CN108832828A - 一种三电平npc变流器的调制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种三电平NPC变流器的调制策略，首先，根据双调制波载波PWM调制策略，得到各相调制波的上调制波U_xp和下调制波U_xn，然后，在双调制波载波PWM策略的基础上，各相调制波的上调制波U_xp分解为U_xp1和U_xp2，将下调制波U_xn分解为U_xn1和U_xn2，再确定出该调制策略的解析形式；最后将得到的两组调制波分别和载波比较后，输出最终的PWM脉冲给三电平NPC变流器。本发明公开的调制策略通过得到两组调制波U_xp1、U_xn1，U_xp2、U_xn2，相比于现有策略，减少了1/3的开关频率，达到减少开关损耗，提高效率的目的，并且能在全调制度全功率因数下实现中点电位平衡的调制策略。

Description

一种三电平NPC变流器的调制策略

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种三电平NPC变流器的调制策略。

背景技术

近年来，三电平中点钳位型(NPC)变流器在光伏并网的应用越来越广泛，三电平NPC变流器的技术也日趋成熟，但其固有的中点电位平衡问题仍需完善。常用的中点电位控制方法是软件控制方法，其中，最常见的是其调制策略；三电平NPC变流器的调制方法主要有载波PWM法和空间矢量PWM(space vector PWM，SVPWM)法，SVPWM由于电压利用率高、矢量选择灵活，受到了广泛的欢迎，但这种方法算法复杂、计算量大；相反，基本的载波PWM却具有算法简单、易于实现的优点。

然而，由于三电平NPC变流器需要控制中点电位平衡，且普遍采用零序电压注入的方法，这又给载波PWM带来了以下不足：1)所需注入零序电压的准确值计算非常复杂，这抵消了基本载波PWM算法简单的优点；2)在部分调制度和功率因数下，中点电位低频波动仍然无法完全消除，这不仅需要增大直流节点电容，还会增加逆变输出的低频谐波。

由于SPWM和SVPWM的如上不足，出现了双调制波载波PWM调制策略，这种方法可以在全调制度和全功率因数下消除中点电位低频波动，作用在三电平NPC变流器中，中点电位以载波频率波动，载波频率越高，中点电位波动频率越高，波动幅值越小，而且双调制波载波PWM算法简单，易于实现，然而，双调制波载波PWM同样也有问题：比如SPWM和SVPWM的开关频率高1/3，无形中增加了开关损耗，降低效率。所以，如果能够进一步克服双调制波载波PWM在三电平NPC变流器中点平衡控制时的不足，必将促进其在三电平变流器中的应用，并进一步提高变流器的工作性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种三电平NPC变流器的调制策略，解决了现有调制策略增加了开关损耗，效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种三电平NPC变流器的调制策略，具体包括以下操作步骤：

步骤1.根据双调制波载波PWM调制策略，得到各相调制波的上调制波U_xp和下调制波U_xn；

步骤2.在双调制波载波PWM策略的基础上，将各相调制波的上调制波U_xp分解为U_xp1和U_xp2，将下调制波U_xn分解为U_xn1和U_xn2，然后确定出该调制策略的解析形式；

步骤3.将所得到的两组调制波分别和载波比较后，输出最终的PWM脉冲给三电平NPC变流器。

本发明的其他特点还在于，

步骤1的具体过程如下：

根据每个载波周期中的平均中点电流为0的原则，求解上调制波U_xp和下调制波U_xn，由公式1推导得到各相的上调制波U_xp和下调制波U_xn如公式2所示：

其中，U_x为三相正弦电压，U_z为注入的零序电压，k为x相的上下调制波为载波边界值时的解，U_max＝max(U_a,U_b,U_c)，U_min＝min(U_a,U_b,U_c)。

步骤2的具体过程如下：

步骤2.1根据公式3的关系将DMWPWM策略的上调制波U_xp分为U_xp1和U_xp2，将下调制波U_xn分为U_xn1和U_xn2，确保当DMWPWM策略的调制波已经等于载波边界值时，新调制策略的调制波等于原调制波；当DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，新调制策略的调制波是在原调制波的基础上加入零序电压，使其等于载波边界值，确保上调制波等于0或者1，下调制波等于0或者-1；

新调制策略的调制波和DMWPWM策略调制波的关系如公式3所示：

其中，0≤U_xp1，U_xp2≤1，-1≤U_xn1，U_xn2≤0，且U_xpimax＝-U_xnimin(i＝1,2)；

步骤2.2求解调制度m，确定该调制策略的解析形式，具体过程如下：

定义U_ap和U_an为双调制波载波调制策略a相的上下调制波，a相调制波的上调制波U_ap(ωt)的表达式如公式4所示，且U_ap(ωt)＝-U_an(ωt)，

在ωt∈[0,2π/3)范围内，当ωt∈[0,π/3)时，三相正弦调制波中U_ap的值最大，若U_ap≥0.5，更靠近于载波边界值1，将上调制波向上靠，使其达到载波边界值1，此时，ωt＝π/6时U_ap最大，所以将此点向上靠，保证所有点不超过最大值，将ωt带入公式4得：得到得到一个开关频率边界点；

若U_ap≤0.5，则更靠近于载波边界值0，可以将上调制波向下靠，此时，ωt＝0时U_ap最小，所以将此点向下靠，保证所有点不超过最小值，带入公式4得：得到这是另一个边界点，同理，得出另一个边界

步骤2.3根据调制度m求解新调制策略的调制波解析式，具体过程如下：

I：当调制度m∈(0.6667,1.1547]时，在DMWPWM策略调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o：

U_o＝1-U_max (5)

则新调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

II：当调制度m∈(0.5774,0.6667]时，在DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o＝1-U_max，则新调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

III：当调制度m∈[0,0.5774]时，在DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o＝U_max，则新型调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

本发明的有益效果是，一种三电平NPC变流器的调制策略，解决了现有调制策略增加了开关损耗，效率低的问题，可在全调制度全功率因数下实现中点电位平衡的新型三电平NPC变流器的调制策略。

附图说明

图1是三电平二极管钳位型变流器主电路拓扑图；

图2是本发明应用的双调制波载波PWM策略一组连续三相调制波的波形图；

图3是本发明的一种三电平NPC变流器的调制策略中a相两组调制波的波形图(m＝1.1547)；

图4是本发明的一种三电平NPC变流器的调制策略中a相两组调制波的波形图(m＝0.6667)；

图5是本发明的一种三电平NPC变流器的调制策略中a相两组调制波的波形图(m＝0.5774)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种三电平NPC变流器的调制策略中二极管钳位型三电平变流器的原理图如图1所示，包括三相交流部分、三电平直流侧外接部分、三电平NPC变流器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片和数字处理器；若为三电平逆变器结构，则三相交流部分为负载，直流侧外接部分为直流电压源，该直流源可为实际电源，也可为通过交流电源整流得到的直流源；若为三电平整流器、静止无功发生器等装置，则三相交流部分为交流源加三相交流平波电抗器；若为三电平整流器结构，则直流侧外接部分为负载；若为三电平静止无功发生器，则直流侧无外接部分；其中，电压传感器检测三相交流部分电压和直流侧各电容电压、电流传感器检测交流侧各相电流，电压传感器和电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处理器与五通过相应的驱动电路控制三电平变流器中各功率器件的开关。

本发明的一种三电平NPC变流器的调制策略，具体包括以下操作步骤：

步骤1.根据双调制波载波PWM调制策略，得到各相调制波的上调制波U_xp和下调制波U_xn；

步骤2.在双调制波载波PWM策略的基础上，各相调制波的上调制波U_xp分解为U_xp1和U_xp2，将下调制波U_xn分解为U_xn1和U_xn2，然后确定出该调制策略的解析形式；

步骤3.将所得到的两组调制波分别和载波比较后，输出最终的PWM脉冲给三电平NPC变流器。

步骤1的具体过程如下：

根据每个载波周期中的平均中点电流为0的原则，求解上调制波U_xp和下调制波U_xn，由公式1推导得到各相的上调制波U_xp和下调制波U_xn如公式2所示：

其中，U_x为三相正弦电压，U_z为三相调制波中叠加的零序分量，k为x相的上下调制波为载波边界值时的解，U_max＝max(U_a,U_b,U_c)，U_min＝min(U_a,U_b,U_c)。

步骤2的具体过程如下：

步骤2.1根据公式3的关系将DMWPWM策略的上调制波U_xp分为U_xp1和U_xp2，将下调制波U_xn分为U_xn1和U_xn2，当DMWPWM策略的调制波已经等于载波边界值时，新调制策略的调制波等于原调制波；当DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，新调制策略的调制波是在原调制波的基础上加入零序电压，使其等于载波边界值，确保上调制波等于0或者1，下调制波尽量等于0或者-1；

新调制策略的调制波和DMWPWM策略调制波的关系如公式3所示：

其中，0≤U_xp1，U_xp2≤1，-1≤U_xn1，U_xn2≤0，且U_xpimax＝-U_xnimin(i＝1,2)；

由此可得到两组调制波与双调制波载波调制策略调制波的关系，基于这个基本原则求解新型调制策略两组调制波的解析式。

本发明的调制策略的开关损耗和调制度有着非常密切的联系，所以必须首先推导三种调制度的边界值。

步骤2.2求解调制度m，具体过程如下：

如图2所示，定义U_ap和U_an为双调制波载波调制策略a相的上下调制波，由此可以得到a相调制波的上调制波U_ap(ωt)的表达式如公式4所示，且U_ap(ωt)＝-U_an(ωt)，

由图2可看出，在ωt∈[0,2π/3)范围内，当ωt∈[0,π/3)时，三相正弦调制波中U_ap的值最大，若U_ap≥0.5，更靠近于载波边界值1，可以将上调制波向上靠，使其达到载波边界值1，此时，ωt＝π/6时U_ap最大，所以将此点向上靠，可保证所有点不超过最大值，将ωt带入公式4得：得到 这是一个开关频率边界点；

若U_ap≤0.5，则更靠近于载波边界值0，可以将上调制波向下靠，此时，ωt＝0时U_ap最小，所以将此点向下靠，可保证所有点不超过最小值，带入公式4得：得到这是另一个边界点，同理，得出另一个边界

下面推导新型调制策略调制波的解析式，在一个开关周期内，以a相调制度m＝1.1547调制波为例说明：

1)对于上组调制波：

当ωt∈[0,π/3)，此时U_ap不等于边界值1，在U_ap中注入零序电压U₀，使其等于载波边界值，U_ap1＝U_ap+U₀，则

当ωt∈[π/3,2π/3)，此时保持U_ap的值，

当ωt∈[2π/3,4π/3)，此时U_ap等于载波边界值1，保持U_ap的值

当ωt∈[4π/3,5π/3)，此时保持U_ap的值

当ωt∈[5π/3,2π)，此时U_ap1＝U_ap+U₀

为了满足公式3，在对应区域，U_ap2＝U_ap-U_o；

2)对于下组调制波：

当ωt∈[0,π/3)，此时U_an等于载波边界值0，则

当ωt∈[π/3,2π/3)，此时保持U_an的值，

当ωt∈[2π/3,4π/3)，此时U_an不等于边界值，在U_an中注入零序电压U₀，使其等于载波边界值，U_an1＝U_an+U₀，则

当ωt∈[4π/3,5π/3)，此时保持U_an的值

当ωt∈[5π/3,2π)，此时U_an等于载波边界值0，则

为了满足公式3，在对应区域，U_an2＝U_an-U_o

其他调制度推导类似，综上可得新型调制策略调制波的解析式如下：

步骤2.3根据调制度m，求解新调制策略的调制波解析式，具体过程如下：

I：当调制度m∈(0.6667,1.1547]时，在DMWPWM策略调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o：

U_o＝1-U_max (5)

则新调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

如图3所示为调制度m＝1.1547时a相两组调制波的波形图。

II：当调制度m∈(0.5774,0.6667]时，在DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o＝1-U_max，则新调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

如图4所示为调制度m＝0.6667时a相两组调制波的波形图。

III：当调制度m∈[0,0.5774]时，在DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o＝U_max，则新型调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

如图5所示为调制度m＝0.5774时a相两组调制波的波形图。

本发明所提出的调制策略的基本原则是：把DMWPWM策略的上下两个调制波分别分为两个调制波，两组调制波的选择机制是，当DMWPWM策略的调制波已经等于载波边界值时，新型调制策略的调制波等于原调制波；在DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，新型调制策略的调制波是在原调制波的基础上加入零序电压，使其尽量等于载波边界值(上调制波尽量等于0或者1，下调制波尽量等于0或者-1)，从而减少开关频率提高效率。

Claims (3)

1.一种三电平NPC变流器的调制策略，其特征在于，具体包括以下操作步骤：

步骤1.根据双调制波载波PWM调制策略，得到各相调制波的上调制波U_xp和下调制波U_xn；

步骤2.在双调制波载波PWM策略的基础上，将各相调制波的上调制波U_xp分解为U_xp1和U_xp2，将下调制波U_xn分解为U_xn1和U_xn2，然后确定出该调制策略的解析形式；

步骤3.将所得到的两组调制波分别和载波比较后，输出最终的PWM脉冲给三电平NPC变流器。

2.如权利要求1所述的一种三电平NPC变流器的调制策略，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：

根据每个载波周期中的平均中点电流为0的原则，求解上调制波U_xp和下调制波U_xn，由公式1推导得到各相的上调制波U_xp和下调制波U_xn如公式2所示：

其中，U_x为三相正弦电压，U_z为注入的零序电压，k为x相的上下调制波为载波边界值时的解，U_max＝max(U_a,U_b,U_c)，U_min＝min(U_a,U_b,U_c)。

3.如权利要求2所述的一种三电平NPC变流器的调制策略，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：

步骤2.1根据公式3的关系将DMWPWM策略的上调制波U_xp分为U_xp1和U_xp2，将下调制波U_xn分为U_xn1和U_xn2，确保当DMWPWM策略的调制波已经等于载波边界值时，新调制策略的调制波等于原调制波；当DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，新调制策略的调制波是在原调制波的基础上加入零序电压，使其等于载波边界值，确保上调制波等于0或者1，下调制波等于0或者-1；

新调制策略的调制波和DMWPWM策略调制波的关系如公式3所示：

其中，0≤U_xp1，U_xp2≤1，-1≤U_xn1，U_xn2≤0，且U_xpimax＝-U_xnimin(i＝1,2)；

步骤2.2求解调制度m，确定该调制策略的解析形式，具体过程如下：

定义U_ap和U_an为双调制波载波调制策略a相的上下调制波，a相调制波的上调制波U_ap(ωt)的表达式如公式4所示，且U_ap(ωt)＝-U_an(ωt)，

在ωt∈[0,2π/3)范围内，当ωt∈[0,π/3)时，三相正弦调制波中U_ap的值最大，若U_ap≥0.5，更靠近于载波边界值1，将上调制波向上靠，使其达到载波边界值1，此时，ωt＝π/6时U_ap最大，所以将此点向上靠，保证所有点不超过最大值，将ωt带入公式4得：得到得到一个开关频率边界点；

若U_ap≤0.5，则更靠近于载波边界值0，可以将上调制波向下靠，此时，ωt＝0时U_ap最小，所以将此点向下靠，保证所有点不超过最小值，带入公式4得：得到这是另一个边界点，同理，得出另一个边界

步骤2.3根据调制度m求解新调制策略的调制波解析式，具体过程如下：

I：当调制度m∈(0.6667,1.1547]时，在DMWPWM策略调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o：

U_o＝1-U_max (5)

则新调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

II：当调制度m∈(0.5774,0.6667]时，在DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o＝1-U_max，则新调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，

III：当调制度m∈[0,0.5774]时，在DMWPWM策略的调制波不等于载波边界值时，给DMWPWM策略的调制波注入零序电压U_o＝U_max，则新型调制策略的两组调制波表达式为：

其中，

其中，