CN107508483A - 一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法 - Google Patents

一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明新型涉及一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法，其步骤：采集三电平变流器的三相输出电压、三相电流；比较三电平变流器三相输出电压的大小关系以及三相电流绝对值的大小关系；根据三相输出电压与电流绝对值的关系，选择合适的钳位方式，注入相应的共模电压，获得DPWM下的三相调制电压；计算出三电平变流器的占空比，产生相应的开关序列实现对三电平变流器的调制。本发明能够最大程度的减小变流器的开关损耗，提高三电平变流器的系统效率，从而实现三电平变流器的优化控制。

Description

一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法
技术领域
本发明涉及三电平变流器空间脉宽调制，尤其涉及一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，尤其在大容量、高电压场合，三电平拓扑的应用越来越广泛，此外，三电平拓扑还具有输出波形的谐波含量低、效率高的优点。随着功率半导体技术的发展，功率管的开关频率可以做的很高。开关频率的提高可以减小逆变器输出电压的谐波含量。但是随着开关频率的提高，功率管的开关损耗也随之增加。在电力变换系统中，器件损耗(包括导通损耗和开关损耗)是影响系统效率至关重要的一环。
现有的减小开关损耗的方法主要分为三类：(1)减小换相区间内开关上的电压或电流(软开关技术)；(2)改变开关时间间隔；(3)改变调制方式。虽然利用软开关技术可以有效的减小功率管的开关损耗，但软开关的应用会增加成本、控制复杂，而且调制时受阶段性限制。变流器的开关损耗与具体的调制方式有很大关系，改进调制方式可以在一定程度上减小开关损耗。
现有的技术中采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)，根据相电流选择适当的小矢量，避免切换最大的相电流，利用冗余矢量降低开关损耗，但实验效果并不明显；而采用非连续脉宽调制(DPWM)，通过检测相电流判断最大项或最小项，在原有调制波的基础上叠加共模电压(CMV)，使其等于直流侧的一半，降低开关损耗。现有的非连续脉宽调制(DPWM)方法主要有DPWM I、DPWM II、DPWM III、DPWM IV，大量研究成果表明：采用上述DPWM方法可以有效降低变流器的开关损耗，但当负载功率因数发生改变时，传统的DPWM方法的开关损耗降低效果将发生改变，在一定程度上削弱了开关损耗的降低能力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法，以期能在不同功率因数下，最大程度的减小系统的开关损耗，提高变流器的运行效率，从而实现三电平变流器的优化控制。
为了实现以上目的，本发明采用这样一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法，其方法实现步骤如下：
步骤一、三电平变流器通过电压互感器和电流互感器采集直流侧电压udc，三相输出电压uA、uB、uC，三相输出电流iA、iB、iC；
步骤二、比较三相输出电压uA、uB、uC的大小，记电压最大值对应的相为umax相，记电压中间值对应的相为umid相，记电压最小值对应的相为umin相，式(1)中umax、umid、umin分别表示三电平变流器的输出电压uA、uB、uC中的最大电压、中间电压、最小电压；
步骤三、比较三相输出电流的绝对值大小，得到电流绝对值最大对应的相，记为imax相，得到电流绝对值中间对应的相，记为imid相，得到电流绝对值最小对应的相，记为imin相，式(2)中imax、imid、imin分别表示三电平变流器的输出电流绝对值|iA|、|iB|、|iC|中的最大电流、中间电流、最小电流；
步骤四、根据umax、umid、umin与imax、imid、imin对应相的关系，选择合适的钳位方式，注入相应的共模电压，获得DPWM下的三相调制电压：
(I)若umax相与imax相为同一相，其钳位公式如式(3)，将该相钳位至正母线(Positive bus)，简称PB钳位方式，式(3)中为PB钳位方式下的共模电压，分别表示PB钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
(II)若umin相与imax相为同一相，其钳位公式如式(4)，将该相钳位至负母线(Negative bus)，简称NB钳位方式，式(4)中为NB钳位方式下的共模电压，分别表示NB钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
(III)若umid相与imax相为同一相，其钳位公式如式(5)，将该相钳位至中线(Neutral point)，若钳位后的三相调制电压满足 时，则表示该相可钳位至中线，简称NP钳位方式，式(5)中为NP钳位方式下的共模电压， 分别表示NP钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
(III-I)若钳位后的三相调制电压不满足 时，且若umax相与imid相为同一相，则采用PB钳位方式；
(III-II)若钳位后的三相调制电压不满足 时，且若umin相与imid相为同一相，则采用NB钳位方式；
步骤五、三电平变流器利用上述式(3)、式(4)、式(5)得到三相调制电压，计算得到三相开关序列，来实现所述三电平变流器的调制。
本发明采用的方法有益效果在于：
1、根据三电平变流器的三相输出电压电流关系，选择合适的钳位方式，使电流绝对值最大相或次大相对应的桥臂不发生开关动作，从而最大程度的降低系统的开关损耗，从而提高了变流器系统的运行效率。
2、与传统的调制方法相比，仅需根据变流器输出三相电压电流的关系选择合适的钳位方式，注入共模电压。无需实时检测电压电流之间的功率因数角，在一定程度上降低了算法的计算复杂程度。
3、始终保证电流绝对值最大相或次大相对应桥臂不发生开关动作，最大程度地减小了变流器的开关损耗。
4、无需增加任何外设，系统成本低，控制方法简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例的三电平变流器的主电路图。
图2是本发明实施例的控制算法流程图。
图3为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.3,φ＝π/12状况下的仿真结果图。
图4为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.8,φ＝π/12状况下的仿真结果图。
图5为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.3,φ＝5π/12状况下的仿真结果图。
图6为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.8,φ＝5π/12状况下的仿真结果图。
图7为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.3,φ＝π/12状况下的实验结果图。
图8为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.8,φ＝π/12状况下的实验结果图。
图9为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.3,φ＝5π/12状况下的实验结果图。
图10为本发明实施例的三电平变流器工作在m＝0.8,φ＝5π/12状况下的实验结果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于三电平变流器的主电路图来实现的，主电路图上的直流侧由两个电容串联构成，电容两侧分别并联一个电压表，每个桥臂由四个串联的功率开关和两个串联的箝位二极管构成，每个桥臂箝位二极管的中点与直流侧电容的中点连接。
如图2是本发明控制算法流程图，其步骤四的顺序按控制算法流程进行的，但是就方法而言，是不存在判断的先后顺序，以下是本方法具体实施步骤：
步骤一、三电平变流器通过电压互感器和电流互感器采集直流侧电压udc，三相输出电压uA、uB、uC，三相输出电流iA、iB、iC；
步骤二、比较三相输出电压uA、uB、uC的大小，记电压最大值对应的相为umax相，记电压中间值对应的相为umid相，记电压最小值对应的相为umin相，式(1)中umax、umid、umin分别表示三电平变流器的输出电压uA、uB、uC中的最大电压、中间电压、最小电压；
步骤三、比较三相输出电流的绝对值大小，得到电流绝对值最大对应的相，记为imax相，得到电流绝对值中间对应的相，记为imid相，得到电流绝对值最小对应的相，记为imin相，式(2)中imax、imid、imin分别表示三电平变流器的输出电流绝对值|iA|、|iB|、|iC|中的最大电流、中间电流、最小电流；
步骤四、根据umax、umid、umin与imax、imid、imin对应相的关系，选择合适的钳位方式，注入相应的共模电压，获得DPWM下的三相调制电压：
(I)若umax相与imax相为同一相，其钳位公式如式(3)，将该相钳位至正母线(Positive bus)，简称PB钳位方式，式(3)中为PB钳位方式下的共模电压，分别表示PB钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
在具体实施时，若电压和电流关系满足(I)时，则选择PB钳位方式，使得电流绝对值最大相对应的桥臂不发生开关动作，不必进行(II)、(III)的判断。
(II)若umin相与imax相为同一相，其钳位公式如式(4)，将该相钳位至负母线(Negative bus)，简称NB钳位方式，式(4)中为NB钳位方式下的共模电压，分别表示NB钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
在具体实施时，若电压和电流关系满足(II)时，则选择NB钳位方式，使得电流绝对值最大相对应的桥臂不发生开关动作，不必进行(III)的判断。
(III)若umid相与imax相为同一相，其钳位公式如式(5)，将该相钳位至中线(Neutral point)，若钳位后的三相调制电压满足 时，则表示该相可钳位至中线，简称NP钳位方式，式(5)中为NP钳位方式下的共模电压， 分别表示NP钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
(III-I)若钳位后的三相调制电压不满足 时，且若umax相与imid相为同一相，则采用PB钳位方式；
(III-II)若钳位后的三相调制电压不满足 时，且若umin相与imid相为同一相，则采用NB钳位方式；
在具体实施时，若电压和电流关系满足(III-I)或(III-II)时，则选择PB或NB钳位方式，与(I)和(II)不同的是：电流绝对值次大相对应的桥臂不发生开关动作。
步骤五、三电平变流器利用上述式(3)、式(4)、式(5)得到三相调制电压，计算得到三相开关序列，来实现所述三电平变流器的调制。
如图3-10所示，为验证本发明调制方法的正确性，分别选取不同的调制度m和功率因数角进行实验，其中m＝u/udc，u为输出线电压的峰值，为采用本发明后获得的调制电压，uC1、uC2分别是直流侧两电容的电压，uAB为线电压，iA、iB、iC为相电流，FFT ofuAB为快速傅里叶变换后的频率。
对比图3、4与图7、8可以看出，实验结果与仿真结果基本一致。在功率因数较高时，钳位方式在PB和NB钳位方式之间来回切换，三电平变流器的开关损耗得到最大程度降低。由图7、8可以看出，三电平变流器的输出电流正弦度较好，中点电位存在较小的三倍频波动，且在高调制度时较为明显。
对比图5、6与图9、10可以看出，实验结果与仿真结果基本一致。在功率因数较低时，钳位方式在PB、NB和NP钳位方式之间来回切换，三电平变流器的开关损耗同样得到最大程度降低。由图9、10可以看出，三电平变流器的输出电流正弦度较好，中点电位存在较小的三倍频波动，且在高调制度时较为明显。
由图7至图10可以看出，高频频谱分析结果显示输出电压只含有开关频率倍数次的谐波。
根据以上实施例，验证了本发明在三电平变流器非连续脉宽调制时，能最大程度地降低开关损耗，提高三电平变流器的系统效率，从而实现三电平变流器的优化控制。
在本发明中，钳位术语“PB钳位”、“NB钳位”、“NP钳位”等应作本意理解，根据内容来理解具体含义，即钳位至正母线、钳位至负母线、钳位至中线等，所以钳位术语不能作为本发明保护范围的限制。
本发明实施例中，选取的调制度和功率因数角不能理解作为对本发明内容的限制，本领域的技术人员在本发明的保护范围内对以上实施例实验的数据和内容进行修改和替换。

Claims (1)

1.一种降低开关损耗的三电平变流器非连续脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤实现如下：
步骤一、三电平变流器通过电压互感器和电流互感器采集直流侧电压udc，三相输出电压uA、uB、uC，三相输出电流iA、iB、iC；
步骤二、比较三相输出电压uA、uB、uC的大小，记电压最大值对应的相为umax相，记电压中间值对应的相为umid相，记电压最小值对应的相为umin相，式(1)中umax、umid、umin分别表示三电平变流器的输出电压uA、uB、uC中的最大电压、中间电压、最小电压；
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步骤三、比较三相输出电流的绝对值大小，得到电流绝对值最大对应的相，记为imax相，得到电流绝对值中间对应的相，记为imid相，得到电流绝对值最小对应的相，记为imin相，式(2)中imax、imid、imin分别表示三电平变流器的输出电流绝对值|iA|、|iB|、|iC|中的最大电流、中间电流、最小电流；
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步骤四、根据umax、umid、umin与imax、imid、imin对应相的关系，选择合适的钳位方式，注入相应的共模电压，获得DPWM下的三相调制电压：
(I)若umax相与imax相为同一相，其钳位公式如式(3)，将该相钳位至正母线(Positivebus)，简称PB钳位方式，式(3)中为PB钳位方式下的共模电压，分别表示PB钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
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(II)若umin相与imax相为同一相，其钳位公式如式(4)，将该相钳位至负母线(Negativebus)，简称NB钳位方式，式(4)中为NB钳位方式下的共模电压，分别表示NB钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
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(III)若umid相与imax相为同一相，其钳位公式如式(5)，将该相钳位至中线(Neutralpoint)，若钳位后的三相调制电压满足 时，则表示该相可钳位至中线，简称NP钳位方式，式(5)中为NP钳位方式下的共模电压， 分别表示NP钳位方式下所述三电平变流器注入共模电压后的三相调制电压，
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(III-I)若钳位后的三相调制电压不满足 时，且若umax相与imid相为同一相，则采用PB钳位方式；
(III-II)若钳位后的三相调制电压不满足 时，且若umin相与imid相为同一相，则采用NB钳位方式；
步骤五、三电平变流器利用上述式(3)、式(4)、式(5)得到三相调制电压，计算得到三相开关序列，来实现所述三电平变流器的调制。
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