本技術屬于電力電子，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：

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，因此被廣泛應用于水下通信、定位導航與地質勘探。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備。為抑制諧波并減小開關損耗，級聯(lián)多電平逆變器通常采用開關頻率等于基波頻率的特定次數(shù)諧波消除脈寬調制(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，由于開關器件是非理想的，開關的柵極、源級和漏極間存在寄生電容，這導致控制指令和開關動作間存在開通和關斷延時時間。為避免橋臂直通，需要在開關器件的脈沖寬度調制(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)效應導致的電平缺失和開關寄生電容效應導致的慢關斷瞬態(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)有研究忽略了開關寄生電容，僅對死區(qū)時間效應進行補償。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寄生電容的影響下變成緩慢斜坡，不再是階躍響應。應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，開關寄生電容效應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)時間和開關寄生電容效應進行了研究，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構，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寄生電容效應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。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的缺陷，本技術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寄生電容效應及依賴電流檢測，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斷角；

4、根據(jù)補償后的開通角和補償后的關斷角，確定h橋逆變子模塊中的各開關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器件的關斷延時時間對應的角度，δon為h橋逆變子模塊中的開關器件的開通延時時間對應的角度，δd為死區(qū)時間對應的角度，uc為h橋逆變子模塊的開關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斷角：

14、

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

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)效應的級聯(lián)電壓；

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

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，計算變壓器一次側的考慮開關寄生電容效應的實際負載電流；

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橋逆變子模塊的關斷角，δoff為h橋逆變子模塊中的開關器件的關斷延時時間對應的角度。

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)時間對應的角度，δon為h橋逆變子模塊中的開關器件的開通延時時間對應的角度，δoff為h橋逆變子模塊中的開關器件的關斷延時時間對應的角度，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器件的關斷延時時間對應的角度，δon為h橋逆變子模塊中的開關器件的開通延時時間對應的角度，δd為死區(qū)時間對應的角度，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，計算變壓器一次側的考慮開關器件寄生電容效應的實際負載電流，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測值，包括：

64、通過下式計算輸出電流的預測值：

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斷角，確定h橋逆變子模塊中的各開關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，本技術提供一種電子設備，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，本技術提供一種計算機可讀存儲介質，計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序，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，通過本技術所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果：

77、本技術實施例提供的級聯(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測值，對各h橋逆變子模塊的開通角和關斷角進行分別補償，并按照補償后的開通角和關斷角分配h橋逆變子模塊中各開關器件的移相控制信號，由此能夠有效補償死區(qū)效應和開關寄生電容效應導致的pwm電壓畸變。且本技術無需檢測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)效應和開關寄生電容效應引入的低次諧波，顯著提升波形質量。