CN106787906A - 一种anpc三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，在有源中点钳位型三电平逆变器传统PWM方法中的开关状态中增加两种暂态O_+out和O_‑out，在从状态P转换到状态O₊的换流过程中增加暂态O_+out，在从状态N转换为状态O_‑的换流过程中增加暂态O_‑out，将有源开关器件产生的开关损耗分散，由外侧和内侧开关分别承担关断损耗和开通损耗，以平衡内外侧有源开关器件的开关损耗。

Description

一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种ANPC(有源中点钳位型)三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法。

背景技术

同两电平功率逆变器相比，多电平逆变器已经在更好的输出电压质量、更低的开关损耗、更小的dv/dt，和更低的器件功率比等方面表现出了其优越性。传统中点钳位型三电平逆变器(3L-NPC)具有代表性，然而有一个主要的劣势——在半导体器件间功率损耗分配不均，因此逆变器的输出功率和开关频率受限。为了处理这个问题，提出了有源中点钳位型三电平逆变器(3L-ANPC)，这是由传统NPC拓扑中衍生出来的。

现有技术的ANPC整流器的PWM调制方法的提出是为了平衡功率损耗分布。目前有如下几种方法：1)传统PWM策略，因零电压状态下的开关状态不同又可分为两种方式，然而这两种方式在损耗分布方面的改善并不有效；2)自然倍频法，该方法由前两种方式衍生而来，表现较为平庸，损耗分布仍不够平均；3)可调节损耗分布调制方法，该方法可使器件损耗在一个基波周期内平均分布，但包含多种开关状态和2个换流模式，不够简便；4)单一零状态调制方法，该方法可以得到较低的总损耗，但损耗分布并不平均。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，通过在正电压状态到零电压状态及负电压状态到零电压状态过程中增加一组开关暂态，从而平均开关损耗分布，及内侧开关和外侧开关的导通损耗。

为实现上述发明目的，本发明一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集直流电源电压U_dc，额定功率P_load和调制度M，得到三相的参考电压，即低频正弦调制信号电压U_{ref_abc}；

(2)、设置PWM开关频率F_sw和采样时间T_s，采集同相叠加的高频三角载波信号电压；

(3)、比较低频正弦调制信号电压和高频三角载波信号电压的大小，得到每相当前输出电压状态；

(4)、根据每相当前输出电压状态的切换，确定出相应的每相桥臂开关状态以及开关状态间的切换关系；

(5)、根据每相桥臂开关状态间的切换关系，确定有源开关器件的开通与关断，从而得到PWM信号，再通过PWM信号控制有源中点钳位型三电平逆变器，实现调制策略。

其中，所述的步骤(3)中，通过对低频正弦调制信号电压和高频三角载波信号电压进行以下比较，得到3种输出电压：

(2.1)、当低频正弦调制信号电压为正且大于高频三角载波信号电压时，当前输出电压状态为正电压+U_dc/2；

(2.2)、当低频正弦调制信号电压为负且小于高频三角载波信号电压时，当前输出电压状态为负电压-U_dc/2；

(2.3)、当低频正弦调制信号电压为正但小于高频三角载波信号电压时，或低频正弦调制信号电压为负但大于高频三角载波信号电压时，当前输出零电压状态。

进一步的，所述的步骤(4)中，每相桥臂开关状态包括：P状态、N状态、状态O₊和状态O_-，暂态O_+out和暂态O_-out；

开关状态及相应开关的开断情况如下：

(3.1)、输出正电压时，开关状态为P状态，此时上桥臂外侧开关S_1x、上桥臂内侧开关S_2x和钳位开关S_6x开通，其余开关关断，其中，x＝a、b、c，表示三相；

(3.2)、输出负电压时，开关状态为N状态，此时将下桥臂内侧开关S_3x、下桥臂外侧开关S_4x和钳位开关S_5x开通，其余开关关断；

(3.3)、输出零电压时，开关状态为状态O₊或状态O_-，开关状态为状态O₊时，开关S_1x、S_3x和S_6x开通，其余开关关断，开关状态为O_-时，开关S_2x、S_4x和S_5x开通，其余开关关断；

(3.4)、开关状态为暂态O_+out时，开关S_2x、S_3x和S_6x开通，其余开关关断，开关状态为暂态O_-out时，开关S_2x、S_3x和S_5x开通，其余开关关断。

更进一步的，所述的步骤(4)中，开关状态间的切换关系为：

(4.1)、输出电压从正电压状态切换为零电压状态时，开关状态先从P状态切换为暂态O_+out，先将开关S_1x关断，再开通S_3x，暂态工作时间较为短暂，稍后即从暂态O_+out切换到O₊，先将开关S_2x关断，再开通S_1x；

(4.2)、输出电压从零电压状态切换为正电压状态时，开关状态从O₊切换为P状态，先将开关S_3x关断，再将S_2x开通；

(4.3)、输出电压从负电压状态切换为零电压状态时，开关状态先从N状态切换为暂态O_-out，将开关S_4x关断，S_2x开通，暂态工作时间较为短暂，稍后即从暂态O_-out切换到O_-，先关断开关S_3x，再开通S_4x；

(4.4)、输出电压从零电压状态切换为负电压状态时，开关状态从O_-切换为N状态，将开关S_2x关断，S_3x开通。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明为一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，在有源中点钳位型三电平逆变器传统PWM方法中的开关状态中增加两种暂态O_+out和O_-out，在从状态P转换到状态O₊的换流过程中增加暂态O_+out，在从状态N转换为状态O_-的换流过程中增加暂态O_-out，将有源开关器件产生的开关损耗分散，由外侧和内侧开关分别承担关断损耗和开通损耗，以平衡内外侧有源开关器件的开关损耗。

同时，本发明一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法还具有以下有益效果：

(1)、该方法不仅可以平衡有源开关器件的导通损耗分布，还可以平衡内侧开关和外侧开关之间的开关损耗；

(2)、与传统有源中点钳位型三电平逆变器的调制方法相比，该方法采用较为简单的方式就可以使损耗分布更平均；

(3)、该方法在单位功率因数条件下，效果更为突出，适用于很多可再生能源生产系统。

附图说明

图1是本发明一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法的流程图；

图2是本发明基于有源中点钳位型三电平逆变器的电路原理图；

图3是A相桥臂器件及电流通路说明图；

图4是一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法原理图；

图5是有源中点钳位型三电平逆变器对于正半周的换流示意图；

图6是功率因数为1，调制度为0.9时，使用本发明后的损耗分布结果图；

图7是有源中点钳位型三电平逆变器在不同调制度M和PF＝1条件下，使用不同调制方法后，承担损耗最大器件的功率损耗对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：

ANPC(Active Neutral-Point-Clamped)：有源中点钳位型；

3L-ANPC(Three-Level Active Neutral-Point-Clamped)：有源中点钳位型三电平逆变器；

PWM(Pulse Width Modulation)：脉冲宽度调制；

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)：绝缘栅双极型晶体管。

图1是本发明一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法的流程图。

在本实施例中，如图1所示，一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，包括以下步骤：

(1)、根据图2，采集直流电源电压U_dc＝700V，额定功率P_load＝27kW和调制度M，得到a、b、c三相的参考电压，即低频正弦调制信号电压U_{ref_abc}；

(2)、设置PWM开关频率F_sw＝10kHz和采样时间T_s＝100μs，采集同相叠加的高频三角载波信号电压。

(3)、比较低频正弦调制信号电压和高频三角载波信号电压的大小，得到每相当前输出电压状态；

(3.1)、当低频正弦调制信号电压为正且大于高频三角载波信号电压时，当前输出电压状态为正电压+U_dc/2，即+350V；

(3.2)、当低频正弦调制信号电压为负且小于高频三角载波信号电压时，当前输出电压状态为负电压-U_dc/2，即-350V；

(3.3)、当低频正弦调制信号电压为正但小于高频三角载波信号电压时，或低频正弦调制信号电压为负但大于高频三角载波信号电压时，当前输出零电压状态；

(4)、根据每相当前输出电压状态的切换，确定出相应的每相桥臂开关状态以及开关状态间的切换关系；

在本实施例中，以a相桥臂为例，当前输出电压状为正电压+U_dc/2、零电压或负电压-U_dc/2；在输出3个电压状态时，产生8条电流通路CP_P'、CP₃、CP₄、CP_N、CP_P、CP₁、CP₂和CP_N'，其中此发明不采用CP_P'和CP_N'。如图3(a)所示，相电流为负时，产生电流通路CP₃、CP₄和CP_N；如图3(b)所示，相电流为正时，产生电流通路CP₁、CP₂和CP_P。根据输出电压状态，得到相应开关状态，如图4(a)所示，S_r代表调制信号，S_c1代表正载波信号，调制信号正半周产生的开关状态有状态O₊、暂态O_+out和P状态；如图4(b)所示，S_c2代表负载波信号，调制信号负半周时产生的开关状态有状态O_-、暂态O_-out和N状态；

那么，对应的开关状态及相应开关的开断情况如下：

(4.1)、输出正电压时，开关状态为P状态，此时上桥臂外侧开关S_1x、上桥臂内侧开关S_2x和钳位开关S_6x开通，其余开关关断，电流通路为CP_P；其中，x＝a、b、c，表示三相；

(4.2)、输出负电压时，开关状态为N状态，此时将下桥臂内侧开关S_3x、下桥臂外侧开关S_4x和钳位开关S_5x开通，其余开关关断，电流通路为CP_N；

(4.3)、输出零电压时，有4种开关状态，包括开关暂态O_+out和O_-out，及零状态O₊和O_-；

(4.3.1)、开关状态为状态O₊时，开关S_1x、S_3x和S_6x开通，其余开关关断，电流通路为CP₂；

(4.3.2)、开关状态为状态O_-时，开关S_2x、S_4x和S_5x开通，其余开关关断，电流通路为CP₃；

(4.3.3)、开关状态为暂态O_+out时，开关S_2x、S_3x和S_6x开通，其余开关关断，电流通路为CP₁&CP₂；

(4.3.4)、开关状态为暂态O_-out时，开关S_2x、S_3x和S_5x开通，其余开关关断，电流通路为CP₃&CP₄；

根据上述开关状态，得到以下开关状态间的切换关系为：

1)、如图5(a)所示，输出电压从正电压状态切换为零电压状态时，开关状态先从P状态切换为暂态O_+out，先将开关S_1x关断，再开通S_3x，暂态O_-out的工作时间ΔTins大于转换器IGBT的有效断开时间但很短暂，如取所选用开关器件手册上关断延迟时间的5倍，接着再由暂态O_+out切换到O₊，先将开关S_2x关断，再开通S_1x；

2)、如图5(b)所示，输出电压从零电压状态切换为正电压状态时，开关状态从O₊切换为P状态，先将开关S_3x关断，再将S_2x开通；

3)、输出电压从负电压状态切换为零电压状态时，开关状态先从N状态切换为暂态O_-out，将开关S_4x关断，S_2x开通，暂态工作时间较为短暂，稍后即从暂态O_-out切换到O_-，先关断开关S_3x，再开通S_4x；

4)、输出电压从零电压状态切换为负电压状态时，开关状态从O_-切换为N状态，将开关S_2x关断，S_3x开通。

(5)、根据每相桥臂开关状态间的切换关系，确定有源开关器件的开通与关断，从而得到PWM信号，再通过PWM信号控制有源中点钳位型三电平逆变器，实现调制策略。

图6是功率因数为1，调制度为0.9时，有源中点钳位型三电平逆变器在开关损耗分散分布调制方法下的损耗分布结果。由该图可以看出，有源中点钳位型三电平逆变器的A相桥臂中，内外侧IGBT的导通损耗分布平均，开通损耗和关断损耗由内侧IGBT和外侧IGBT分别承担，总开关损耗分布基本平均。

图7是有源中点钳位型三电平逆变器中不同调制方法和中点钳位型三电平逆变器在不同调制度M和功率因数PF＝1条件下的承担损耗最大器件的功率损耗对比曲线图。由图7可以看出，在单位功率因数条件下，和中点钳位型三电平逆变器以及有源中点钳位型三电平逆变器的其他PWM调制方法相比，本发明即开关损耗分散分布调制方法中单个IGBT所产生的最大损耗更低，说明该方法对分布损耗分布效果更好，损耗分布更为平均。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集直流电源电压U_dc，额定功率P_load和调制度M，得到三相的参考电压，即低频正弦调制信号电压U_{ref_abc}；

(2)、设置PWM开关频率F_sw和采样时间T_s，采集同相叠加的高频三角载波信号电压；

(3)、比较低频正弦调制信号电压和高频三角载波信号电压的大小，得到每相当前输出电压状态；

(4)、根据每相当前输出电压状态的切换，确定出相应的每相桥臂开关状态以及开关状态间的切换关系；

(5)、根据每相桥臂开关状态间的切换关系，确定有源开关器件的开通与关断，从而得到PWM信号，再通过PW信号控制有源中点钳位型三电平逆变器，实现调制策略。

2.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，通过对低频正弦调制信号电压和高频三角载波信号电压进行以下比较，得到3种输出电压：

(2.1)、当低频正弦调制信号电压为正且大于高频三角载波信号电压时，当前输出电压状态为正电压+U_dc/2；

(2.2)、当低频正弦调制信号电压为负且小于高频三角载波信号电压时，当前输出电压状态为负电压-U_dc/2；

(2.3)、当低频正弦调制信号电压为正但小于高频三角载波信号电压时，或低频正弦调制信号电压为负但大于高频三角载波信号电压时，当前输出零电压状态。

3.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，每相桥臂开关状态包括：P状态、N状态、状态O₊和状态O_-，暂态O_+out和暂态O_-out；

开关状态及相应开关的开断情况如下：

(3.1)、输出正电压时，开关状态为P状态，此时上上桥臂外侧开关S_1x、上桥臂内侧开关S_2x和钳位开关S_6x开通，其余开关关断，其中，x＝a、b、c，表示三相；

(3.2)、输出负电压时，开关状态为N状态，此时将下桥臂内侧开关S_3x、下桥臂外侧开关S_4x和钳位开关S_5x开通，其余开关关断；

(3.3)、输出零电压时，开关状态为状态O₊或状态O_-，开关状态为状态O₊时，开关S_1x、S_3x和S_6x开通，其余开关关断，开关状态为O_-时，开关S_2x、S_4x和S_5x开通，其余开关关断；开关状态为暂态O_+out时，开关S_2x、S_3x和S_6x开通，其余开关关断，开关状态为暂态O_-out时，开关S_2x、S_3x和S_5x开通，其余开关关断。

4.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，开关状态间的切换关系为：

(4.1)、输出电压从正电压状态切换为零电压状态时，开关状态先从P状态切换为暂态O_+out，先将开关S_1x关断，再开通S_3x，暂态工作时间较为短暂，稍后即从暂态O_+out切换到O₊，先将开关S_2x关断，再开通S_1x；

(4.2)、输出电压从零电压状态切换为正电压状态时，开关状态从O₊切换为P状态，先将开关S_3x关断，再将S_2x开通；

(4.3)、输出电压从负电压状态切换为零电压状态时，开关状态先从N状态切换为暂态O_-out，将开关S_4x关断，S_2x开通，暂态工作时间较为短暂，稍后即从暂态O_-out切换到O_-，先关断开关S_3x，再开通S_4x；

(4.4)、输出电压从零电压状态切换为负电压状态时，开关状态从O_-切换为N状态，将开关S_2x关断，S_3x开通。