CN109450337A - 一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法 - Google Patents

一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法，属于电力电子与电力传动领域。将五电平变频器输出电压拆分为两个独立三电平变频器输出电压的组合，采用牛顿迭代法离线求解非线性方程组，通过曲线拟合得到开关角度与变频器调制系数的函数关系，实现各功率器件的控制脉冲，完成高压大功率五电平变频器的脉宽调制，利用本发明提出的调制方法可有效消除变频器输出电压中的低次谐波分量，降低电机定子电流谐波含量和转矩脉动，减小功率器件损耗，提高输出效率。

Description

一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法
技术领域
本发明属于电力电子与电力传动领域，具体涉及一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，大功率电力电子装备应用越来越广泛，其电压等级达到 3kV～10kV、功率等级达到10～200MW，在能源与电能变换、风能及光能等新能源接入、节能减排等国家能源战略中起着重要角色。多电平变频器由于输出电压波形正弦化、谐波含量低等优点受到了广泛的关注。
大功率电力半导体器件主要基于硅片集成技术，半导体器件的输出能力与开关频率成反比，即随着变频器输出容量的增加，电力半导体器件需更长的时间完成开通和关断。因而，在高压大功率变频器应用领域，一般采用较低的器件开关频率，在确保变频器优良输出特性的同时，减小器件损耗，提高系统效率。
目前，大功率多电平变频器应用的脉宽调制方法主要有正弦脉宽调制方法、空间矢量脉宽调制方法、特定谐波消除脉宽调制方法等。正弦脉宽调制方法采用三相调制波与多个三角载波进行比较输出多电平，其输出电压谐波频谱中低次谐波含量较高，不利于电机的低频运行；空间矢量脉宽调制方法随着输出电压电平的增加，电压空间矢量的数目呈现立方次增加，冗余开关状态较多，计算复杂，且输出电压谐波频谱较为复杂；特定谐波消除脉宽调制方法采用离线计算开关角度，依据开关角度的个数可消除低次谐波分量，利于电机的运行与控制，但多用于两电平、三电平变频器。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法，有效消除五电平变频器输出电压中的低次谐波分量，降低电机定子电流谐波含量和转矩脉动，减小功率器件损耗，提高输出效率。
本发明提供一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法，具体步骤如下：
步骤一、将五电平变频器输出电压拆分为两个三电平变频器输出电压的组合，单个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内随机生成开关角度初值，采用牛顿迭代法对非线性方程组进行计算，求解2N个开关角度；
非线性方程组如下：
其中，αk是第一个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内第k个开关角度，βk是第二个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内第k个开关角度，k＝1～N，N为单个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内开关角度总数，m为变频器调制系数，n为可消除谐波的次数。
步骤二、根据不同的变频器调制系数m，求解出两个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内2N个开关角度分别随m变化的2N组开关角度，分别将求解的每组开关角度作为离散点进行分段曲线拟合，生成开关角度随变频器调制系数m变化的2N个函数关系；
步骤三、利用开关角度随变频器调制系数m变化的函数关系与变频器各功率器件控制脉冲之间进行对应，实现大功率五电平变频器的特定谐波消除调制。
与现有技术相比，本发明优点在于：采用较少的开关角度个数N，最高可消除谐波次数达到6N-5；较少的开关角度个数，可有效减小器件损耗，提高效率，降低冷却成本；低次谐波的消除，可有效降低电机定子电流谐波含量和转矩脉动，提高装置输出性能；本发明便于推广应用到更高电平。
附图说明
图1是二极管中点箝位型H桥五电平变频器主电路拓扑结构图；
图2是级联H桥型五电平变频器主电路拓扑结构图；
图3是三电平变频器输出电压波形图；
图4A是本发明N＝5时，左桥臂开关角度随变频器调制系数m变化曲线图；
图4B是本发明N＝5时，右桥臂开关角度随变频器调制系数m变化曲线图；
图5A是本发明N＝3时，左桥臂开关角度随变频器调制系数m变化曲线图；
图5B是本发明N＝3时，右桥臂开关角度随变频器调制系数m变化曲线图；
图6A是本发明N＝5时，五电平变频器输出电压仿真波形图；
图6B是本发明N＝5时，五电平变频器输出电压频谱图；
图7A是本发明N＝3时，五电平变频器输出电压仿真波形图；
图7B是本发明N＝3时，五电平变频器输出电压频谱图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。
本发明提供一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法，将五电平变频器输出电压拆分为两个独立三电平变频器输出电压的组合，采用牛顿迭代法离线求解非线性方程组，通过曲线拟合得到开关角度与变频器调制系数的函数关系，实现各功率器件的控制脉冲，完成高压大功率五电平变频器的脉宽调制，利用本发明提出的调制方法可有效消除变频器输出电压中的低次谐波分量，降低电机定子电流谐波含量和转矩脉动，减小功率器件损耗，提高输出效率。
本发明提供一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法，具体步骤如下：
步骤一、将五电平变频器输出电压拆分为两个三电平变频器输出电压组合，单个三电平变频器输出在电压四分之一输出周期内随机生成开关角度初值，采用牛顿迭代法对非线性方程组进行计算，离线求解2N个开关角度；
非线性方程组如下；
其中，αk是第一个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内第k个开关角度，βk是第二个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内第k个开关角度，k＝1～N，N为单个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内开关角度总数，N为大于1的整数，m为变频器调制系数，n为可消除谐波的次数，可消除谐波的最高次数6N-5。
步骤二、根据不同的变频器调制系数m，求解出两个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内2N个开关角度分别随m变化的2N组开关角度，分别将求解的每组开关角度作为离散点进行分段曲线拟合，生成开关角随变频器调制系数m变化的2N个函数关系；
步骤三、利用开关角度随变频器调制系数m变化的函数关系与变频器各功率器件控制脉冲之间进行对应，实现大功率五电平变频器的特定谐波消除脉宽调制。
如图1、图2所示，图1是二极管中点箝位型H桥五电平变频器主电路拓扑结构图，图2是级联H桥型五电平变频器主电路拓扑结构图，其中，U、V、W分别为H桥五电平变频器三相对称输出，M为负载电机，E1为半边直流电容电压，N为H桥五电平变频器三相左桥臂连接中点，Z1为H桥五电平变频器U相直流电容中点，E2为单个H桥单元直流电容电压，Z2为H桥五电平变频器U相上组H桥单元与下组H桥单元的连接点。
图1与图2的五电平变频器主电路拓扑均为H桥型连接，三相相互独立；图1中五电平变频器单相输出电压VUN可分解为左桥臂输出电压VNZ1与右桥臂输出电压VUZ1的组合 (VUN＝VUZ1-VNZ1)，左桥臂输出电压VNZ1和右桥臂输出电压VUZ1均为三电平；图2中五电平变频器单相输出电压VUN可分解为上组H桥单元输出电压VZ2N与下组H桥单元输出电压VUZ2的组合(VUN＝VUZ2+VZ2N)，上组H桥单元输出电压VZ2N和下组H桥单元输出电压VUZ2均为三电平。
图3所示为三电平变频器单相输出电压VAO波形，其中ωt为三电平变频器输出角度，单位为rad，E为直流电容电压，三电平变频器单相输出电压呈现四分之一输出周期对称和二分之一输出周期对称，因而只需求解在四分之一输出周期内的N个开关角度，即可求解三电平变频器单相输出电压在完整输出周期内的4N个开关角度。
利用本发明所提供的方法对图1和图2所示的五电平变频器主电路拓扑结构进行特定谐波消除调制，将五电平变频器输出电压拆分为两个三电平变频器输出电压的组合，以单个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内开关角度个数N＝5为例，针对不同的变频器调制系数m求解非线性方程组，离线求解两个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内2N 个开关角度分别随m变化的2N组开关角度，变频器调制系数m与每组的开关角度一一对应，具体为每组的离线开关角度个数越多，后续进行曲线拟合所得的函数关系越精确：
部分求解的开关角度如下表所示：
对N＝5求解两个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内随m变化的10组开关角度作为离散点进行分段曲线拟合，得到10个开关角度分别随变频器调制系数m变化的函数关系，对N＝3求解两个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内随m变化的6组开关角度作为离散点进行分段曲线拟合，得到6个开关角度分别随变频器调制系数m变化的函数关系，如图4A和图4B为N＝5时各开关角度随变频器调制系数m变化曲线，其中图4A中α0～α4为左桥臂开关角度个数N＝5时开关角度随变频器调制系数m变化的5条变化曲线，图4B中β0～β4为右桥臂开关角度个数N＝5时开关角度随变频器调制系数m变化的5条变化曲线，如图5A和图5B为N＝3时各开关角度随变频器调制系数m变化曲线，其中图5A中α0～α2为左桥臂开关角度个数N＝3时开关角度随变频器调制系数m变化的3条变化曲线，图5B中β0～β2为右桥臂开关角度个数N＝3时开关角度随变频器调制系数m变化的3条变化曲线。
因为特定谐波消除调制方法输出的波形具有四分之一周期对称和二分之一周期对称的关系，所以求出四分之一周期的开关角度随变频器调制系数m变化的函数关系后可依据对称性得出完整周期内的开关角度，函数关系与控制脉冲之间对应实现特定谐波消除中用的是完整周期的开关角度，利用开关角度随变频器调制系数m变化的函数关系与变频器各功率器件控制脉冲之间进行对应，实现大功率五电平变频器的特定谐波消除脉宽调制。
在PSIM(PowerSimulation)仿真环境下，对本发明所提供的一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法进行仿真验证。仿真参数为：主电路拓扑选取为二极管中点箝位型 H桥五电平变频器，半边直流电容电压E1＝2500V，三相对称电阻负载R＝2Ω、三相对称电感负载L＝1mH，采样频率f＝5kHz。利用开关角随变频器调制系数m变化的函数关系与变频器各功率器件控制脉冲之间进行对应，如图6A、图6B、图7A和图7B分别是N＝5和N＝3 时，二极管中点箝位型H桥五电平变频器输出的U相左桥臂输出电压、U相右桥臂输出电压、 U相相电压和UV线电压仿真波形及频谱分析。电压是由基波和谐波组成，图6B和图7B电压频谱分析中的谐波次数指的是除基波外的所有次谐波，如果不采用特定谐波消除方法，频谱中各次谐波均有一定的幅值，采用特定谐波消除方法后，被消除的谐波幅值变为零。
图6A和图6B所示N＝5时五电平变频器U相左桥臂输出电压、U相右桥臂输出电压均为三电平，在一个输出周期内均存在十个功率脉冲和二十个开关角度；U相相电压输出为五电平；UV线电压频谱分析中最低次谐波次数为29次，当N＝5时本发明特定谐波消除调制方法最高可消除谐波次数为25次，表明除基波外，小于等于25次的谐波幅值均为零；由于变频器输出三相对称，不存在3的整数次谐波，因而UV线电压频谱分析中除基波外呈现的谐波次数均大于等于29次，即最低次谐波次数应为29次，与仿真结果一致。
图7A和图7B所示N＝3时五电平变频器U相左桥臂输出电压、U相右桥臂输出电压均为三电平，在一个输出周期内均存在六个功率脉冲和十二个开关角度；U相相电压输出为五电平；UV线电压频谱分析中最低次谐波次数为17次，当N＝3时本发明特定谐波消除调制方法最高可消除谐波次数为13次，表明除基波外，小于等于13次的谐波幅值均为零；由于变频器输出三相对称，不存在3的整数次谐波，因而UV线电压频谱分析中除基波外呈现的谐波次数均大于等于17次，即最低次谐波次数应为17次，与仿真结果一致。
仿真结果证明了该大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法的正确性和有效性。

Claims (1)

1.一种高压大功率五电平变频器特定谐波消除调制方法，其特征在于，具体包括步骤：
步骤一、将五电平变频器输出电压拆分为两个三电平变频器输出电压的组合，单个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内随机生成开关角度初值，采用牛顿迭代法对非线性方程组进行计算，求解2N个开关角度；
非线性方程组如下：
其中，αk是第一个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内第k个开关角度，βk是第二个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内第k个开关角度，k＝1～N，N为单个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内开关角度总数，m为变频器调制系数，n为可消除谐波的次数；
步骤二、根据不同的变频器调制系数m，求解出两个三电平变频器输出电压在四分之一输出周期内2N个开关角度分别随m变化的2N组开关角度，分别将求解的每组开关角度作为离散点进行分段曲线拟合，生成开关角随变频器调制系数m变化的2N个函数关系；
步骤三、利用开关角度随变频器调制系数m变化的函数关系与变频器各功率器件控制脉冲之间进行对应，实现五电平变频器的特定谐波消除调制。
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