本技術(shù)屬于電力電子，更具體地，涉及一種級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、甚低頻(3-30khz)電磁波具有傳播損耗小和穿透能力強等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于水下通信、定位導(dǎo)航與地質(zhì)勘探。在甚低頻電磁波發(fā)射系統(tǒng)中，采用變壓器疊加h橋逆變子模塊輸出電壓的級聯(lián)多電平逆變器是核心設(shè)備。為抑制諧波并減小開關(guān)損耗，級聯(lián)多電平逆變器通常采用開關(guān)頻率等于基波頻率的特定次數(shù)諧波消除脈寬調(diào)制(selectiveharmonic?elimination?pulse?width?modulation，shepwm)。理論上n個h橋逆變子模塊采用shepwm可消除2n-1次及以下的所有諧波。但是，由于開關(guān)器件是非理想的，開關(guān)的柵極、源級和漏極間存在寄生電容，這導(dǎo)致控制指令和開關(guān)動作間存在開通和關(guān)斷延時時間。為避免橋臂直通，需要在開關(guān)器件的脈沖寬度調(diào)制(pulse?width?modulation，pwm)控制信號中人為插入死區(qū)時間?，F(xiàn)有研究表明，死區(qū)效應(yīng)導(dǎo)致的電平缺失和開關(guān)寄生電容效應(yīng)導(dǎo)致的慢關(guān)斷瞬態(tài)使h橋逆變子模塊的輸出電壓(或稱為pwm電壓)出現(xiàn)明顯畸變，并在級聯(lián)輸出電壓中引入大量低次諧波。低次諧波會影響電磁波質(zhì)量，增加線路損耗，甚至對級聯(lián)多電平逆變器的輸出端連接的負載造成損害。因此，需要對pwm電壓畸變進行補償。

2、在級聯(lián)多電平逆變器中，關(guān)于pwm電壓補償?shù)难芯枯^少。此外，由于級聯(lián)多電平逆變器通常在大功率和高電壓條件下運行，現(xiàn)有研究忽略了開關(guān)寄生電容，僅對死區(qū)時間效應(yīng)進行補償。然而，級聯(lián)多電平逆變器中各h橋逆變子模塊的pwm電壓是按順序相移的，而各h橋逆變子模塊流過的電流幾乎相同。無論負載電流多大，總有h橋逆變子模塊在電流過零點附近向pwm控制信號插入死區(qū)時間。此時，h橋逆變子模塊輸出電壓的上升沿和下降沿在開關(guān)寄生電容的影響下變成緩慢斜坡，不再是階躍響應(yīng)。應(yīng)用于甚低頻電磁波發(fā)射系統(tǒng)時，因級聯(lián)多電平逆變器的基波周期很短，開關(guān)寄生電容效應(yīng)引入的低次諧波將非常顯著。

3、雖然近年來，一些文獻對兩電平電壓源逆變器中的死區(qū)時間和開關(guān)寄生電容效應(yīng)進行了研究，并提出了一些解決方案。然而，這些方法需要對橋臂電流進行精確采樣。由于具有大量h橋逆變子模塊的級聯(lián)多電平逆變器采用分布式控制結(jié)構(gòu)，主控制器與h橋逆變子模塊間存在通信延遲。若采用基于電流采樣的補償方法，補償指令將滯后于死區(qū)時間，從而導(dǎo)致過補償。雖然也有學者提出了不依賴電流檢測的方法，但這需要額外的硬件電路，從而導(dǎo)致級聯(lián)多電平逆變器的成本顯著增加。

4、總體而言，現(xiàn)有級聯(lián)多電平逆變器的補償方法因忽略開關(guān)寄生電容效應(yīng)而無法有效抑制低次諧波；兩電平電壓源逆變器的補償方法因依賴電流采樣，在應(yīng)用于級聯(lián)多電平逆變器時難以實現(xiàn)良好補償效果。高頻工作時級聯(lián)多電平逆變器pwm電壓的精確補償還有待研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本技術(shù)的目的在于提供一種級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償方法及裝置，旨在解決現(xiàn)有級聯(lián)多電平逆變器的pwm電壓補償方法忽略開關(guān)寄生電容效應(yīng)及依賴電流檢測，難以滿足甚低頻發(fā)射系統(tǒng)低諧波要求的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本技術(shù)提供了一種級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償方法，包括：

3、根據(jù)級聯(lián)多電平逆變器中各個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值，確定各個h橋逆變子模塊的補償后的開通角和補償后的關(guān)斷角；

4、根據(jù)補償后的開通角和補償后的關(guān)斷角，確定h橋逆變子模塊中的各開關(guān)器件的移相控制信號；

5、根據(jù)各個h橋逆變子模塊中的各開關(guān)器件的移相控制信號，對各個h橋逆變子模塊的輸出電壓進行補償。

6、在一些實施例中，根據(jù)級聯(lián)多電平逆變器中各個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值，確定各個h橋逆變子模塊的補償后的開通角和補償后的關(guān)斷角，包括：

7、對于任一h橋逆變子模塊，在ωt＝θs+δoff的情況下：

8、若輸出電流的預(yù)測值小于或等于0，則通過下式計算h橋逆變子模塊的補償后的開通角：

9、

10、若輸出電流的預(yù)測值大于0，則通過下式計算h橋逆變子模塊的補償后的開通角：

11、θs,com＝θs-(δd+δon-δoff)；

12、其中，θs,com為h橋逆變子模塊的補償后的開通角，θs為h橋逆變子模塊的開通角，vdc為直流母線電壓，δoff為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的關(guān)斷延時時間對應(yīng)的角度，δon為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的開通延時時間對應(yīng)的角度，δd為死區(qū)時間對應(yīng)的角度，uc為h橋逆變子模塊的開關(guān)器件的寄生電容的電壓誤差，ω為基波角頻率，t為當前時間；

13、在ωt＝θe+δoff的情況下，若級聯(lián)多電平逆變器的輸出端連接阻感負載，則通過下式計算h橋逆變子模塊的補償后的關(guān)斷角：

14、

15、其中，θe為h橋逆變子模塊的關(guān)斷角，θe,com為h橋逆變子模塊的補償后的關(guān)斷角。

16、在一些實施例中，各個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值的獲取方式，包括：

17、根據(jù)各個h橋逆變子模塊的開通角和關(guān)斷角，計算級聯(lián)多電平逆變器的理想級聯(lián)電壓；

18、根據(jù)各個h橋逆變子模塊的死區(qū)電壓誤差和理想級聯(lián)電壓，計算考慮死區(qū)效應(yīng)的級聯(lián)電壓；

19、根據(jù)級聯(lián)電壓，計算考慮死區(qū)效應(yīng)的負載電流值；

20、根據(jù)負載電流值，計算各個h橋逆變子模塊的開關(guān)器件的寄生電容的電壓誤差；

21、根據(jù)電壓誤差，計算與各個h橋逆變子模塊連接的變壓器一次側(cè)的等效級聯(lián)電壓；

22、根據(jù)等效級聯(lián)電壓，計算變壓器一次側(cè)的考慮開關(guān)寄生電容效應(yīng)的實際負載電流；

23、根據(jù)變壓器的勵磁電流和實際負載電流，計算各個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值。

24、在一些實施例中，根據(jù)各個h橋逆變子模塊的開通角和關(guān)斷角，計算級聯(lián)多電平逆變器的理想級聯(lián)電壓，包括：

25、通過下式計算理想級聯(lián)電壓：

26、

27、式中，um,idl為理想級聯(lián)電壓，n為h橋逆變子模塊的個數(shù)，uidl,j為第j個h橋逆變子模塊的理想輸出電壓，由下式計算：

28、uidl,j＝sj·vdc；

29、式中，vdc為直流母線電壓，sj由下式計算：

30、

31、式中，ω為基波角頻率，t為當前時間，θs,j為第j個h橋逆變子模塊的開通角，θe,j為第j個h橋逆變子模塊的關(guān)斷角，δoff為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的關(guān)斷延時時間對應(yīng)的角度。

32、在一些實施例中，根據(jù)各個h橋逆變子模塊的死區(qū)電壓誤差和理想級聯(lián)電壓，計算考慮死區(qū)效應(yīng)的級聯(lián)電壓，包括：

33、通過下式計算級聯(lián)電壓：

34、

35、式中，um,d為級聯(lián)電壓，n為h橋逆變子模塊的個數(shù)，ud,j為第j個h橋逆變子模塊的死區(qū)電壓誤差；

36、在級聯(lián)多電平逆變器的輸出端連接阻感負載的情況下，ud,j通過下式計算得到：

37、當時，若ωt∈[0,2π]，則ud,j＝0；

38、當時，若則ud,j＝-vdc，若則ud,j＝vdc，否則，ud,j＝0；

39、當時，若ωt∈[θs,j+δoff,θs,j+δd+δon]，則ud,j＝-vdc，若ωt∈[θs,j+δoff+π,θs,j+δd+δon+π]，則ud,j＝vdc，否則，ud,j＝0；

40、式中，為h橋逆變子模塊的電流相位角，θs,j為第j個h橋逆變子模塊的開通角，δd為死區(qū)時間對應(yīng)的角度，δon為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的開通延時時間對應(yīng)的角度，δoff為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的關(guān)斷延時時間對應(yīng)的角度，vdc為直流母線電壓。

41、在一些實施例中，根據(jù)級聯(lián)電壓，計算考慮死區(qū)效應(yīng)的負載電流值，包括：

42、通過下式計算負載電流值：

43、

44、式中，um,d為級聯(lián)電壓，t為當前時間，i′g,d為負載電流值，lc為傳輸線的寄生電感的電感值，rc為傳輸線的寄生電阻的阻值，lg為負載電感的電感值，rg為負載電阻的阻值，k為級聯(lián)多電平逆變器中的變壓器繞組系數(shù)，leq為級聯(lián)多電平逆變器的等效漏感的電感值，req為級聯(lián)多電平逆變器的等效繞線電阻的阻值。

45、在一些實施例中，根據(jù)電壓誤差，計算與各個h橋逆變子模塊連接的變壓器一次側(cè)的等效級聯(lián)電壓，包括：

46、通過下式計算等效級聯(lián)電壓：

47、

48、式中，um為等效級聯(lián)電壓，n為h橋逆變子模塊的個數(shù)，uc,j為第j個h橋逆變子模塊的開關(guān)器件的寄生電容的電壓誤差，包括各個h橋模塊逆變器在正半周期內(nèi)的電壓誤差u′c,j和負半周期內(nèi)的電壓誤差u″c,j；

49、在級聯(lián)多電平逆變器的輸出端連接阻感負載時，各個h橋模塊逆變器在正半周期內(nèi)的電壓誤差通過下式計算：

50、在ωt＝θs,j+δoff時，若h橋逆變子模塊的輸出電流小于或等于0，則根據(jù)ir,j與ith的大小關(guān)系，計算正半周期內(nèi)的電壓誤差：

51、

52、式中，ω為基波角頻率，t為當前時間，θs,j為第j個h橋逆變子模塊的開通角，vdc為直流母線電壓，δoff為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的關(guān)斷延時時間對應(yīng)的角度，δon為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的開通延時時間對應(yīng)的角度，δd為死區(qū)時間對應(yīng)的角度，δtr,j為第j個h橋逆變子模塊的第一電壓上升時間，coss為h橋逆變子模塊中的開關(guān)器件的寄生電容，ir,j為第j個h橋逆變子模塊的輸出電流is,j在[θs,j+δoff,θs,j+δd+δon]內(nèi)的線性平均值，ith為電流閾值；

53、在ωt＝θs,j+δoff時，若h橋逆變子模塊的輸出電流大于0，則當ωt∈[θs,j+δoff,θs,j+δd]時，u′c,j＝0；

54、在ωt＝θe,j+δoff時，根據(jù)ir,j與ith的大小關(guān)系，計算正半周期內(nèi)的電壓誤差：

55、

56、式中，θe,j為第j個h橋逆變子模塊的關(guān)斷角，if,j為第j個h橋逆變子模塊的輸出電流is,j在[θe,j+δoff,θe,j+δd+δon]內(nèi)的線性平均值，δtf,j為第j個h橋逆變子模塊的第二電壓上升時間，由下式計算：

57、

58、各個h橋模塊逆變器在負半周期內(nèi)的電壓誤差u″c,j＝-u′c,j。

59、在一些實施例中，根據(jù)等效級聯(lián)電壓，計算變壓器一次側(cè)的考慮開關(guān)器件寄生電容效應(yīng)的實際負載電流，包括：

60、通過下式計算實際負載電流：

61、

62、式中，um為等效級聯(lián)電壓，i′g為實際負載電流，t為當前時間，lc為傳輸線的寄生電感的電感值，rc為傳輸線的寄生電阻的阻值，lg為負載電感的電感值，rg為負載電阻的阻值，k為級聯(lián)多電平逆變器中的變壓器繞組系數(shù)，leq為級聯(lián)多電平逆變器的等效漏感的電感值，req為級聯(lián)多電平逆變器的等效繞線電阻的阻值。

63、在一些實施例中，根據(jù)變壓器的勵磁電流和實際負載電流，計算各個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值，包括：

64、通過下式計算輸出電流的預(yù)測值：

65、i′s,j＝i′g+i0,j,j＝1,2,3,...,n；

66、式中，i′s,j為第j個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值，n為h橋逆變子模塊的個數(shù)，i′g為實際負載電流，i0,j為第j個h橋逆變子模塊的勵磁電流，由下式計算：

67、

68、式中，t為當前時間，us,j為第j個h橋逆變子模塊的輸出電壓，lm為單個變壓器的勵磁電感的電感值，rm為單個變壓器的等效勵磁電阻的阻值。

69、第二方面，本技術(shù)提供一種級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償裝置，包括：

70、第一獲取模塊，用于級聯(lián)多電平逆變器中各個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值，確定各個h橋逆變子模塊的補償后的開通角和補償后的關(guān)斷角；

71、第二獲取模塊，用于根據(jù)補償后的開通角和補償后的關(guān)斷角，確定h橋逆變子模塊中的各開關(guān)器件的移相控制信號；

72、補償模塊，用于根據(jù)各個h橋逆變子模塊中的各開關(guān)器件的移相控制信號，對各個h橋逆變子模塊的輸出電壓進行補償。

73、第三方面，本技術(shù)提供一種電子設(shè)備，包括：至少一個存儲器，用于存儲程序；至少一個處理器，用于執(zhí)行存儲器存儲的程序，當存儲器存儲的程序被執(zhí)行時，處理器用于執(zhí)行第一方面或第一方面的任一些實施例所描述的級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償方法。

74、第四方面，本技術(shù)提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，當計算機程序在處理器上運行時，使得處理器執(zhí)行第一方面或第一方面的任一些實施例所描述的級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償方法。

75、第五方面，本技術(shù)提供一種計算機程序產(chǎn)品，當計算機程序產(chǎn)品在處理器上運行時，使得處理器執(zhí)行第一方面或第一方面的任一些實施例所描述的級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償方法。

76、總體而言，通過本技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

77、本技術(shù)實施例提供的級聯(lián)多電平逆變器的電壓補償方法及裝置，利用級聯(lián)多電平逆變器中各個h橋逆變子模塊的輸出電流的預(yù)測值，對各h橋逆變子模塊的開通角和關(guān)斷角進行分別補償，并按照補償后的開通角和關(guān)斷角分配h橋逆變子模塊中各開關(guān)器件的移相控制信號，由此能夠有效補償死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)寄生電容效應(yīng)導(dǎo)致的pwm電壓畸變。且本技術(shù)無需檢測h橋逆變子模塊的輸出電流，省去了電流檢測硬件和光纖通信延時時間。在高頻級聯(lián)拓撲中可有效抑制死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)寄生電容效應(yīng)引入的低次諧波，顯著提升波形質(zhì)量。