基于分類算法的多電平二極管鉗位逆變器的通用快速SVM算法研究

2014-08-08 14:09:11王姿雅羅隆福

湖南大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版 2014年5期

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

王姿雅+羅隆福

文章編號：16742974(2014)05007907

收稿日期：20131023

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51077045）

作者簡介：王姿雅（1976-），女，湖南長沙人，湖南大學(xué)講師，博士

通訊聯(lián)系人，E-mail:wzy@hnu.edu.cn

摘要：針對多電平二極管鉗位逆變器的傳統(tǒng)SVM算法需要進行大量三角函數(shù)運算或查表操作、因而運算效率低的不足，引入基于Kohonen競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類算法，提出了一種通用的快速多電平二極管鉗位逆變器SVM算法.新算法并不需要對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，在整個實現(xiàn)過程中不再需要任何三角函數(shù)計算或查表操作，而只需要進行簡單的加減乘除運算，因而能顯著簡化算法的實現(xiàn).對三電平和五電平的二極管鉗位逆變器進行時域仿真，結(jié)果驗證了文中數(shù)學(xué)分析的正確性和所提算法的可行性，同時表明該算法是一種對多電平二極管鉗位逆變器通用的算法，將它應(yīng)用于不同電平數(shù)的逆變器時不需要進行任何修改.



關(guān)鍵詞：二極管鉗位逆變器；多電平；空間矢量調(diào)制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；運算簡化



中圖分類號：TM76 文獻標(biāo)識碼：A

Study on a Generalized and Fast SVM Algorithm Based on 

a Sorting Algorithm for Multilevel Diode Clamped Inverters



WANG Ziya，LUO Longfu



(College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ， Changsha, Hunan 410082, China)

Abstract:To overcome the shortcomings of the conventional SVM for diode clamped multilevel inverter, a classification algorithm based on Kohonen's competitive NN was propsed. Although the algorithm is an NNbased one, it does not need a training stage. The proposed SVM switching strategy eliminates the time consuming operations, so the whole procedure for the implementation of the algorithm is carried out with simple mathematical operations. The validity of mathematical analysis and the feasibility of the proposed algorithm were verified with simulation studies for both a threelevel DCI and a fivelevel DCI. The simulation studies also verify that the proposed algorithm is a generalized one for an nlevel DCI and does not need any modification when the number of levels increases.

Key words: diode clamped inverters(DCI); multilevel; space vector modulation(SVM); neural network; operation simplification



二極管鉗位多電平逆變器既不像飛跨電容型逆變器需要許多龐大的電容及其預(yù)充電結(jié)構(gòu)，也不像級聯(lián)型拓?fù)湫枰卸鄠€獨立的直流電源.與傳統(tǒng)的兩電平逆變器拓?fù)湎啾?，二極管鉗位多電平逆變器具有輸出電壓波形質(zhì)量高、拓?fù)浜唵畏€(wěn)定、能減小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力和改善電磁兼容性等優(yōu)點，在無功補償、高壓直流輸電、交流驅(qū)動、有源濾波和電能調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)等中高壓系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2].

空間矢量法是一種優(yōu)越而應(yīng)用廣泛的多電平逆變器PWM方法，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：在大范圍的調(diào)制比內(nèi)具有很好的性能；不需要其它控制方法所需存儲的大量角度數(shù)據(jù)；直流電壓利用率高等[3].除此之外重要的是，空間矢量法的靜止空間矢量具有冗余度，這是正弦脈寬調(diào)制所沒有的自由度，這一特性非常有利于解決逆變器直流側(cè)電容電壓偏移和諧波消除等問題.

傳統(tǒng)的SVM算法在實現(xiàn)時需要進行大量的三角函數(shù)運算或是借助查表操作，因而計算量大、耗時多；且隨著電平數(shù)的增加，算法實現(xiàn)的難度將會顯著加大.為此，研究人員在簡化多電平逆變器SVM算法上進行了探索[4-9].文獻[4]通過建立一種新的坐標(biāo)體系來簡化運算，但是其相鄰調(diào)制矢量執(zhí)行時間的計算仍較為復(fù)雜，且算法的實現(xiàn)仍需依賴查表.文獻[5]提出了一種三電平逆變器改進SVM算法，該算法將三電平逆變器的空間矢量圖分解為若干個兩電平逆變器的空間矢量圖，以此簡化計算.雖然這一思路在理論上可推廣到更高電平數(shù)的逆變器，但計算復(fù)雜度會隨電平數(shù)的增加而提高.文獻[6]提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三電平逆變器SVM算法，利用兩個多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定調(diào)制矢量及其執(zhí)行時間.該算法的不足是它需要對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練且通用性不佳.

本文提出一種對多電平二極管鉗位逆變器通用的分類算法，利用一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡單計算來取代復(fù)雜的三角函數(shù)運算和查表操作.它不僅實現(xiàn)簡便、運算快捷，而且消除了上述文獻中算法的不足，對實現(xiàn)二極管鉗位逆變器的電容電壓平衡和其他復(fù)雜控制都是非常有利的.

1 多電平二極管鉗位逆變器SVM算法原理

1.1 SVM算法的相關(guān)概念

圖1是三相多電平二極管鉗位逆變器的拓?fù)鋱D，逆變器的每相橋臂上有2(n－1)個全控開關(guān)和（n－2）對鉗位二極管.同時逆變器的直流側(cè)有（n－1）個電容，在理想情況下每個電容的分壓為Vdc/( n－1)，相應(yīng)的，直流端子0，1，2，…，n－1上的電平分別為0，Vdc/( n－1)，2Vdc/( n－1)，…，Vdc，這n種電平都可通過對橋臂開關(guān)的控制輸出到逆變器的交流端口.

三相多電平二極管鉗位逆變器的每一相有n種不同的開關(guān)狀態(tài)，因此逆變器總共有n3個開關(guān)狀



圖1 三相多電平二極管鉗位逆變器拓?fù)洫?/p>

Fig.1Topology of a three phase multilevel 

diode clamped inverter



態(tài).逆變器的開關(guān)狀態(tài)用（i，j，k）表示，其中i，j，k ∈[0,1，…，n-1]，分別指示a，b，c三相的n極開關(guān)

所連接到的直流側(cè)端子.n3個開關(guān)狀態(tài)所對應(yīng)的輸出相電壓通過如下的派克變換：

VαrefVβref=1－12－12032－32VarefVbrefVcref (1)

得到3 n (n-1)+1個空間電壓矢量.所有的空間電壓矢量在一起構(gòu)成了以αβ復(fù)平面的原點為中心的(n-1)層的六邊形，六邊形均分為6個跨度為60°的扇區(qū)，每個扇區(qū)包含(n-1)2個等邊三角形，三角形的一個頂點即對應(yīng)一個空間電壓矢量，如圖2所示.



圖2 多電平二極管鉗位逆變器

在αβ復(fù)平面上的空間矢量



Fig.2The space vector diagram for a multilevel 

DCI in αβ plate

1.2 傳統(tǒng)的SVM算法

傳統(tǒng)的SVM是一種選擇合適的開關(guān)狀態(tài)矢量并利用“伏秒平衡”原理來合成參考電壓矢量Vref的離散型調(diào)制技術(shù)[10].圖2中參考電壓矢量Vref的末端落在某個三角形內(nèi)，與三角形的3個頂點相對應(yīng)的就是與Vref最靠近的3個靜止空間矢量，用它們來合成Vref的伏秒平衡關(guān)系為：

VrefTs=ViTi+VjTj+VkTk (2)

Ts=Ti+Tj+Tk(3)

其中Ts是開關(guān)周期；Vi，Vj和Vk是用來合成Vref的3個最近調(diào)制矢量；Ti，Tj，Tk分別為Vi，Vj和Vk的執(zhí)行時間.

式(2)是一個向量方程，將其中的各個矢量分解為實部和虛部兩個部分，則可得到兩個方程，通過這兩個方程與式(3)組成的方程組可解出3個調(diào)制矢量的執(zhí)行時間Ti，Tj和Tk.不管Vref是落在哪個扇區(qū)的哪個三角形內(nèi)，都可通過同樣的原理確定3個調(diào)制矢量以及它們的執(zhí)行時間.

傳統(tǒng)SVM算法中用來合成參考電壓矢量的計算包含有很多三角函數(shù)計算，使得調(diào)制算法的運算量很大.涉及三角函數(shù)計算的過程主要有：1）確定參考電壓矢量末端所在的扇區(qū)和三角形；2）選擇合適的調(diào)制開關(guān)矢量；3）計算調(diào)制矢量的執(zhí)行時間.不僅如此，隨著參考矢量的旋轉(zhuǎn)，它的末端所在的三角形不斷發(fā)生著變化，用以計算調(diào)制矢量執(zhí)行時間的算式隨之改變，也就是說，對于傳統(tǒng)的SVM算法，每個三角形必須依據(jù)獨立的算式來計算執(zhí)行時間.因此，隨著逆變器電平數(shù)的增加，傳統(tǒng)算法的計算量和計算難度都將顯著加大.

2 基于分類算法的快速SVM算法

為了對傳統(tǒng)的SVM算法加以改進，本文引入了基于Kohonen競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]的分類算法，這種分類算法是一種實時的計算方法，能自動識別所需的開關(guān)電壓矢量和計算相應(yīng)的開關(guān)矢量執(zhí)行時間.Kohonen競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在其訓(xùn)練模式下將一組輸入矢量歸納為幾種類型矢量，在其回想模式下將一個輸入矢量歸入一種類型矢量.由于SVM的步驟是確定的，并且所有用來合成參考矢量的開關(guān)矢量都是已知的，因此應(yīng)用Kohonen競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分類時并不需要訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用這一特點可以獲得一種基于分類算法的快速而簡化的SVM算法.

2.1 基于Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法的調(diào)制算法

思想

圖3是基于Kohonen競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法的原理圖，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入是參考電壓矢量.圖中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含有6個計算單元，每個計算單元都關(guān)聯(lián)著一個預(yù)定義的權(quán)值矢量，第k個單元的輸出是參考矢量與第k個開關(guān)狀態(tài)矢量Vk的內(nèi)積，即

nk=|Vref||Vk|cos (∠Vref,Vk), 

k =1，2，…，6 (4)

其中Vk（k=1,2,…,6）是多電平二極管鉗位逆變器的6個非零調(diào)制矢量，它們的定義由圖2給出，即Vk是末端位于空間矢量圖上最外層六邊形頂點的調(diào)制矢量.分類算法就通過Vk來確定Vref所在的扇區(qū).將這6個非零調(diào)制矢量作為分類矢量，它們中與Vref最接近的兩個就決定了Vref所在的扇區(qū)，因此競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將有兩個“勝出者”.



圖3 基于Kohonen競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

分類算法原理圖



Fig.3 Schematic diagram of the classification algorithm 

based on Kohonen competitive neural network



不失一般性，將處于最外層的6個矢量Vk都進行正規(guī)化，所得結(jié)果如表1所示，則式(4)的內(nèi)積可改寫為

nk=|Vref|cos θk, k=1,2,…,6 (5)

其中θk是Vref與Vk的夾角.

表1 多電平DCI最外層的6個空間矢量

Tab.1 Six space vectors on the outmost layer

空間矢量

Va

Vb

Vc

空間矢量定義

V1

Vdc

V2

Vdc

(12+j32)Vdc

V3

Vdc

(－12+j32)Vdc

V4

Vdc

- Vdc

V5

Vdc

－(12+j32)Vdc

V6

Vdc

(12－j32)Vdc



由式(5)可知，最靠近Vref的開關(guān)矢量Vk與Vref的夾角最小，nk也就最大.nk (k=1,2,…,6)中最大的兩個就唯一決定了Vref所在的扇區(qū)，即Vref所在扇區(qū)是以矢量Vi和Vi+1為界限的（如圖4所示），ni和ni+1的相應(yīng)序號也即類型號i和i+1就確定了Vref的末端所在的扇區(qū)號.

式(4)還可表示為如下的矩陣形式：

n1n2n3n4n5n6=VT1VT2VT3VT4VT5VT6Vref(6)

將表1中的矢量Vk（k=1,2,…,6）和式(1)中的Vαref，Vβref代入式(6)得：

n1n2n3n4n5n6=101232－1232－10－12－3212－32VαrefVβref=

1－12－121212－1－121－12－11212－12－12112－112VarefVbrefVcref=

101232－1232－10－12－3212－321－12－12032－32VarefVbrefVcref=

1－12－121212－1－121－12－11212－12－12112－112VarefVbrefVcref=

1－12－121212－1－121－12－11212－12－12112－112VarefVbrefVcref

即

n1n2n3n4n5n6=WVarefVbrefVcref,W=1－12－121212－1－121－12－11212－12－12112－112(7)

矩陣W就是圖3中預(yù)定義的3個權(quán)值矢量.

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩個勝出單元

Fig.4 The two winners of the neural network

根據(jù)上述的分類方法，可以通過三相輸入電壓參考量的線性組合方便得到參考矢量Vref和開關(guān)類型矢量Vk之間的內(nèi)積.勝出單元的輸出（見圖4）為：

nini+1=|Vref|cos θ

cos (60°－θ) (8)

上式中的cosθ和cos(60°-θ)可改寫為：

cosθcos (60°－θ)=132112sin (60°－θ)sinθ (9)

將式(9)中的cosθ和cos(60°-θ)代入式(8)并整理得：

sin (60°－θ)sin θ=13|Vref|2－1－12nini+1 (10)

如上所述，與位置角θ有關(guān)的三角函數(shù)都可用ni和ni+1來代替了.

2.2 確定參考電壓矢量的位置

參考電壓矢量位置的確定包括兩個方面，即確定參考電壓矢量所在的扇區(qū)和確定矢量末端落在該扇區(qū)的哪一個三角形內(nèi).對于第一個問題上節(jié)已進行了說明，而要解決第二個問題首先需要將參考矢量投影到60°坐標(biāo)系的兩條軸也即調(diào)制矢量Vi和Vi+1上，如圖5所示，投影所得的坐標(biāo)分別是Vref(ni)和Vref(ni+1)：

Vref(ni)=Vrefcos θ－Vref3sin θVdcn－1 (11)

Vref(ni+1)=Vrefcos (60°－θ)－Vref3sin (60°－θ)Vdcn－1(12)

利用式(8)和式(10)將式(11)和式(12)中的cosθ，sin θ，cos(60°-θ)和sin(60°-θ)替換為ni和ni+1，可得

Vref(ni)=2(n－1)3Vdc(2ni－ni+1)(13)

Vref(ni+1)=2(n－1)3Vdc(－ni+2ni+1)(14)

對于一個多電平二極管鉗位逆變器，當(dāng)參考電壓矢量Vref位于第1扇區(qū)時，將它投射到60°坐標(biāo)系時的情形如圖5所示.從圖中可見，參考矢量的末端位于一個頂點分別為A，B，C和D的平行四邊形當(dāng)中.令

l1=int (Vref(ni))(15)

l2=int (Vref(ni+1))(16)

其中int( )是向下取整算符.

平行四邊形4個頂點的坐標(biāo)就可表示為

A點：(VA(ni)，VA(ni+1)) = (l1，l2)(17)

B點：(VB(ni)，VB(ni+1)) = (l1+1，l2)(18)

C點：(VC(ni)，VC(ni+1)) = (l1，l2+1)(19)

D點：(VD(ni)，VD(ni+1)) = (l1+1，l2+1) (20)

利用下面的條件，可以進一步地確定參考矢量Vref是落在由頂點A，B，C構(gòu)成的三角形中還是落在由頂點B，C，D構(gòu)成的三角形中.

Vref落在ΔABC中時滿足條件：

Vref(ni) + Vref(ni+1) < l1+l2+1 (21)



圖5 快速SVM算法對應(yīng)的第1扇區(qū)空間矢量圖

Fig.5Diagram of the space vectors in sector I 

for the fast SVM algorithm

Vref落在ΔBCD中時滿足條件：

Vref(ni) + Vref(ni+1) ≥ l1+l2+1 (22)

2.3 計算調(diào)制矢量的執(zhí)行時間

根據(jù)前面的分析，對于多電平二極管鉗位逆變器的參考電壓矢量Vref，可以對式(2)和式(3)中距離Vref最近的3個調(diào)制矢量的執(zhí)行時間進行簡化計算.若參考矢量Vref的末端落在ΔABC中（見圖5），則可將式(2)和式(3)改寫為

VATA+VBTB+VCTC=VrefTs(23)

TA+TB+TC=Ts(24)

其中TA，TB，TC分別為末端位于ΔABC的3個頂點上的3個開關(guān)矢量VA,VB,VC的執(zhí)行時間.

將式(23)中的電壓矢量分解到圖5中60°坐標(biāo)

系的vni軸和vni+1軸上，可分別得到實部和虛部的

關(guān)系式為：

VA(ni)TA+VB(ni)TB+VC(ni)TC=Vref(ni)Ts(25)

VA(ni+1)TA+VB(ni+1)TB+VC(ni+1)TC=Vref(ni+1)Ts (26)

將(17)，(18)和(19)中3個調(diào)制矢量VA，VB，VC在vni軸和vni+1軸上的坐標(biāo)代入式(25)和式(26)并聯(lián)立式(24)可解得：

TB=(Vref(ni)－VA(ni))Ts

TC=(Vref(ni+1)－VA(ni+1))Ts

TA=Ts－TB－TC (27)

若參考矢量Vref的末端落在ΔBCD中，也可類似地得到調(diào)制矢量VB，VC，VD的執(zhí)行時間為：

TB=(VA(ni+1)+1－Vref(ni+1))Ts

TC=(VA(ni)+1－Vref(ni))Ts

TD=Ts－TB－TC(28)

以上算法最顯著的特點就是計算簡單快速，在整個求取調(diào)制矢量執(zhí)行時間的計算過程中都不再有三角函數(shù)運算，與之相較的是傳統(tǒng)SVM算法需要大量復(fù)雜的三角運算.計算機求解一個三角函數(shù)時需要進行幾十次的乘法運算，而本文算法只需20多次乘法運算就能得出最后結(jié)果.顯然，改進的SVM算法在實現(xiàn)中相應(yīng)的軟、硬件更簡單，計算時間更少，也就比傳統(tǒng)SVM算法更容易實現(xiàn)了.

2.4 根據(jù)開關(guān)矢量確定開關(guān)狀態(tài)

改進的SVM算法的最后一步是識別出已在2.2節(jié)中確定的3個鄰近電壓矢量所分別對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài).在圖5的60°坐標(biāo)系中，3個鄰近電壓矢量的末端分別在參考電壓矢量的末端所在三角形的頂點上.若一個鄰近電壓矢量的坐標(biāo)為(vni，vni+1)，則與它相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)可由下式確定：

(i，j，k)=(h，h-vni，h-vni-vni+1) (29)

其中h，h-vni，h-vni-vni+1∈{0，1，2，…，n-1}．

在前面的SVM算法推導(dǎo)過程中，不管參考電壓矢量Vref位于哪一個扇區(qū)，實際都是先將其映射到第1扇區(qū)再進行討論，因此由式(29)所確定的開關(guān)狀態(tài)都是與第1扇區(qū)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài).當(dāng)參考矢量的實際位置在第i (i ≠ 1)扇區(qū)時，要根據(jù)第i扇區(qū)與第1扇區(qū)之間的對應(yīng)關(guān)系將由式(29)所確定的開關(guān)狀態(tài)映射回第i扇區(qū).表2給出了6個扇區(qū)之間的對應(yīng)關(guān)系，只要按照表中的相應(yīng)關(guān)系進行替換，就能方便地得到合成參考電壓矢量的調(diào)制矢量的實際開關(guān)狀態(tài).

表2 第1扇區(qū)與其他扇區(qū)間開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系

Tab.2 Relations between the switching states in sector I

and the states in other sectors

扇區(qū)

編號

開關(guān)狀態(tài)

A相

B相

C相

i

j

k

－j＋(n－1)

－k＋(n－1)

－i＋(n－1)

k

i

j

－i＋(n－1)

－j＋(n－1)

－k＋(n－1)

j

k

i

－k＋(n－1)

－i＋(n－1)

－j＋(n－1)

3 仿真分析

為驗證基于分類算法的SVM算法的正確性，采用MATLAB/SIMULINK進行了仿真分析.將其分別應(yīng)用到三電平和五電平的二極管鉗位逆變器中進行仿真研究，以驗證該算法對任意電平數(shù)的二極管鉗位逆變器都是可行的.逆變器的開關(guān)頻率為2.88 kHz，仿真結(jié)果采用標(biāo)幺值來表示.

圖6和圖7是三電平二極管鉗位逆變器在調(diào)制比分別為0.8和0.4時逆變器交流側(cè)線電壓的仿真結(jié)果.兩圖中的交流電壓分別5級和3級階梯波，這與三電平二極管鉗位逆變器的運行特點是相符合的.仿真波形驗證了本算法的可行性.

t/s

圖6三電平二極管鉗位逆變器

當(dāng)m=0.8時交流側(cè)線電壓波形



Fig.6ACside line voltage waveform of a threelevel 

DCI with m=0.8

圖8和圖9是五電平二極管鉗位逆變器在調(diào)制比分別為0.8和0.4時的仿真結(jié)果，兩圖中的交流側(cè)線電壓分別9級和5級階梯波，這也符合五電平二極管鉗位逆變器的運行特點.

以上的仿真結(jié)果也證明了改進的SVM算法可用于不同電平數(shù)的二極管鉗位逆變器.此外，隨著電平數(shù)的增加，該算法比傳統(tǒng)的SVM算法在計算時間上將更有優(yōu)勢，因為它并不依賴于逆變器的電平數(shù).

t/s

圖7 三電平二極管鉗位逆變器

當(dāng)m=0.4時交流側(cè)線電壓波形

Fig.7 ACside line voltage waveform of a threelevelDCI with m=0.4



t/s

圖8 五電平二極管鉗位逆變器

當(dāng)m=0.8時交流側(cè)線電壓波形



Fig.8 ACside line voltage waveform of a fivelevel

DCI with m=0.8

t/s

圖9 五電平二極管鉗位逆變器

當(dāng)m=0.4時交流側(cè)線電壓波形

Fig.9 ACside line voltage waveform of a fivelevel

DCI with m=0.4

4 結(jié) 論

本文研究了一種應(yīng)用于n電平二極管鉗位逆變器的實時分類SVM算法，分類算法的核心是一個簡單的分類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).該SVM算法在整個實現(xiàn)過程中不再需要任何三角計算，只需要進行簡單的加減乘除運算，因而用以實現(xiàn)本章算法的軟硬件都大大簡化了，實時運算時間也就能得到有效削減，這一運算速度上的優(yōu)勢能為處理器節(jié)省大量執(zhí)行時間來完成其他耗時的工作如實現(xiàn)電容電壓的平衡等.算法是一種對n電平二極管鉗位逆變器通用的算法，將它應(yīng)用于不同電平數(shù)的逆變器時不需要進行任何修改，二極管鉗位逆變器的電平數(shù)越多，這一特點的優(yōu)勢就越突出.通過仿真驗證了本文算法的有效性和通用性.

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