CN107147314A - 修正零序分量注入的载波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修正零序分量注入的载波调制方法，本发明所提调制方法简明、高效、易于数字化实现，使得基于三电平变换器的双极性直流母线电压在宽不对称范围时，仍能保持交流侧电网电流波形正弦度，抑制了电网电流谐波含量，显著改善了电网电能质量；保障了基于三电平变换器的双极性直流母线结构高效稳定运行并灵活可控地产生三个母线电压等级，满足复杂多样的负载类型，极大拓展了三电平变换器与双极性直流母线结构应用场合。

Description

修正零序分量注入的载波调制方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种修正零序分量注入的载波调制方法。

背景技术

三相T型三电平变换器已广泛应用于光伏发电、微电网等领域。尤其是基于三电平变换器其固有的分裂电容产生双极性直流母线，具有能量密度大、结构简单、体积小、成本低等优势，更适合应用于高压直流输电、分布式发电、微电网、电动汽车充电领域的交直流变换场所。为使双极性直流母线结构的三电平变换器满足复杂多样的负载类型与电压等级，研究直流母线电压不对称调制方法已成为国内外学术热点及工业应用的新趋势。

然而，无论是传统的正弦脉宽调制(SPWM)，还是空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制或零序分量注入的载波调制技术，在直流电压不对称时都会引起交流侧电流波形严重畸变，给电网注入大量谐波，影响电力系统安全稳定运行。因此亟需设计一种新型的调制方法使系统即使在直流母线电压不对称时，也能实现低电网电流谐波含量，高电网电能质量。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种修正零序分量注入的载波调制方法，本发明能够修正注入零序分量，当双极性直流母线电压不对称时，降低了偶次谐波含量，改善了T型三电平变换器电网侧电能质量。本发明通过修正注入的零序分量与参考电压波形，能够有效抑制由于不对称电压引起的交流输入电流畸变问题。尤其是当双极性直流母线电压严重不对称时，修正注入零序分量的载波调制方法通过状态转换，再次修正每相导通时间，有效抑制了电网电流中偶次谐波含量。本发明实现了直流母线电压宽不对称范围时，T型三电平变换器具有高品质的交流侧电能质量，且高效稳定运行，极大拓展了基于T型三电平变换器的双极性直流母线结构的应用场合。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种修正零序分量注入的载波调制方法，以下步骤：

(1)测量正直流母线电压为V1，负直流母线电压为V2，则定义直流母线电压不对称系数为两者差值与两者之和的比值；

(2)利用T型三电平变换器控制方法计算得到三相调制参考电压；

(3)根据三相调制参考电压，将一个周期均分为多个扇区，判断参考电压空间矢量所在扇区；

(4)根据三相调制参考电压的最大值、中间值、最小值和双极性直流母线电压不对称系数计算修正的零序分量；

(5)将修正的零序分量注入三相调制参考电压得到修正参考电压，根据三相调制参考电压所在扇区、双极性直流母线电压不对称系数及修正参考电压计算三相导通时间，驱动T型三电平变换器。

所述步骤(3)中，根据三相调制参考电压与0的关系，将一个周期均分为6个扇区。

所述步骤(4)中，修正的零序分量为相调制参考电压中间值的一半与直流母线电压不对称系数之和。

所述步骤(5)中，三相导通时间必须存在与[0,1]范围内，由于双极性直流母线电压不对称导致三相导通时间修正后超出运行限制，通过状态转换模块再次调整修正。

所述步骤(5)中，当导通时间大于1时，调整后的三相导通时间为：

所述步骤(5)中，当导通时间小于0时，调整后的三相导通时间为：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所提的修正零序分量注入的载波调制方法可以实现对双极性直流母线电压不对称影响的免疫，保证三电平变换器拓扑在直流母线电压不对称条件下正常运行；

(2)本发明所提的修正零序分量注入的载波调制方法通过修正注入的零序分量与参考电压，明显抑制了T型三电平变换器交流侧电流畸变，改善了电网侧电能质量；改善了交流测电能质量；

(3)本发明所提的修正零序分量注入的载波调制方法大幅抑制了直流母线电压严重不对称时引起的偶次谐波问题，实现了三电平变换器直流母线电压宽不对称范围稳定高效运行；

(4)本发明所提修正零序分量注入的载波调制方法易数字化实现，可推广应用于电池测试、分布式充电设施、新能源发电系统、微电网等领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1基于T型三电平变换器的双极性直流母线系统结构图；

图2为本发明所提修正零序分量注入的载波调制方法框图；

图3(a)为正直流母线电压高于负直流母线电压时，修正零序分量注入的载波调制波形；

图3(b)为正直流母线电压低于负直流母线电压时，修正零序分量注入的载波调制波形；

图3(c)为双极性直流母线电压严重不对称时，修正零序分量注入的载波调制波形；

图4为正负直流母线电压对称相等时，交流侧线电压与电网电流仿真波形；

图5(a)为正直流母线电压高于负直流母线电压时，应用传统零序分量注入的载波调制方法，三电平变换器交流侧线电压与电网电流仿真波形；

图5(b)为正直流母线电压低于负直流母线电压时，应用传统零序分量注入的载波调制方法，三电平变换器交流侧线电压与电网电流仿真波形；

图5(c)为双极性直流母线电压严重不对称时，应用传统零序分量注入的载波调制方法，三电平变换器交流侧线电压与电网电流仿真波形；

图6(a)为正直流母线电压高于负直流母线电压时，仅应用修正的零序分量与占空比的载波调制方法，三电平变换器交流侧线电压与电网电流的仿真波形；

图6(b)为双极性直流母线电压严重不对称时，仅应用修正的零序分量与占空比的载波调制方法，三电平变换器交流侧线电压与电网电流的仿真波形；

图7(a)为正直流母线电压高于负直流母线电压时，应用本发明所提出的修正零序分量注入的载波调制方法时，三电平变换器交流侧线电压与电网电流的仿真波形；

图7(b)为正直流母线电压低于负直流母线电压时，应用本发明所提出的修正零序分量注入的载波调制方法时，三电平变换器交流侧线电压与电网电流的仿真波形；

图7(c)为双极性直流母线电压严重不对称时，应用本发明所提出的修正零序分量注入的载波调制方法时，三电平变换器交流侧线电压与电网电流的仿真波形；

图8为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的传统的正弦脉宽调制(SPWM)，还是空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制或零序分量注入的载波调制技术，在直流电压不对称时都会引起交流侧电流波形严重畸变，给电网注入大量谐波，影响电力系统安全稳定运行的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种修正零序分量注入的载波调制方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种修正注入零序分量的载波调制方法，包括：直流母线电压不对称系数k计算、修正的零序分量计算、参考电压修正与占空比计算、状态转换、单载波生成PWM。

利用T型三电平变换器的分裂电容构成双极性直流母线结构示意图如图1所述。

通过调节双极性直流母线总电压、负直流母线电压，最终实现双极性直流母线电压独立控制。

修正零序分量注入的载波调制方法的主要功能是在双极性直流母线电压不对称时，确保交流侧电流波形正弦且含较少谐波。具体步骤包括：

1直流母线电压不对称系数k计算。测量正负直流母线电压，实时计算直流母线电压不对称系数。

2修正的零序分量计算。根据所述步骤1所得直流母线电压不对称系数k计算修正的零序分量，并注入参考电压。

3参考电压修正与占空比计算。根据原始参考电压所在扇区及所诉步骤1得到的双极性直流母线电压不对称系数k，分别计算三相调制的占空比。

4状态转换。判断当双极性直流母线电压不对称修正使得占空比范围超出0～1的范围时，根据状态转换公式再次调整占空比。

5单载波生成PWM。根据所述步骤4计算所得占空比与单三角载波比较生成PWM调制，驱动T型三电平变换器。

本发明所提的一种修正零序分量注入载波调制方法适用于如图1所示基于T型三电平变换器的直流母线结构。

本发明中修正零序分量注入调制方法原理如图2所示，技术实现步骤包括：

步骤1：测量正直流母线电压为V1，负直流母线电压为V2，则定义直流母线电压不对称系数k为

步骤2：T型三电平变换器控制方法所得三相调制参考电压Va_ref,Vb_ref,Vc_ref分别为

步骤3：根据步骤2所得三相调制参考电压，将一个周期均分为多个扇区，判断参考电压空间矢量所在扇区，判断条件如表所示。

表1扇区判断条件

步骤4：根据双极性直流母线电压不对称系数k计算修正的零序分量Vo，表达式为

V_o＝f_mid/2+k

式中f_max、f_mid、f_min定义如下，分别为三相调制参考电压的最大值、中间值、最小值。

步骤5：将修正的零序分量注入三相调制参考电压得到修正参考电压V’a_ref、V’b_ref、V’c_ref，例如扇区I计算公式如下

步骤6：根据三相调制参考电压所在扇区、双极性直流母线电压不对称系数k及修正参考电压计算三相导通时间Ta、Tb、Tc，计算公式如表2所示。

表2参考电压修正与占空比计算

步骤7：由于三相载波调制方法存在运行限制，三相导通时间必须存在与[01]范围内。由于双极性直流母线电压不对称导致三相导通时间修正后超出运行限制，通过状态转换模块再次调整修正。调整方法：当导通时间大于1时，根据公式(1)调整；当导通时间小于0时，根据公式(2)调整。

步骤8：通过软件仿真验证本发明所提修正零序分量注入的载波调制方法能够应对直流母线电压宽不对称范围，有效抑制交流侧电流谐波含量，显著改善交流测电能质量。仿真软件选用MATLAB/simulink 2014A，仿真参数如表3所示。

表3仿真参数

应用本发明所提修正的零序分量注入的载波调制方法，图3是T型三电平变换器所获得的调制波形。其中图3(a)为正直流母线电压高于负直流母线电压情况调制波形；图3(b)为正直流母线低于负直流母线电压情况调制波形；图3(c)为双极性直流母线电压严重不对称情况调制波形。通过对图3(a)、(b)、(c)对比分析可知，本发明所提修正的零序分量能够通过对零序分量与占空比的修正，将载波修正至0～1范围内。当双极性直流母线电压严重不平衡时，状态转换可将载波超出范围部分再次修正至0～1范围内。

图4为双极性直流母线电压相等时，应用零序分量注入的载波调制方法，T型三电平变换器交流侧线电压与电网电流仿真波形。

图5是T型三电平变换器应用传统的零序分量注入的载波调制方法所获得的仿真波形图。图5(a)为正直流母线电压高于负直流母线电压时的交流侧线电压与并网电流仿真波形；图5(b)为正直流母线电压低于负直流母线电压时的交流侧线电压与并网电流仿真波形；图5(c)为双极性直流母线电压严重不对称时，交流侧线电压与并网电流仿真波形。通过对比分析图5可知，T型三电平变换器应用传统的零序分量注入的载波调制方法，在直流母线电压不平衡时，由于交流侧线电压没有做相应的调整，导致电网电流引入大量谐波，严重畸变。

图6为T型三电平变换器仅应用本发明所提调制方法中修正零序分量计算模块、三相参考电压修正与占空比计算模块时的仿真波形。图6(a)为正直流母线电压高于负直流母线电压时，交流侧线电压与电网电流仿真波形；图6(b)为双极性直流母线电压严重不对称时，交流侧线电压与电网电流仿真波形。由图6可知，本发明所提调制方法中，修正零序分量计算模块、三相参考电压修正与占空比计算模块应对直流母线电压轻度不平衡时，T型三电平变换器电网电流能够保持较好正弦度，然而在双极性直流母线电压严重不平衡时，电网电流依然含有大量低次谐波、畸变严重。

T型三电平变换器应用本发明所提的修正零序分量注入的载波调制方法，包括修正零序分量计算模块、三相参考电压修正与占空比计算模块、状态转换模块等。图7为双极性直流母线电压不对称条件下仿真波形图。图7(a)为正直流母线高于负直流母线电压时，T型三电平变换器交流侧线电压与电网电流波形仿真图；图7(b)为正直流母线电压低于负直流母线电压时，三电平变换器交流侧线电压与电网电流仿真波形；图7(c)为双极性直流母线电压严重不对称时，三电平变换器交流侧线电压与电网电流仿真波形。由图7(a)、(b)、(c)波形分析可知，本发明所提修正零序分量注入的载波调制方法可使T型三电平变换器直流母线电压在宽不对称范围内，降低T型三电平变换器电网电流谐波畸变率，显著改善交流侧电能质量，并能保障T型三电平变换器高功率因数下高效稳定运行。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种修正零序分量注入的载波调制方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)测量正直流母线电压为V1，负直流母线电压为V2，则定义直流母线电压不对称系数为两者差值与两者之和的比值；

(2)利用T型三电平变换器控制方法计算得到三相调制参考电压；

(3)根据三相调制参考电压，将一个周期均分为多个扇区，判断参考电压空间矢量所在扇区；

(4)根据三相调制参考电压的最大值、中间值、最小值和双极性直流母线电压不对称系数计算修正的零序分量；

(5)将修正的零序分量注入三相调制参考电压得到修正参考电压，根据三相调制参考电压所在扇区、双极性直流母线电压不对称系数及修正参考电压计算三相导通时间，驱动T型三电平变换器。

2.如权利要求1所述的一种修正零序分量注入的载波调制方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据三相调制参考电压与0的关系，将一个周期均分为6个扇区。

3.如权利要求1所述的一种修正零序分量注入的载波调制方法，其特征是：所述步骤(4)中，修正的零序分量为相调制参考电压的中间值的一半与直流母线电压不对称系数之和。

4.如权利要求1所述的一种修正零序分量注入的载波调制方法，其特征是：所述步骤(5)中，三相导通时间必须存在与[0 1]范围内，由于双极性直流母线电压不对称导致三相导通时间修正后超出运行限制，通过状态转换模块再次调整修正。

5.如权利要求4所述的一种修正零序分量注入的载波调制方法，其特征是：所述步骤(5)中，当导通时间大于1时，调整后的三相导通时间为：

6.如权利要求4所述的一种修正零序分量注入的载波调制方法，其特征是：所述步骤(5)中，当导通时间小于0时，调整后的三相导通时间为：