CN102570882A - 变流器最大线性输出脉宽调制 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种变流器最大线性输出脉宽调制方法。其特征在于：基于断续脉宽调制，输出线电压中包含一个全脉宽和一个可调制最大输出脉宽，同时忽略非电流导通开关器件小脉宽，死区时间在可调制最大输出脉宽中无影响，因此变流器可实现最大线性输出。相比于传统变流器脉宽调制，本发明可实现理论最大化线性输出，线性区间内输出波形无失真低谐波含量，降低器件损耗、节温，提高系统效率，延长器件使用寿命或实现在相同节温下实现更大输出电流。

Description

变流器最大线性输出脉宽调制

技术领域

本发明涉及对变流器功率器件进行控制的脉宽调制方案，适用于电压源变流器应用领域。本发明与传统方案相比具有更大的线性输出区间。

背景技术

变流器开关器件必须在安全开关区域内工作。由于杂散电感的影响，电压源变流器直流母线电压被限定在一定范围之内。对于给定直流电压，交流输出电压受脉宽调制方法、死区时间和最小脉宽的影响。

如图1所示，三相全桥电压源型变流器单相桥臂包含上下桥臂两个开关器件，电流方向定义以输出变流器为正向。由于电压源特性，两个开关器件不能同时打开，引入死区时间，延迟器件打开以保证对称器件有足够时间关断。如图2所示，在死区时间内，电流方向影响输出电压。无论电流为正或负，输出电压都无法真实反映输出指令。死区时间的影响补偿可依据电流方向对输出脉冲进行左右偏移或通过补偿调制波来实现。关于死区时间补偿已有大量学术论文及专利论述，在本专利中不在赘述。

如图3及图4所示，对于给定死区时间和最小脉宽，当电流为正时可调制正输出脉宽最大值被限定，当电流为负时，可调制负输出脉宽最大值被限定。可调制最大输出脉宽可计算为：

1－(2 ×死区时间＋最小脉宽）×开关频率。

因此，对于三相系统，当一相输出为最大正脉宽，一相输出为最大负脉宽时，输出线电压可为最大。如图5所示，当A 相输出最大负脉宽，C相输出最大正脉宽，输出线电压AC 脉宽可最大化。

当输出脉宽在这一最大脉宽范围内，变流器输出脉宽可线性调变。因此这一输出范围被称为线性输出区间。在线性输出区间范围内，如果死区时间得到适当补偿，输出指令可以被准确反映。

为表述最大线性调制区间，调制深度定义为：

调制深度=线电压峰值/直流电压。

对于传统脉宽调制方案，最大调制深度可计算为：

1－2 ×(2 ×死区时间＋最小脉宽）×开关频率。

在理想条件下，无死区时间和最小脉宽的影响，最大调制深度为100%。

超出最大调制深度的区间为非线性调制区间，在这一区间内，由于最小脉宽和死区时间的限制，交流输出无法线性调制。如图6所示，如果保留最小脉宽，交流线电压在非线性输出区间将饱和。如图7所示，如果放弃最小脉宽，交流线电压输出将跳变为全直流电压。

对于主流常见风电变流器，690V 交流额定电压，1700V 开关器件，为达到系统最优化设计，开关频率通常在2kHz以上，这里可以先设为2.45kHz。如死区时间为4us，最小脉宽为5us，最大调制深度可计算为：93.6%。这一调制深度无法满足很多应用场合。

由于电网动态特性要求，例如低压穿越反穿电压，网侧变流器通常要求输出高于电网额定值的交流电压。另外，电机过调速需求也要求变流器对最大化其交流输出电压。

因此，改进传统脉宽调制方案，最大化线性调制区间和提高最大调制深度已经成为一种趋势和必然要求。

发明内容

本发明的目的是：

基于断续脉宽调制，提供一种电压源型变流器最大线性输出的脉宽调制方案，变流器最大程度利用给定直流电压，输出交流电压。相比于传统方案在增加的线性输出区间内，波形质量高无低次谐波分量。同时，本发明可有效减少开关器件开关次数，提高系统效率，降低开关器件节温，提高器件使用寿命或在相同节温下实现更高输出电流。

为达到上述目的，本发明的构思是：

为了达到比目前传统变流器脉宽调制方案更高的线性调制区间，采用断续脉宽调制，在基波周期内，任意时刻，三相六个器件之一钳位于正或负直流电压。钳位相输出脉宽为全脉宽，其余两相为可调制脉宽。图8中示例出三种常见断续脉宽调制方案。

对于三相断续脉宽调制，在某一固定时刻，仅有一相输出处于钳位状态，因此有必要最大化可调制相输出脉宽以实现最大输出线电压。

为达到此目的，本发明在断续脉宽调制的基础上消除死区时间在可调制最大脉宽中的影响。如图9和图10所示开关信号时序和实际相电压输出中，可调制最大输出脉宽无死区时间影响，达到理论最高值：

1－最小脉宽×开关频率。

基于以上所述，对于三相系统，当一相钳位输出全脉宽，一相非钳位输出可调制最大脉宽时，输出线电压可为最大。如图11所示，当A 相输出可调制最大负脉宽，C相输出全正脉宽，输出线电压AC可最大化。此时，最大调制深度可计算为：

1－最小脉宽×开关频率。

相比之前所述常见风电变流器实例，690V 交流额定电压，1700V 开关器件，开关频率2.45kHz，死区时间为4us，最小脉宽为5us，最大调制深度可计算为：98.8%。相比于传统脉宽调制93.6% 有5.2%的提高。

根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下：

依照电压或电流相位确定钳位器件，每开关器件保持打开1/6个基波单位周期。上臂器件钳位于正直流电压，下臂器件钳位于负直流电压。图8中方案2所示为输出电压峰值钳位。当相调制电压为三相中绝对值最大时，其对应器件保持开通。其优点在于输出电压的对称性和相对较好的开关频率谐波。

由于开关损耗与电流幅值呈线性关系，钳位器件可与电流相位保持同步，以减小器件开关损耗。图8中方案1和3分别示出相电流滞后和超前电压的情况。

为消除死区时间在可调制最大脉宽中的影响，非电流导通器件在必要时将保持关断。如图9所示，为实现最大正脉宽，当电流为正时，下臂器件保持关断，上臂器件仅在最小脉宽时关断；当电流为负时，下臂器件在最小脉宽时打开，上臂器件在最小脉宽附加死区时间关断。图10对应于最大负脉宽的情况，当电流为负时，上臂器件保持关断，下臂器件仅在最小脉宽时关断；电流为正时，上臂器件在最小脉宽时打开，下臂器件在最小脉宽附加死区时间关断。

本发明于现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点。

1.         基于断续脉宽调制，在输出线电压中消除一个可调制最大脉宽的影响。

2.         消除死区时间在可调制最大脉宽中的影响，可实现理论可调制最大脉宽，全脉宽与最小脉宽之差。

3.         减少一个可调制最大脉宽并消除死区时间在可调制最大脉宽中影响两种方案相结合，最大化线性输出区间。如前文示例，在传统脉宽调制方案基础上，获得5.2%的额外线性输出区间，达到98.8%解决理想值。

4.         在线性输出区间内波形无失真无低次谐波。

5.         减少开关器件开关次数和开关损耗，提高系统效率降低节温，延长器件寿命或在相同节温下获得实现更高系统输出电流。

附图说明

图1为变流器三相全桥示意图；

图2 为传统脉宽调制无死区时间补偿时开关器件信号和交流输出定时图；

图3为传统脉宽调制可调制最大正输出开关器件信号和交流输出定时图；

图4为传统脉宽调制可调制最大负输出开关器件信号和交流输出定时图；

图5为传统脉宽调制最大线电压计算示例图；

图6 为最小脉宽保留时线性和非线性输出区间示意图；

图7 为最小脉宽放弃时线性和非线性输出区间示意图；

图8为三种常见断续脉宽调制方案波形示例；

图9为本发明最大正输出脉宽开关器件信号和交流输出定时图；

图10为本发明最大负输出脉宽开关器件信号和交流输出定时图；

图11为本发明最大线电压计算示例图；

图12 为本发明算法流程图；

图13 为开关信号时序及判断输出流程图；

图14为四种开关信号时序示意图；

图15为本发明线性输出区间示意图。

图中：1-变流器三相全桥，2-交流输出，3-直流环节，4-交流电流检测，5-控制信号计算，6-脉宽调制，7-钳位方案选择，8-电流检测，9-参考电压相位及幅值计算，10-电流相位判定，11-电流极性判定，12-使能，13-钳位相及器件判定，14-传统脉宽调制及死区补偿，15-非钳位相脉宽判定，16-开关信号时序选择及输出，17-正电流/正大脉宽时序，18-正电流/负大脉宽时序，19-负电流/正大脉宽时序， 20-负电流/负大脉宽时序， 21-正负大脉宽判定，22-正负电流判定。

具体实施方式

本发明实施方式结合附图详述如下。

本发明的控制流程如图12所示，包含一个钳位方案选择模块（7），其功能在于钳位方案选定，例如电压或电流峰值、相位等；一个电流检测模块（8），其功能在于将采样电流进行适当增益、偏差补偿和预测相位幅值补偿等；一个参考电压相位及幅值计算模块（9），参考电压由系统控制计算所得，用于计算输出脉宽；一个电流相位判定模块（10），其功能为由三相电流判定相位，可用于选定钳位器件等，电流钳位钳位可最大程度的减少器件开关损耗；一个电流极性判定（11），其功能在于电流方向判断；一个使能模块（12），用于使能本发明的脉宽调制方案，当调制深度高于临界值时，本发明的脉宽调制将被使用；一个钳位相及器件判定模块（13），依据选定的钳位方案和电压电流信息，选定钳位相及器件；一个传统脉宽调制及死区补偿模块（14），当调制深度低于临界值是，使用传统脉宽调制方案，死区时间补偿作为传统脉宽调制的部分功能，在此没有单独示出；一个非钳位相脉宽判定模块（15），用于非钳位相脉宽计算以保证输出线电压的准确性，具体计算方法可基于调制波载波算法或空间矢量算法，无论使用哪种方法，将得到相同有效脉宽；一个开关信号时序选择模块（16），其功能为基于非钳位相脉宽和电流方向选定并输出开关信号时序。

如图15所示，依据参考电压幅值（9）和直流电压计算调制深度，当调制深度高于传统脉宽调制最大调制深度或用户定义临界值时，打开使能（12），使用本发明脉宽调制。用户定义临界值应低于传统脉宽调制最大调制深度以保证变流器工作在线性区间及交流输出波形。

钳位方案选择（7）应考虑系统输出波形需求、器件开关损耗、系统造价等因素，例如图8中所示方案2为最常见方案，采用电压峰值钳位，其电压波形较方案1和3好。当电流滞后和超前电压时，方案1或3可降低开关损耗、提高效率。一旦选定钳位方案，根据电流相位（10）或电压相位（9），选定钳位相和器件（13）。

图13详细示意出开关信号时序选择和输出（１６）。依据非钳位相脉宽要求（15）可确定是正或负大脉宽（21），加以电流方向（22）可判定开关信号时序。

如图14所示，四种开关信号时序为：正电流/正大脉宽时序（17）、正电流/负大脉宽时序（18）、负电流/正大脉宽时序（19）和负电流/负大脉宽时序（20）。图中小输出脉宽与大输出脉宽相加为整个开关周期单位脉宽。小输出脉宽必须大于或等于最小脉宽。

本发明实施方式基于控制和逻辑信号处理，其硬件实现平台可为单片机MCU（Micro Controller Unit）、数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）、复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）或现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)等。

Claims (7)

1. 一种最大线性输出变流器脉宽调制方法，其特征在于：减少相电压可调制最大输出脉宽在线电压中的影响；消除死区时间在相电压可调制最大脉宽中的影响；以上两者结合以最大化线性输出区间，对于给定直流电压最大化交流输出电压。

2.按照权利要求1所述的减少相电压可调制最大输出脉宽在线电压中影响解决方案，其特征在于，基于断续脉宽调制，在基波周期内，任意时刻，三相六个器件之一钳位于正或负直流电压，在输出线电压中，有一个可调制最大输出脉宽，一个全脉宽相比于传统脉宽调制，减少一个可调制最大输出脉宽的影响。

3.按照权利要求1所述的消除死区时间在相电压可调制最大脉宽中影响解决方案，其特征在于，依照电流方向，非电流导通器件在小脉宽中保持关断，可调制最大输出脉宽可达到全脉宽与最小脉宽之差，这个可调制最大输出脉宽为理论最大值。

4.按照权利要求1所述的消除死区时间在相电压可调制最大脉宽中影响解决方案，其特征在于，依照相电压大脉宽极性和电流极性，有四种开关器件信号时序组合,正大脉宽正电流，正大脉宽负电流，负大脉宽正电流和负大脉宽负电流；四种时序中死区时间自动补偿。

5.按照权利要求1所述的两种方案相结合解决方案，其特征在于，结合使用两种方案，即如减少一个可调制最大脉宽并消除死区时间在可调制最大脉宽中影响，以实现最大化输出线电压。

6.按照权利要求1所述的两种方案相结合解决方案，其特征在于，在线性输出区间内波形无失真无低次谐波。

7.按照权利要求1所述的两种方案相结合解决方案，其特征在于，减少开关器件开关次数，减少开关损耗，提高效率，延长器件使用寿命或实现在相同节温下实现更大输出电流。

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