CN103633874A

CN103633874A - H 桥级联多电平变换器的单极性spwm 无死区调制方法

Info

Publication number: CN103633874A
Application number: CN201310568198.9A
Authority: CN
Inventors: 王弋飞; 朱静
Original assignee: China XD Electric Co Ltd; Xian High Voltage Apparatus Research Institute Co Ltd
Current assignee: Xi'an High Voltage Electrical Apparatus Research Institute Co.,Ltd.
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: CN103633874B

Abstract

本发明提供一种用于H桥级联多电平变换器的单极性SPWM无死区调制方法。该方法通过数字逻辑电路实现了H桥变换器斩波臂的无死区控制，而H桥变换器方向臂仅在每半个工频周期设定一定的死区时间，故而可以忽略死区时间造成的H桥级联多电平变换器直流侧电压不平衡问题以及对输出电流谐波含量的影响。通过引入一个控制信号，实现了方向臂和斩波臂以工频的二分频为周期进行互换，有效的解决了H桥变换器开关器件在单极性SPWM无死区控制下动作不均衡问题，具有良好的热稳定性，有利于器件的散热设计以及长期运行。

Description

H 桥级联多电平变换器的单极性SPWM 无死区调制方法

【技术领域】

本发明涉及H桥变流器单极性SPWM调制方法，特别涉及H桥级联型变流器单极性SPWM无死区控制的调制方法。

【背景技术】

目前，基于H桥级联型多电平变流器在输配电网中得到了快速的发展，特别是在FACTS应用领域以及柔性直流输电MMC领域，基于H桥级联型多电平变流器已经是研究和工程应用的热点。调制技术是H桥级联型多电平变流器的关键技术。H桥级联型多电平变流器采用的调制方法主要包括阶梯波调制、特定谐波消除PWM、载波移相SPWM以及多电平SVPWM等。其中，载波移相SPWM是目前级联多电平变流器普遍采用的一种调制技术。传统的载波移相SPWM一般采用双极性倍频SPWM调制方法，因而，每个功率子模块需要2个PWM发生器产生驱动信号，对于H桥级联多电平变流器而言，获得每个开关器件的驱动信号必然占有大量的处理器资源。另外，为了防止H桥变流器上下桥臂直通，需要加入死区时间。而死区时间的加入，对H桥级联多电平变流器输出电流的谐波含量以及直流侧电压的平衡都有一定的影响。

【发明内容】

本发明为一种H桥级联多电平变换器的单极性SPWM无死区调制方法，该方法可应用于H桥级联型多电平变流器，也可应用于单相H桥变流器。

本发明所采用的技术方案为：

一种H桥级联多电平变换器的单极性SPWM无死区调制方法，设定H桥级联多电平变流器中，每个子模块的三角波载波变化范围为0～1之间，相邻两个子模块的三角波载波相角差为2π/N，其中N为级联子模块个数；所述调制方法为：

（1）将幅值为-1至1的正弦波调制信号与零电平比较后，得到方波信号Vg_1，该方波信号Vg_1为H桥级联多电平变流器各个子模块方向臂功率开关的一路驱动信号，该方波信号Vg_1经过二分频器得到频率为原来二分之一的方波信号DirDTL，该方波信号DirDTL用于控制方向臂和斩波臂互换；

（2）对步骤（1）获得的工频方波信号Vg_1逻辑取反，得到H桥级联多电平变流器各个子模块方向臂功率开关的另一路驱动信号Vg_2；

（3）对步骤（1）中的正弦波调制信号取绝对值，得到幅值在0～1之间的脉动信号；

（4）将步骤（3）得到的脉动信号与H桥级联多电平变流器各个子模块对应的三角波载波信号比较后得到的PWM脉冲信号再与方波信号Vg_1和方波信号Vg_2进行相应的逻辑运算得到各个功率子模块斩波臂驱动信号。

作为本发明的优选实例，所述各个功率子模块斩波臂驱动信号通过以下方法获得：

（4.1）将步骤（3）得到的脉动信号与H桥级联多电平变换器的各个子模块对应的三角波载波信号分别比较，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路PWM脉冲信号；

（4.2）对步骤（4.1）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号逻辑取反，得到另一路与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号；

（4.3）将方波信号Vg_1和步骤（4.1）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号；

（4.4）将方波信号Vg_2与步骤（4.2）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的另一路控制信号；

（4.5）将步骤（4.3）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号和步骤（4.4）得到的控制信号进行逻辑或运算后得到的控制信号再与方波信号Vg_1进行逻辑与，得到各个子模块斩波臂对应的功率开关的驱动信号Vg_4；

（4.6）将方波信号Vg_1与步骤（4.2）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号；

（4.7）将方波信号Vg_2与步骤（4.1）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的另一路控制信号；

（4.8）将步骤（4.6）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号和步骤（4.7）得到的控制信号进行逻辑或后得到的控制信号再与方波信号Vg_2进行逻辑与运算，得到各个子模块斩波臂对应的功率开关的驱动信号Vg_3；

（4.9）当方波信号DirCTL=1时，PWM_1=Vg_1，PWM_2=Vg_2，PWM_3=Vg_3，PWM_4=Vg_4；当DirCTL=0时，PWM_1=Vg_4，PWM_2=Vg_3，PWM_3=Vg_2，PWM_4=Vg_1。

本发明可以实现H桥级联变流器（或单相H桥变流器）斩波臂无死区控制，方向臂和斩波臂在工频的二分频周期内互换。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用基于载波移相的单极性SPWM调制，具有以下明显优点：1）实现了斩波臂的无死区控制，故而消除了死区造成的变流器输出电流谐波以及直流侧电压不均衡的问题。该方法每二分之一个工频周期在H桥级联多电平变流器各个子模块的方向臂上设定一定的死区时间，故而可以忽略死区时间对装置性能的影响。2）有效的解决了H桥变流器开关器件在单极性SPWM无死区控制下的热不平衡问题。通过引入方向臂和斩波臂的控制信号DirCTL，实现了方向臂和斩波臂在二分之一工频周期内的互换，有效地解决了开关负荷的不均衡问题，具有良好的热稳定性，有利于器件的散热设计以及长期运行。

【附图说明】

图1为本发明单相H桥级联型多电平变流器拓扑结构图；

图2为本发明用于单相五电平级联型变流器的单极性SPWM无死区控制调制方式数字逻辑结构图；

图3为单相五电平H桥级联型变流器各子模块PWM驱动信号；

图4为单相五电平级联型变流器输出电压波形；

图5为单相H桥变流器PWM驱动信号；

图6为单相H桥变流器输出电压波形。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种H桥级联多电平变换器的单极性SPWM无死区调制方法，其中，单相H桥级联型多电平变流器的拓扑结构如图1所示，应用在单相五电平H桥级联变流器中，对应的驱动信号数字逻辑电路结构如图2所示，调制方法具体包括以下步骤（本发明以两个子模块为例）：

1）设定单相五电平H桥级联变换器中，两个子模块对应的三角波载波u_c1和u_c2变化范围为0到1之间，该两个子模块的三角波载波初始相角差为π；

2）通过采样调理电路采集H桥级联变换器输出侧电压及电流信号，并根据控制算法得到幅值为-1至1的正弦波调制波。

3）将步骤2）中得到的正弦波调制信号通过一个比较器与零电平比较，即可得到一个工频的方波信号Vg_1，该信号即为单相五电平H桥级联变流器中两个子模块对应方向臂功率开关的一路驱动信号；当正弦波信号大于零电平时比较器输出高电平；当正弦波信号小于零电平时比较器输出低电平；

4）步骤3）中获得的工频方波信号Vg_1经过一个二分频器得到频率为二分之一工频的方波信号DirDTL。

5）对步骤3）中获得的工频方波信号Vg_1逻辑取反，得到单相五电平H桥级联变流器中两个子模块方向臂功率开关的另一路驱动信号Vg_2。

6）对步骤2）中得到的正弦波调制信号取绝对值，将正弦波调制信号的负半波变化到正半波，得到一个幅值在0到1之间的脉动信号。

7）将步骤6）得到的脉动信号与单相五电平H桥级联变流器中两个子模块对应的三角波载波信号u_c1和u_c2分别比较，得到与单相五电平H桥级联变换器中两个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路PWM脉冲信号。当脉动信号大于三角波载波信号时输出为高电平，脉动信号小于三角波载波信号时输出为低电平。

8）对步骤7）中得到的与单相五电平H桥级联变换器中两个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号逻辑取反，得到另一路与单相五电平H桥级联变换器中两个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号。

9）将步骤3）中获得的工频方波信号Vg_1与步骤7）中得到的与单相五电平H桥级联变换器中两个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，即可分别得到与该两个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号，该控制信号具体逻辑为：当Vg_1为高电平时，得到的信号与步骤7）中的PWM脉冲信号一致，当Vg_1为低电平时，得到的信号始终为低电平。

10）将步骤5）中获得的工频方波信号Vg_2与步骤8）中得到的与单相五电平H桥级联变换器中两个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，即可分别得到与该两个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号，该控制信号具体逻辑为：当Vg_2为高电平时，得到的信号与步骤8）中的PWM脉冲信号一致，当Vg_2为低电平时，得到的信号始终为低电平。

11）将步骤9）中分别得到的与两个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号和步骤10）中分别得到与两个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号进行逻辑或运算后得到的控制信号再与步骤3）中获得的工频方波信号Vg_1进行逻辑与运算，即可得到单相五电平H桥级联变流器中两个子模块对应的功率开关的驱动信号Vg14以及Vg24。

12）将步骤3）中获得的工频方波信号Vg_1与步骤8）中得到的与单相五电平H桥级联变换器中两个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，即可分别得到与该两个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号，该控制信号具体逻辑为：当Vg_1为高电平时，得到的信号与步骤8）中的PWM脉冲信号一致，当Vg_1为低电平时，得到的信号始终为低电平。

13）将步骤5）中获得的工频方波信号Vg_2与步骤7）中得到的与单相五电平H桥级联变换器中两个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，即可分别得到与该两个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号，该控制信号具体逻辑为：当Vg_2为高电平时，得到的信号与步骤7）中的PWM脉冲信号一致，当Vg_2为低电平时，得到的信号始终为低电平。

14）将步骤12）中分别得到的与两个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号和步骤13）中分别得到与两个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号进行逻辑或运算后得到的控制信号再与步骤5）中获得的工频方波信号Vg_2进行逻辑与运算，即可得到单相五电平H桥级联变流器中两个子模块对应的功率开关的驱动信号Vg13以及Vg23。

H桥级联五电平变流器中子模块1对应功率开关器件T11，T12，T13以及T14，对应的驱动信号分别为：PWM11，PWM12，PWM13以及PWM14；子模块2对应功率开关器件T21，T22，T23以及T24，对应的驱动信号分别为：PWM21，PWM22，PWM23以及PWM24。对应的驱动逻辑为，当步骤3）中的方波信号DirCTL=1时，PWM11=Vg_1，PWM12=Vg_2，PWM13=Vg13，PWM14=Vg14；PWM21=Vg_1，PWM22=Vg_2，PWM23=Vg23，PWM24=Vg24。当DirCTL=0时，PWM11=Vg14，PWM12=Vg13，PWM13=Vg_2，PWM24=Vg_1；PWM21=Vg24，PWM22=Vg23，PWM23=Vg_2，PWM24=Vg_1。

实施例1

一种单相H桥级联型多电平变流器拓扑结构如图1所示，当级联子模块数为2时，子模块间三角波载波相角差为180°，根据本发明所述的基于载波移相的单极性SPWM无死区控制调制方法，各个子模块的PWM驱动信号如图3所示。由图3可知，各子模块方向臂驱动信号一致，当DirCTL=1时，H桥开关器件T_{_1}和T_{_2}作为方向臂，H桥开关器件T_{_3}和T_{_4}作为斩波臂；当DirCTL=0时，H桥开关器件T_{_1}和T_{_2}作为斩波臂，H桥开关器件T_{_3}和T_{_4}作为方向臂。通过引入控制信号DirCTL实现了方向臂和斩波臂的互换。图4为单相五电平级联型变流器输出电压波形。

实施例2

本发明也可应用于单相H桥变流器。根据本发明所述的单极性SPWM无死区控制调制方法，单相H桥变流器PWM驱动信号如图5所示。图6为H桥变流器输出端电压波形。

Claims

1.一种H桥级联多电平变换器的单极性SPWM无死区调制方法，其特征在于：设定H桥级联多电平变流器中，每个子模块的三角波载波变化范围为0～1之间，相邻两个子模块的三角波载波相角差为2π/N，其中N为级联子模块个数；所述调制方法为：

（1）将幅值为-1至1的调制波正弦波信号与零电平比较后，得到方波信号Vg_1，该方波信号Vg_1为H桥级联多电平变流器各个子模块方向臂功率开关的一路驱动信号，该方波信号Vg_1经过二分频器得到频率为原来二分之一的方波信号DirDTL，该方波信号DirDTL用于控制方向臂和斩波臂互换；

2.根据权利要求1所述的H桥级联多电平变换器的单极性SPWM无死区调制方法，其特征在于：所述调制波正弦波信号是通过采集H桥级联变换器输出侧电流和电压信号，以及各个功率模块直流侧电压信号，再利用直流电流控制或间接电流控制得到的。

3.根据权利要求1所述的H桥级联多电平变换器的单极性SPWM无死区调制方法，其特征在于：所述各个功率子模块斩波臂驱动信号通过以下方法获得：

（3.1）将步骤（3）得到的脉动信号与H桥级联多电平变换器的各个子模块对应的三角波载波信号分别比较，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路PWM脉冲信号；

（3.2）对步骤（3.1）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号逻辑取反，得到另一路与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号；

（3.3）将方波信号Vg_1和步骤（3.1）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号；

（3.4）将方波信号Vg_2与步骤（3.2）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的另一路控制信号；

（3.5）将步骤（3.3）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号和步骤（3.4）得到的控制信号进行逻辑或运算后得到的控制信号再与方波信号Vg_1进行逻辑与，得到各个子模块斩波臂对应的功率开关的驱动信号Vg_4；

（3.6）将方波信号Vg_1与步骤（3.2）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号分别进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的一路控制信号；

（3.7）将方波信号Vg_2与步骤（3.1）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的PWM脉冲信号进行逻辑与运算，得到与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的另一路控制信号；

（3.8）将步骤（3.6）得到的与各个子模块斩波臂驱动信号相关联的控制信号和步骤（3.7）得到的控制信号进行逻辑或后得到的控制信号再与方波信号Vg_2进行逻辑与运算，得到各个子模块斩波臂对应的功率开关的驱动信号Vg_3；

（3.9）当方波信号DirCTL=1时，PWM_1=Vg_1，PWM_2=Vg_2，PWM_3=Vg_3，PWM_4=Vg_4；当DirCTL=0时，PWM_1=Vg_4，PWM_2=Vg_3，PWM_3=Vg_2，PWM_4=Vg_1。