CN106877719B - 一种中点箝位型三相三电平变换器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，首先判断功率因数是否大于预设阈值；在所述功率因数大于所述预设阈值时，向三相电压调制波中注入固定分量；在所述功率因数小于所述预设阈值，采用双调制波载波进行三相电压调制。也即，通过在不同的系统功率因数值范围中，分别采用往三相调制波中注入固定分量方式和双调制波载波方式，使得系统直流母线电容在减小一定容量的条件下，中点电位波动和共模电压波形依然在可控可接受范围之内。

Description

一种中点箝位型三相三电平变换器及其调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种中点箝位型三相三电平变换器及其调制方法。

背景技术

二极管中点箝位型三电平变换器拓扑和ANPC(Active Neutral Point Clamped，有源中点箝位)型三电平变换器拓扑，是两种目前应用较为广泛的三电平拓扑。如图1所示，对于二极管中点箝位型三电平变换器拓扑，其中的AS5、AS6、BS5、BS6、CS5、CS6为二极管，其余为开关管；对于ANPC型三电平变换器拓扑，所有的开关均为开关管。两者均存在直流母线中点电位波动问题。而直流母线中点电位波动会对输出电压电流THD、器件电压应力、共模电压、系统损耗等多方面造成影响，因此，需要相应的解决方案来抑制中点电位波动，尤其是抑制较难治理的低频波动。

目前，抑制二极管箝位型和ANPC型三电平拓扑中点电位低频波动的解决方案通常可以分成硬件方案和软件方案两大类。其中，软件方案因只需要通过对算法加以调整，不需要(或很少)增加额外的硬件成本，成为目前广为采用的主流方案。软件方案从调制方式可分成基于载波调制的方案和基于空间矢量调制的方案两类；由于空间矢量调制对于硬件中数字处理器的计算资源要求较高、算法较为复杂，因此对于抑制拓扑中点电位低频波动，现有技术通常采用往三相电压调制波中注入特定的零序分量。

但是由于等效注入调制波的零序分量并不是一个规则的波形，因此会严重影响三相共模电压波形，而在光伏等领域应用中，较差的共模电压会影响漏电流、EMC等性能。

发明内容

本发明提供一种中点箝位型三相三电平变换器及其调制方法，以解决现有技术中严重影响三相共模电压波形的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，应用于中点箝位型三相三电平变换器中的控制器，所述中点箝位型三相三电平变换器包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关、第二开关和第五开关相连组成的上桥臂，以及由第三开关、第四开关和第六开关相连组成的下桥臂，第五开关和第六开关的连接点与直流母线中点相连，第二开关和第三开关的连接点为对应相交流输出端；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为开关管；所述中点箝位型三相三电平变换器的调制方法包括：

判断功率因数是否大于预设阈值；

若所述功率因数大于所述预设阈值，则向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制；

若所述功率因数小于所述预设阈值，则采用双调制波载波进行三相电压调制。

优选的，所述固定分量的计算公式为：

其中，m为调制度，ω为电网基波角频率。

优选的，所述向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制，包括：

计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波；

将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的注入调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

优选的，在所述计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波之前，还包括：计算得到各相调制波；

在所述将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号之前，还包括：

根据双载波上下反向层叠原理，计算得到上载波和下载波。

优选的，所述采用双调制波载波进行三相电压调制，包括：

确定三相调制波中的最大值和最小值；

计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与所述最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与所述最大值之差的一半；

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

优选的，在所述确定三相调制波中的最大值和最小值之前，还包括：计算得到所述三相调制波；

在所述计算各相的第一调制波与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号之前，还包括：

根据双载波上下层叠原理，计算得到上载波和下载波。

一种中点箝位型三相三电平变换器，包括控制器和主电路；其中：

所述主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关、第二开关和第五开关相连组成的上桥臂，以及由第三开关、第四开关和第六开关相连组成的下桥臂，第五开关和第六开关的连接点与直流母线中点相连，第二开关和第三开关的连接点为对应相交流输出端；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为开关管；

所述控制器包括：

判断单元，用于判断功率因数是否大于预设阈值；

调制单元，用于若所述功率因数大于所述预设阈值，则向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制；若所述功率因数小于所述预设阈值，则采用双调制波载波进行三相电压调制。

优选的，所述固定分量的计算公式为：

其中，m为调制度，ω为电网基波角频率。

优选的，所述调制单元用于向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制时，具体用于：

计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波；

将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的注入调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

优选的，所述调制单元用于采用双调制波载波进行三相电压调制时，具体用于：

确定三相调制波中的最大值和最小值；

计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与所述最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与所述最大值之差的一半；

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

本发明提供的所述中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，首先判断功率因数是否大于预设阈值；在所述功率因数大于所述预设阈值时，向三相电压调制波中注入固定分量；在所述功率因数小于所述预设阈值，采用双调制波载波进行三相电压调制。也即，通过在不同的系统功率因数值范围中，分别采用往三相调制波中注入固定分量方式和双调制波载波方式，使得系统直流母线电容在减小一定容量的条件下，中点电位波动和共模电压波形依然在可控可接受范围之内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的中点箝位型三相三电平变换器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法的流程图；

图3是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法的部分流程图；

图4是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的各相注入调制波的波形图；

图5是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的输出波形图；

图6是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法的部分流程图；

图7是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的第一调制波和第二调制波的波形图；

图8是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的各个开关的驱动波形图；

图9是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的输出波形图；

图10是本发明另一实施例提供的中点箝位型三相三电平变换器的控制器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，以解决现有技术中严重影响三相共模电压波形的问题。

该中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，应用于中点箝位型三相三电平变换器中的控制器，该中点箝位型三相三电平变换器如图1所示，包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关、第二开关和第五开关相连组成的上桥臂，以及由第三开关、第四开关和第六开关相连组成的下桥臂，第五开关和第六开关的连接点与直流母线中点相连，第二开关和第三开关的连接点为对应相交流输出端；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为开关管；参见图1，A相桥臂包括：由第一开关AS1、第二开关AS2和第五开关AS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关AS3、第四开关AS4和第六开关AS6相连组成的下桥臂，第五开关AS5和第六开关AS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关AS2和第三开关AS3的连接点为A相交流输出端；B相桥臂包括：由第一开关BS1、第二开关BS2和第五开关BS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关BS3、第四开关BS4和第六开关BS6相连组成的下桥臂，第五开关BS5和第六开关BS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关BS2和第三开关BS3的连接点为B相交流输出端；C相桥臂包括：由第一开关CS1、第二开关CS2和第五开关CS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关CS3、第四开关CS4和第六开关CS6相连组成的下桥臂，第五开关CS5和第六开关CS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关CS2和第三开关CS3的连接点为C相交流输出端。

该中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，参见图2，包括：

S101、判断功率因数是否大于预设阈值；

若功率因数大于预设阈值，则执行步骤S102；

S102、向三相电压调制波中注入固定分量；

若功率因数小于预设阈值，则执行步骤S103；

S103、采用双调制波载波进行三相电压调制。

假设该中点箝位型三相三电平变换器应用于光伏发电系统，则在常规的光伏逆变器中，系统功率因数PF值通常可由外界人为设定，是一个相对固定的值。因此，检测计算此时系统设定的PF值，将PF值同预设阈值C进行比较。当PF>＝C时，采用注入固定分量方式进行三相电压调制；当PF<C时，采用双调制波载波方式进行三相电压调制。

对于预设阈值C的设定，需要根据直流母线电容容量减小的百分比，通过仿真来确定。比如，该中点箝位型三相三电平变换器的母线电容容值设定只有常规值的6％时，预设阈值C则设定为0.99。

本实施例提供的该中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，通过在不同的系统功率因数值范围中，分别采用往三相调制波中注入固定分量方式和双调制波载波方式，使得系统直流母线电容在减小一定容量的条件下，中点电位波动和共模电压波形依然在可控可接受范围之内。能够减小直流母线电容容量，从而降低成本，提高系统功率密度，所提出的调制算法简单容易实现。

在上述实施例的基础之上，本发明另一实施例提供了上述两种调制方式的具体实现形式：

三相变换器调制波Ua，Ub，Uc如式(1)所示，其中m为调制度，ω为电网基波角频率。

优选的，固定分量的计算公式为：

其中，m为调制度，ω为电网基波角频率。

优选的，图2步骤S102中，注入固定分量的方式具体为，将式(2)所示固定分量注入到式(1)所示三相变换器调制波Ua，Ub，Uc中，获得最终的注入调制波Ua’，Ub’，Uc’，如式(3)所示。

对于注入固定分量方式的上下载波，采用上下反相载波方式。如图1所示，以二极管中点箝位型三相变换器a相为例，将a相注入调制波Ua’同上载波比较获得PWM信号，获得的PWM信号驱动a相桥臂的第一开关AS1和第三开关AS3；将a相注入调制波Ua’同下载波比较获得PWM信号，获得的PWM信号驱动a相桥臂的第二开关AS2和第四开关AS4。

也即，优选的，图2中的步骤S102，参见图3，包括：

S201、计算得到各相调制波；具体计算公式参见式(1)。

S202、计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波；

S203、根据双载波上下反向层叠原理，计算得到上载波和下载波；

S204、将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的注入调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

S205、输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

图4为各相注入调制波的波形展示；图5为采用注入固定分量方式的桥臂中点相对于直流母线中点的三相输出典型波形。

在采用注入固定分量方式条件下时，由图5可知，一个基波周期内，有1/2基波周期具有正50％总直流母线电压、0两种状态，另外1/2基波周期具有0、负50％总直流母线电压两种状态。

优选的，图2步骤S103中，双调制波载波的方式具体为：根据式(1)所示三相变换器调制波Ua，Ub，Uc获取此时的最大值Umax，最小值Umin。根据式(4)，获得每一相的两个调制波Ua1，Ua2，Ub1，Ub2，Uc1，Uc2。对于双调制波载波方式的上下载波，采用传统的上下同相载波方式。如图 1所示，以二极管中点箝位型三相变换器a相为例，将a相第一调制波Ua1同上载波比较获得PWM信号，获得的PWM信号驱动a相桥臂的第一开关AS1和第三开关AS3；将a相第二调制波Ua2同下载波比较获得PWM信号，获得的PWM信号驱动a相桥臂的第二开关AS2和第四开关AS4。

也即，优选的，图2中的步骤S103，参见图6，包括：

S301、计算得到三相调制波；具体计算公式参见式(1)。

S302、确定三相调制波中的最大值和最小值；

S303、计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与最大值之差的一半；

S304、根据双载波上下层叠原理，计算得到上载波和下载波；

S305、将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

S306、输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

图7为各相的第一调制波和第二调制波的波形展示；图8为采用双调制波载波方式的各个开关的驱动波形；图9为采用双调制波载波方式的桥臂中点相对于直流母线中点的三相输出典型波形。

在采用双调制波载波方式条件下时，参见图8，在高频开通关断状态中，第一开关和第二开关有2段1/6基波周期，总共1/3基波周期都处于开通关断状态中。由图9可知，一个基波周期内，桥臂中点相对母线中点的输出波形有1/3基波周期具有正50％总直流母线电压、0、负50％总直流母线电压三种状态，有1/3基波周期具有正50％总直流母线电压、0两种状态，有1/3基波周期具有0、负50％总直流母线电压两种状态。

本发明另一实施例还提供了一种中点箝位型三相三电平变换器，包括控制器和主电路；其中：

主电路如图1所示，包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关、第二开关和第五开关相连组成的上桥臂，以及由第三开关、第四开关和第六开关相连组成的下桥臂，第五开关和第六开关的连接点与直流母线中点相连，第二开关和第三开关的连接点为对应相交流输出端；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为开关管；

控制器如图10所示，包括：

判断单元101，用于判断功率因数是否大于预设阈值；

调制单元102，用于若功率因数大于预设阈值，则向三相电压调制波中注入固定分量；若功率因数小于预设阈值，则采用双调制波载波进行三相电压调制。

优选的，固定分量的计算公式为：

其中，m为调制度，ω为电网基波角频率。

优选的，调制单元102用于向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制时，具体用于：

计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波；

将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的注入调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

优选的，调制单元102用于采用双调制波载波进行三相电压调制时，具体用于：

确定三相调制波中的最大值和最小值；

计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与最大值之差的一半；

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，其特征在于，应用于中点箝位型三相三电平变换器中的控制器，所述中点箝位型三相三电平变换器包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关、第二开关和第五开关相连组成的上桥臂，以及由第三开关、第四开关和第六开关相连组成的下桥臂，第五开关和第六开关的连接点与直流母线中点相连，第二开关和第三开关的连接点为对应相交流输出端；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为开关管；所述中点箝位型三相三电平变换器的调制方法包括：

判断功率因数是否大于预设阈值；所述预设阈值为根据所述中点箝位型三相三电平变换器的直流母线电容容值占常规值的百分比，通过仿真而确定的；所述直流母线电容容值小于所述常规值；

若所述功率因数大于所述预设阈值，则向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制；

若所述功率因数小于所述预设阈值，则采用双调制波载波进行三相电压调制。

2.根据权利要求1所述的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，其特征在于，所述固定分量的计算公式为：

其中，m为调制度，ω为电网基波角频率。

3.根据权利要求2所述的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，其特征在于，所述向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制，包括：

计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波；

将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的注入调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

4.根据权利要求3所述的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，其特征在于，在所述计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波之前，还包括：计算得到各相调制波；

在所述将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号之前，还包括：

根据双载波上下反向层叠原理，计算得到上载波和下载波。

5.根据权利要求1至4任一所述的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，其特征在于，所述采用双调制波载波进行三相电压调制，包括：

确定三相调制波中的最大值和最小值；

计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与所述最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与所述最大值之差的一半；

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

6.根据权利要求5所述的中点箝位型三相三电平变换器的调制方法，其特征在于，在所述确定三相调制波中的最大值和最小值之前，还包括：计算得到所述三相调制波；

在所述将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号之前，还包括：

根据双载波上下层叠原理，计算得到上载波和下载波。

7.一种中点箝位型三相三电平变换器，其特征在于，包括控制器和主电路；其中：

所述主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关、第二开关和第五开关相连组成的上桥臂，以及由第三开关、第四开关和第六开关相连组成的下桥臂，第五开关和第六开关的连接点与直流母线中点相连，第二开关和第三开关的连接点为对应相交流输出端；第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为开关管；

所述控制器包括：

判断单元，用于判断功率因数是否大于预设阈值；所述预设阈值为根据所述中点箝位型三相三电平变换器的直流母线电容容值占常规值的百分比，通过仿真而确定的；所述直流母线电容容值小于所述常规值；

调制单元，用于若所述功率因数大于所述预设阈值，则向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制；若所述功率因数小于所述预设阈值，则采用双调制波载波进行三相电压调制。

8.根据权利要求7所述的中点箝位型三相三电平变换器，其特征在于，所述固定分量的计算公式为：

其中，m为调制度，ω为电网基波角频率。

9.根据权利要求8所述的中点箝位型三相三电平变换器，其特征在于，所述调制单元用于向三相电压调制波中注入固定分量进行三相电压调制时，具体用于：

计算得到各相调制波与所述固定分量的和、作为各相的注入调制波；

将各相的注入调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的注入调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。

10.根据权利要求7至9任一所述的中点箝位型三相三电平变换器，其特征在于，所述调制单元用于采用双调制波载波进行三相电压调制时，具体用于：

确定三相调制波中的最大值和最小值；

计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与所述最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与所述最大值之差的一半；

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关和第三开关；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关和第四开关。