一组采样组j减1；

当 时：

a)如果S′M(td2)>0，则下一组采样组j减1；

b)如果S′M(td2)<0，则下一组采样组j加1；

步骤(1.5)、如果t≥T，则j＝j0，d＝d0，否则d＝d+1；

步骤(1.6)、返回步骤(1.2)，重新计算;

步骤(2)、生成M-1个不同开关角θi的矩形脉冲信号Pi,其中i＝1,2,…,M-1；生成M-1个不同开关角θi的矩形脉冲信号Pi的方法为：将步骤(1.4)中的正弦调制信号SM(t)取绝对值，并将所得结果|SM(t)|与常数 进行比较，|SM(t)|大于 则输出高电平，反之，则输出低电平，由此得到第i个矩形脉冲信号Pi，其中i＝1,2,…,M-1；

步骤(3)、将小波调制驱动信号WM和M-1个矩形脉冲波信号经过一系列逻辑关系后得到级联多电平逆变器各个开关管的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的级联多电平逆变器的小波调制方法，其特征在于，步骤(3)中，级联多电平逆变器中第m个H桥的第n个开关管Smn对应的驱动信号PSmn的确定方法，其中m＝

1,2,…,M,n＝1,2,3,4,包括以下步骤：

步骤(3.1)、将步骤(1.4)中的正弦波调制信号SM(t)与零电平比较，SM(t)大于零电平，则输出高电平，反之，则输出低电平，由此得到频率为f，占空比为50％的方波信号P，将方波信号P进行逻辑取反，得到 -表示取反；

步骤(3.2)、对于步骤(1)中得到的WM信号，步骤(2)中得到的开关角为θi的矩形脉冲信号Pi以及步骤(3.1)中得到的占空比为50％的方波信号P、 按照下面逻辑方法得到各个开关管的驱动信号：步骤(3.2.1)、将WM信号与开关角为θ1的脉冲波P1以及方波信号P进行逻辑与后，得到级联多电平逆变器第1个H桥第1个开关管S11对应的驱动信号PS11；

将WM信号与开关角为θ1的脉冲波P1以及方波信号 进行逻辑与后，得到级联多电平逆变器第1个H桥第3个开关管S13对应的驱动信号PS13；

将PS11和PS13分别进行逻辑取反后，得到级联多电平逆变器的第1个H桥第2个开关管S12对应的驱动信号PS12和第4个开关管S14对应的驱动信号PS14；

步骤(3.2.2)、将WM信号和开关角为θi-1的脉冲波Pi-1进行逻辑或之后的结果与开关角为θi的脉冲波Pi、方波信号P进行逻辑与后，得到第i个H桥第1个开关管Si1对应的驱动信号PSi1，其中i＝2,3,…,M-1；

将WM信号和开关角为θi-1的脉冲波Pi-1进行逻辑或之后的结果与开关角为θi的脉冲波Pi、方波信号 进行逻辑与后，得到第i个H桥第3个开关管Si3对应的驱动信号PSi3，其中i＝

2,3,…,M-1；

将PSi1和PSi3分别进行逻辑取反后，得到级联多电平逆变器的第i个H桥第2个开关管Si2对应的驱动信号PSi2和第4个开关管Si4对应的驱动信号PSi4，其中i＝2,3,…,M-1；

步骤(3.2.3)、将WM信号与开关角为θM-1的脉冲波PM-1进行逻辑或之后的结果与方波信号P进行逻辑与，得到第M个H桥第1个开关管SM1对应的驱动信号PSM1；

将WM信号与开关角为θM-1的脉冲波PM-1进行逻辑或之后的结果与方波信号 进行逻辑与，得到第M个H桥第3个开关管SM3对应的驱动信号PSM3；

将PSM1和PSM3分别进行逻辑取反后，得到级联多电平逆变器的第M个H桥第2个开关管SM2对应的驱动信号PSM2和第4个开关管SM4对应的驱动信号PSM4。

说明书

级联多电平逆变器的小波调制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及级联多电平逆变器的调制领域，具体涉及级联多电平逆变器的小波调制方法。

背景技术

[0002] 近年来，在高压大功率应用领域，多电平功率变换技术得到了广泛关注。与其他形式的多电平逆变器相比，级联多电平逆变器有以下显著优点：①直流侧采用相互独立的直流电压源，无须均压；②具有模块化的结构特点，设计、制造、安装方便，所基于的低压、小容量变换技术成熟，易于控制，系统的可靠性高；③与二极管钳位型多电平变换器和飞跨电容型多电平变换器相比，若输出相同的电平数，串联所需的元器件数目最少；④由于没有电容和钳位二极管的限制，串联结构的电平数相应地可被提高，因而易实现更高电压，更低谐波的要求。由于级联多电平逆变器的广泛应用，对其控制方法研究的重要性也日益凸显出来。常用的级联多电平逆变器的控制方法有正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)。SPWM方法简单，直观，但是其直流电压利用率低，总谐波畸变率大，开关损耗大。
SVPWM方法因其高电压利用率，低谐波含量以及硬件电路简单等优点受到了广泛的关注和应用，但是当SVPWM应用于五电平以上的多电平电路时，其控制算法会变得很复杂。

发明内容

[0003] 本发明为了解决传统级联多电平逆变器控制方法输出电压基波幅值小，功率管开关频率高以及控制方法复杂的问题，提出了级联多电平逆变器的小波调制方法。

[0004] 对于M个单相H桥级联起来的电平数为(2M+1)的等直流源级联多电平逆变器，为了获得基波频率为f、周期为T(f＝1/T)的输出电压，级联多电平逆变器的调制方法包括以下步骤：

[0005] 步骤(1)、根据小波调制法获得小波调制驱动信号WM；

[0006] 步骤(2)、生成M-1个不同开关角θi的矩形脉冲信号Pi,其中i＝1,2,…,M-1；

[0007] 步骤(3)、将小波调制驱动信号WM和M-1个矩形脉冲波信号经过一系列逻辑关系后得到级联多电平逆变器各个开关管的驱动信号。

[0008] 步骤(1)中根据小波调制法获得小波调制驱动信号WM的过程为：

[0009] 步骤(1.1)、设定尺度参数j的初始值j0＝1，采样组序d的初始值d0＝0；

[0010] 步骤(1.2)、设定一个采样点为 另一个采样点为其中D是采样组数，d＝0,1,2,…,D-1；

[0011] 步骤(1.3)、在上述两个采样点内形成一个开关脉冲；

[0012] 步骤(1.4)、SM(t)是幅值为-1到1、周期为T的正弦波调制信号，SM(t)＝sin(wmt)，S′M(t)是SM(t)的导数，计算 的值并进行判断：

[0013] 当0≤td2

[0014] a)如果S′M(td2)>0，则下一组采样组j加1；

[0015] b)如果S′M(td2)<0，则下一组采样组j减1；

[0016] 当 时：

[0017] a)如果S′M(td2)>0，则下一组采样组j减1；

[0018] b)如果S′M(td2)<0，则下一组采样组j加1；

[0019] 步骤(1.5)、如果t≥T，则j＝j0，d＝d0，否则d＝d+1；

[0020] 步骤(1.6)、返回步骤(1.2)，重新计算。

[0021] 步骤(2)中生成M-1个不同开关角θi的矩形脉冲信号Pi的方法为：

[0022] 将步骤(1.4)中的正弦调制信号SM(t)取绝对值，并将所得结果|SM(t)|与常数进行比较，|SM(t)|大于 则输出高电平，反之，则输出低电平，由此得到第i个矩形脉冲信号Pi,其中i＝1,2,…,M-1。

[0023] 步骤(3)中级联多电平逆变器中第m个H桥(m＝1,2,…,M)的第n个开关管(n＝1,2,3,4)Smn对应的驱动信号PSmn的确定方法包括以下步骤：

[0024] 步骤(3.1)、将步骤(1.4)中的正弦波调制信号SM(t)与零电平比较，SM(t)大于零电平，则输出高电平，反之，则输出低电平，由此得到频率为f，占空比为50％的方波信号P，将方波信号P进行逻辑取反，得到 (—表示取反)；

[0025] 步骤(3.2)、对于步骤(1)中得到的WM信号，步骤(2)中得到的开关角为θi的矩形脉冲信号Pi(i＝1,2,…,M-1)以及步骤(3.1)中得到的占空比为50％的方波信号P、 按照下面逻辑方法得到各个开关管的驱动信号：

[0026] 步骤(3.2.1)、将WM信号与开关角为θ1的脉冲波P1以及方波信号P进行逻辑与后，得到级联多电平逆变器第1个H桥第1个开关管S11对应的驱动信号PS11；

[0027] 将WM信号与开关角为θ1的脉冲波P1以及方波信号 进行逻辑与后，得到级联多电平逆变器第1个H桥第3个开关管S13对应的驱动信号PS13；

[0028] 将PS11和PS13分别进行逻辑取反后，得到级联多电平逆变器的第1个H桥第2个开关管S12对应的驱动信号PS12和第4个开关管S14对应的驱动信号PS14；

[0029] 步骤(3.2.2)、将WM信号和开关角为θi-1的脉冲波Pi-1进行逻辑或之后的结果与开关角为θi的脉冲波Pi、方波信号P进行逻辑与后，得到第i个H桥第1个开关管Si1对应的驱动信号PSi1，其中i＝2,3,…,M-1；

[0030] 将WM信号和开关角为θi-1的脉冲波Pi-1进行逻辑或之后的结果与开关角为θi的脉冲波Pi、方波信号 进行逻辑与后，得到第i个H桥第3个开关管Si3对应的驱动信号PSi3，其中i＝2,3,…,M-1；

[0031] 将PSi1和PSi3分别进行逻辑取反后，得到级联多电平逆变器的第i个H桥第2个开关管Si2对应的驱动信号PSi2和第4个开关管Si4对应的驱动信号PSi4，其中i＝2,3,…,M-1；

[0032] 步骤(3.2.3)、将WM信号与开关角为θM-1的脉冲波PM-1进行逻辑或之后的结果与方波信号P进行逻辑与，得到第M个H桥第1个开关管SM1对应的驱动信号PSM1；

[0033] 将WM信号与开关角为θM-1的脉冲波PM-1进行逻辑或之后的结果与方波信号 进行逻辑与，得到第M个H桥第3个开关管SM3对应的驱动信号PSM3；

[0034] 将PSM1和PSM3分别进行逻辑取反后，得到级联多电平逆变器的第M个H桥第2个开关管SM2对应的驱动信号PSM2和第4个开关管SM4对应的驱动信号PSM4。

[0035] 与现有技术相比，本发明显著提高了基波幅值，提高了对直流电压的利用率，且方法简单，容易拓展到任意电平数的级联多电平逆变器，具有非常好的通用性，易于数字处理器的实现，除此之外，由于小波调制固有的功率开关频率低的特点，本发明开关频率低，尤其适用于大功率的电路。

附图说明

[0036] 图1所示是级联多电平逆变器的拓扑结构示意图，它由M个单相H桥逆变器级联而成；

[0037] 图2a是根据小波调制法获得的一个周期内的小波调制驱动信号WM；

[0038] 图2b是生成的开关角为θ1的矩形脉冲信号P1；

[0039] 图2c是频率为f，占空比为50％的方波信号P；

[0040] 图2d是逻辑控制框图；

[0041] 图3是采样组数D＝20时，级联五电平逆变器采用级联多电平逆变器的小波调制方法的输出电压波形图；

[0042] 图4是采样组数D＝20时，级联五电平逆变器采用级联多电平逆变器的小波调制方法的电压频谱图；

[0043] 图5是采样组数D＝30时，级联五电平逆变器采用级联多电平逆变器的小波调制方法的输出电压波形图；

[0044] 图6是采样组数D＝30时，级联五电平逆变器采用级联多电平逆变器的小波调制方法的电压频谱图。

具体实施方式

[0045] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0046] 实施例一

[0047] 参考图1，其示出了级联多电平逆变器的拓扑结构示意图，图中Smn分别代表第m个H桥(m＝1,2,…,M)的第n个开关管(n＝1,2,3,4)，E是直流源电压，UO是逆变器的输出电压。本实例所述的级联多电平逆变器的小波调制方法包括以下步骤：

[0048] 步骤(1)、根据小波调制法获得小波调制驱动信号WM；

[0049] 步骤(2)、生成M-1个不同开关角θi的矩形脉冲信号Pi,其中i＝1,2,…,M-1；

[0050] 步骤(3)、将小波调制驱动信号WM和M-1个矩形脉冲波信号经过一系列逻辑关系后得到级联多电平逆变器各个开关管的驱动信号。

[0051] 步骤(1)中根据小波调制法获得小波调制驱动信号WM的过程为：

[0052] 步骤(1.1)、设定尺度参数j的初始值j0＝1，采样组序d的初始值d0＝0；

[0053] 步骤(1.2)、设定一个采样点为 另一个采样点为其中D是采样组数，d＝0,1,2,…,D-1；

[0054] 步骤(1.3)、在上述两个采样点内形成一个开关脉冲；

[0055] 步骤(1.4)、SM(t)是幅值为-1到1、周期为T的正弦波调制信号，SM(t)＝sin(wmt)，S′M(t)是SM(t)的导数，计算 的值并进行判断：

[0056] 当0≤td2

[0057] a)如果S′M(td2)>0，则下一组采样组j加1；

[0058] b)如果S′M(td2)<0，则下一组采样组j减1；

[0059] 当 时：

[0060] a)如果S′M(td2)>0，则下一组采样组j减1；

[0061] b)如果S′M(td2)<0，则下一组采样组j加1；

[0062] 步骤(1.5)、如果t≥T，则j＝j0，d＝d0，否则d＝d+1；

[0063] 步骤(1.6)、返回步骤(1.2)，重新计算。

[0064] 步骤(2)中生成M-1个不同开关角θi的矩形脉冲信号Pi的方法为：

[0065] 将步骤(1.4)中的正弦调制信号SM(t)取绝对值，并将所得结果|SM(t)|与常数进行比较，|SM(t)|大于 则输出高电平，反之，则输出低电平，由此得到第i个矩形脉冲信号Pi,其中i＝1,2,…,M-1。

[0066] 步骤(3)中级联多电平逆变器中第m个H桥(m＝1,2,…,M)的第n个开关管(n＝1,2,3,4)Smn对应的驱动信号PSmn的确定方法包括以下步骤：

[0067] 步骤(3.1)、将步骤(1.4)中的正弦波调制信号SM(t)与零电平比较，SM(t)大于零电平，则输出高电平，反之，则输出低电平，由此得到频率为f，占空比为50％的方波信号P，将方波信号P进行逻辑取反，得到

[0068] 步骤(3.2)、对于步骤(1)中得到的WM信号，步骤(2)中得到的开关角为θi的矩形脉冲信号Pi(i＝1,2,…,M-1)以及步骤(3.1)中得到的占空比为50％的方波信号P、 按照下面逻辑方法得到各个开关管的驱动信号：

[0069]

[0070]

[0071]

[0072]

[0073] (i＝2,3,…,M-1)

[0074]

[0075]

[0076] 表1所示是不同电平数下采用级联多电平逆变器的小波调制方法的逆变器的输出电压的基波幅值和THD，通过表1可以看出，本发明可以有效地提高基波幅值。

[0077] 表1.输出电压的基波幅值和THD

[0078] 表1

[0079]

[0080] 实施例二

[0081] 参考图2，其示出了本实例提供的级联多电平逆变器的小波调制方法，当H桥级联数M＝2时，调制过程的波形和逻辑控制框图。调制方法具体包括以下步骤：

[0082] 1)采用实施例一中步骤(1)的方法得到小波调制驱动信号WM；

[0083] 2)将步骤(1.4)中的正弦调制信号取绝对值，并将所得结果与0.5进行比较，得到矩形脉冲信号P1；

[0084] 3)将步骤(1.4)中的正弦波调制信号与零电平比较，得到频率为f，占空比为50％的方波信号P、 按照下面的方法生成开关管的驱动信号：

[0085]

[0086]

[0087]

[0088]

[0089] 通过图3-图6所示的级联五电平逆变器的输出电压的电压波形图和频谱图可以看出，级联五电平逆变器的输出电压基波幅值大，谐波含量小，且本发明提出的调制策略方法简单，容易拓展到任意电平数的级联多电平逆变器，易于数字处理器的实现，开关频率低。

[0090] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术其实做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。