CN108599599B - 一种三相电流源型变换器载波调制方法 - Google Patents

一种三相电流源型变换器载波调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相电流源型变换器载波调制方法，其技术要点是：首先将原始参考信号取绝对值得到新参考信号，按照新参考信号之间的交点，将工频周期平均分成12个区间；然后在每个区间内，对新参考信号瞬时值进行大小排序，选择前两个作为调制信号，分别定义为调制信号1与调制信号2；选择单个三角波作为载波信号；利用三相电流源型变换器桥臂顺向串联二极管的拑位特性，将调制信号与三角载波直接进行比较产生开关管信号。本发明的有益效果在于利用调制信号与三角载波直接比较产生开关管信号，无需叠流，具有直流电流利用率高和开关损耗小等优点。

Description

一种三相电流源型变换器载波调制方法
技术领域
本发明属于电力电子变换领域，尤其涉及一种三相电流源型变换器载波调制方法。
背景技术
根据系统直流侧输出特性，三相功率变换器可以分为电压源型变换器和电流源型变换器，如附图1所示。电流源型变换器具有输入功率因数可调、电流谐波含量低和可靠性高等特点，近年来在光伏发电系统、燃料电池供电系统和不间断电源系统等领域受到越来越多的关注。
目前，电流源型变换器采用的调制策略有选择谐波消除调制、载波调制和空间矢量调制。其中，选择谐波消除调制属于离线调制策略，受系统运行状态影响较大。空间矢量调制可以灵活选择矢量，但实现过程复杂，计算量大。载波调制可以分为间接载波调制方案和直接载波调制方案。间接载波调制方案是在电压源型变换器载波调制的基础上，经过逻辑转换得出脉冲信号。该方案虽然可以有效控制开关，但是存在直流电流利用率低，实现过程复杂和开关损耗大等缺点。与间接载波调制相比，直接载波调制虽然可以克服上述缺点，但是采用双载波与调制波比较产生驱动信号，实现较为复杂。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种三相电流源型变换器载波调制方法。该调制方法不仅具有简单易行、无需叠流，而且具有直流电流利用率高和开关损耗小等优点。
为了实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种三相电流源型变换器载波调制方法，其内容包括如下步骤：
(1)首先，将三个原始参考信号va、vb和vc取绝对值，得到三个新参考信号|va|、|vb|和|vc|；然后按照三个新参考信号中每两个之间存在的交点，将工频周期平均分成12个区间，定义为区间1～12；在每个区间内，对三个新参考信号|va|、|vb|和|vc|按照瞬时值从大到小的方式进行排序，选择前两个作为调制信号，分别定义为调制信号1与调制信号2；选择单个三角波作为载波信号，最后，将调制信号1、调制信号2分别与三角载波进行比较，产生开关管信号，实现有效控制三相电流源型变换器；
(2)现做如下定义：
①三相电流源型变换器上桥臂三个开关管分别为开关管Sap、开关管Sbp和开关管Scp，下桥臂三个开关管分别为开关管San、开关管Sbn和开关管Scn；并且开关管Sap和开关管San位于桥臂A；开关管Sbp和开关管Sbn位于桥臂B；开关管Scp和开关管Scn位于桥臂C；
②每个时刻开关管序列可以利用如下对应矢量表示：当开关管Sbn、开关管Sap和开关管Scn同时开通时，在后续说明中简记为I11(Sbn,Sap,Scn)；同理有下述简记：I22(Sap,Scn,Sbp)，I33(Scn,Sbp,San)，I44(Sbp,San,Scp)，I55(San,Scp,Sbn)，I66(Scp,Sbn,Sap)；I1(Sbn,Sap)，I2(Sap,Scn)，I3(Scn,Sbp)，I4(Sbp,San)，I5(San,Scp)，I6(Scp,Sbn)，I7(Sap,San)，I8(Sbp,Sbn)，I9(Scp,Scn)；
现选择区间3进行具体说明：在区间3内，三相电流源型变换器三桥臂A、B和C三点电位瞬时值大小关系为vA>0>vC>vB；三个原始参考信号瞬时值大小关系与三桥臂A、B和C三点电位大小关系保持一致，即va>0>vc>vb；三个新参考信号瞬时值大小关系为|va|>|vb|>|vc|>0；在区间3内，调制信号1为|va|，调制信号2为|vb|；此时三相电流源型变换器上桥臂三个开关管的开关状态分别为：开关管Sap保持开通状态，开关管Sbp和开关管Scp保持关断状态；下桥臂三个开关管利用调制信号1、调制信号2分别与三角载波比较实现控制，比较原理如下：当调制信号1小于三角载波时，下桥臂开关管San保持开通状态，此时开关管Sap和开关管San同时也保持开通状态，即可以采用矢量I7(Sap,San)表示；当调制信号2大于三角载波时，下桥臂开关管Sbn保持开通状态；根据基尔霍夫定律可知，在区间3内，三个新参考信号的关系为|vc|+|vb|＝|va|；所以对于C相下桥臂开关管Scn的控制，可以采用调制信号1与三角载波比较实现控制，即当调制信号1大于三角载波时，下桥臂开关管Scn保持开通状态，根据以上两个状态分析，存在两种开关管状态，第一种开关管状态为开关管Sap、开关管Sbn和开关管Scn同时保持开通状态，即可以采用矢量I11(Sbn,Sap,Scn)表示，第二种开关管状态为开关管Sap和开关管Scn同时保持开通状态，即可以采用矢量I2(Sap,Scn)表示；对于第一种开关管状态I11(Sbn,Sap,Scn)，存在三个开关管同时开通情况，可以利用二极管的钳位作用，在满足三相电流源型变换器在同一时刻仅仅两个开关管流通电流的基本原则下，使第一种开关管状态I11(Sbn,Sap,Scn)变为实际的开关管状态I1(Sbn,Sap)，实现有效控制开关管。
由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于系统开关的驱动信号生成无需复杂的空间矢量调制，驱动信号生成仅需要调制波与三角载波比较，不需要复杂的逻辑电路，就可以直接产生。除此之外，本发明不仅具有实现过程简单易行，无需叠流，而且具有直流电流利用率高和开关损耗小等优点。
附图说明
图1为三相电流源型变换器的原理图；
图2为本发明提出的12区间分配图；
图3为本发明提出的开关管驱动信号产生原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细具体的说明。
图1所示为三相电流源型变换器的原理图，本发明提出的载波调制方法将工频周期平均分成的12个区间，如图2所示，本发明提出的载波调制方法的驱动信号产生原理图，如图3所示，该方法内容包括如下步骤：
(1)首先，将三个原始参考信号va、vb和vc取绝对值，得到三个新参考信号|va|、|vb|和|vc|；然后按照三个新参考信号中每两个之间存在的交点，将工频周期平均分成12个区间，定义为区间1～12；在每个区间内，对三个新参考信号|va|、|vb|和|vc|按照瞬时值从大到小的方式进行排序，选择前两个作为调制信号，分别定义为调制信号1与调制信号2；选择单个三角波作为载波信号，最后，将调制信号1、调制信号2分别与三角载波进行比较，产生开关管信号，实现有效控制三相电流源型变换器；
(2)现做如下定义：
①三相电流源型变换器上桥臂三个开关管分别为开关管Sap、开关管Sbp和开关管Scp，下桥臂三个开关管分别为开关管San、开关管Sbn和开关管Scn；并且开关管Sap和开关管San位于桥臂A；开关管Sbp和开关管Sbn位于桥臂B；开关管Scp和开关管Scn位于桥臂C；
②每个时刻开关管序列可以利用如下对应矢量表示：当开关管Sbn、开关管Sap和开关管Scn同时开通时，在后续说明中简记为I11(Sbn,Sap,Scn)；同理有下述简记：I22(Sap,Scn,Sbp)，I33(Scn,Sbp,San)，I44(Sbp,San,Scp)，I55(San,Scp,Sbn)，I66(Scp,Sbn,Sap)；I1(Sbn,Sap)，I2(Sap,Scn)，I3(Scn,Sbp)，I4(Sbp,San)，I5(San,Scp)，I6(Scp,Sbn)，I7(Sap,San)，I8(Sbp,Sbn)，I9(Scp,Scn)；
现选择区间3进行具体说明：在区间3内，三相电流源型变换器三桥臂A、B和C三点电位瞬时值大小关系为vA>0>vC>vB；三个原始参考信号瞬时值大小关系与三桥臂A、B和C三点电位大小关系保持一致，即va>0>vc>vb；三个新参考信号瞬时值大小关系为|va|>|vb|>|vc|>0；在区间3内，调制信号1为|va|，调制信号2为|vb|；此时三相电流源型变换器上桥臂三个开关管的开关状态分别为：开关管Sap保持开通状态，开关管Sbp和开关管Scp保持关断状态；下桥臂三个开关管利用调制信号1、调制信号2分别与三角载波比较实现控制，比较原理如下：当调制信号1小于三角载波时，下桥臂开关管San保持开通状态，此时开关管Sap和开关管San同时也保持开通状态，即可以采用矢量I7(Sap,San)表示；当调制信号2大于三角载波时，下桥臂开关管Sbn保持开通状态；根据基尔霍夫定律可知，在区间3内，三个新参考信号的关系为|vc|+|vb|＝|va|；所以对于C相下桥臂开关管Scn的控制，可以采用调制信号1与三角载波比较实现控制，即当调制信号1大于三角载波时，下桥臂开关管Scn保持开通状态，根据以上两个状态分析，存在两种开关管状态，第一种开关管状态为开关管Sap、开关管Sbn和开关管Scn同时保持开通状态，即可以采用矢量I11(Sbn,Sap,Scn)表示，第二种开关管状态为开关管Sap和开关管Scn同时保持开通状态，即可以采用矢量I2(Sap,Scn)表示；对于第一种开关管状态I11(Sbn,Sap,Scn)，存在三个开关管同时开通情况，可以利用二极管的钳位作用，在满足三相电流源型变换器在同一时刻仅仅两个开关管流通电流的基本原则下，使第一种开关管状态I11(Sbn,Sap,Scn)变为实际的开关管状态I1(Sbn,Sap)，实现有效控制开关管。
其余区间开关管信号的产生情况详见下面表1。
综上所述，可以得出在一个工频周期中12个区间内开关管的开通序列和实际作用的开关管序列对比表，如表1所示。可以看出，利用二极管的拑位作用，可以实现本发明的电流源型变换器的载波调制方法。
表1
Figure GDA0002265436570000061

Claims (1)

1.一种三相电流源型变换器载波调制方法，其特征在于：该方法内容包括以下步骤：
(1)首先，将三个原始参考信号va、vb和vc取绝对值，得到三个新参考信号|va|、|vb|和|vc|；然后按照三个新参考信号中每两个之间存在的交点，将工频周期平均分成12个区间，定义为区间1～12；在每个区间内，对三个新参考信号|va|、|vb|和|vc|按照瞬时值从大到小的方式进行排序，选择前两个作为调制信号，分别定义为调制信号1与调制信号2；选择单个三角波作为载波信号，最后，将调制信号1、调制信号2分别与三角载波进行比较，产生开关管信号，实现有效控制三相电流源型变换器；
(2)现做如下定义：
①三相电流源型变换器上桥臂三个开关管分别为开关管Sap、开关管Sbp和开关管Scp，下桥臂三个开关管分别为开关管San、开关管Sbn和开关管Scn；并且开关管Sap和开关管San位于桥臂A；开关管Sbp和开关管Sbn位于桥臂B；开关管Scp和开关管Scn位于桥臂C；
②每个时刻开关管序列可以利用如下对应矢量表示：当开关管Sbn、开关管Sap和开关管Scn同时开通时，在后续说明中简记为I11(Sbn,Sap,Scn)；同理有下述简记：I22(Sap,Scn,Sbp)，I33(Scn,Sbp,San)，I44(Sbp,San,Scp)，I55(San,Scp,Sbn)，I66(Scp,Sbn,Sap)；I1(Sbn,Sap)，I2(Sap,Scn)，I3(Scn,Sbp)，I4(Sbp,San)，I5(San,Scp)，I6(Scp,Sbn)，I7(Sap,San)，I8(Sbp,Sbn)，I9(Scp,Scn)；
现选择区间3进行具体说明：在区间3内，三相电流源型变换器三桥臂A、B和C三点电位瞬时值大小关系为vA>0>vC>vB；三个原始参考信号瞬时值大小关系与三桥臂A、B和C三点电位大小关系保持一致，即va>0>vc>vb；三个新参考信号瞬时值大小关系为|va|>|vb|>|vc|>0；在区间3内，调制信号1为|va|，调制信号2为|vb|；此时三相电流源型变换器上桥臂三个开关管的开关状态分别为：开关管Sap保持开通状态，开关管Sbp和开关管Scp保持关断状态；下桥臂三个开关管利用调制信号1、调制信号2分别与三角载波比较实现控制，比较原理如下：当调制信号1小于三角载波时，下桥臂开关管San保持开通状态，此时开关管Sap和开关管San同时也保持开通状态，即可以采用矢量I7(Sap,San)表示；当调制信号2大于三角载波时，下桥臂开关管Sbn保持开通状态；根据基尔霍夫定律可知，在区间3内，三个新参考信号的关系为|vc|+|vb|＝|va|；所以对于C相下桥臂开关管Scn的控制，可以采用调制信号1与三角载波比较实现控制，即当调制信号1大于三角载波时，下桥臂开关管Scn保持开通状态，根据以上两个状态分析，存在两种开关管状态，第一种开关管状态为开关管Sap、开关管Sbn和开关管Scn同时保持开通状态，即可以采用矢量I11(Sbn,Sap,Scn)表示，第二种开关管状态为开关管Sap和开关管Scn同时保持开通状态，即可以采用矢量I2(Sap,Scn)表示；对于第一种开关管状态I11(Sbn,Sap,Scn)，存在三个开关管同时开通情况，可以利用二极管的钳位作用，在满足三相电流源型变换器在同一时刻仅仅两个开关管流通电流的基本原则下，使第一种开关管状态I11(Sbn,Sap,Scn)变为实际的开关管状态I1(Sbn,Sap)，实现有效控制开关管；其余区间开关管信号的产生情况详见下表，
Figure FDA0002265436560000021
。
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