CN109495004A

CN109495004A - 奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法

Info

Publication number: CN109495004A
Application number: CN201811533537.9A
Authority: CN
Inventors: 姜卫东; 张伟; 王沛东; 王珺璨
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Zhongke Haiao Mount Huangshan Energy Storage Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-03-19
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: CN109495004B

Abstract

本发明涉及一种奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法，首先采集奇数相三电平变流器输出的电压和电流，然后将基于三相三电平变流器的四种非连续调制策略(DPWMI‑IV)扩展至奇数相三电平变流器，得到各相被钳位至正或负母线的区间，在此基础上向输出电压注入共模电压，并对共模电压进行傅里叶分析，其满足奇数相的奇数次倍频，最后与载波进行比较，以生成特定的PWM开关序列。

Description

奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法

技术领域

本发明涉及奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法，更具体地说是基于三相三电平变流器的非连续脉宽调制方法的拓展，并说明其存在的可能性，即有中点电压自平衡能力，在不加任何控制手段下，该系统能稳定运行。

背景技术

随着电力电子技术的发展，三电平变流器受到了广泛地关注。相比于传统的两电平变流器，三电平变流器具有较低的总谐波畸变率、较低的器件电压应力和较高的能量转换效率。正是这些优点，使得三电平变流器被广泛应用于如电机驱动、电能质量和可再生能源发电等诸多领域。

传统的三相电机驱动系统一直受到供电相数的限制而不能有效发展,近年来计算机技术、电力电子技术以及现代控制理论的高速发展逐渐克服了这一瓶颈。多相电机驱动系统可以使用低成本的低压功率器件来实现大功率驱动控制；转矩脉动幅值比三相电机小，但脉动频率增加；在设计的时候采用了相冗余的理念，当一个定子绕组出现开路或逆变器的一个桥臂开路时，不会显著改变驱动系统的可靠性，从而不明显影响电机的正常运行。因此，多相电机具有良好的市场前景。

降低开关损耗是三电平变流器的关键问题之一。为了降低开关损耗，一种非连续脉宽调制策略被提出，分别是DPWMI、DPWMII、DPWMIII和DPWMIV，但是这些研究都是基于三相三电平变流器。在这些策略主要是通过，两相存在开关行为，而另一个相被钳位到正或负母线，以实现减少开关次数达到减少开关损耗的目的。但是很少有人将这些策略拓展至多相三电平变流器中。

中点电压自平衡机理是所有变流器稳定运行的前提条件，是研究三电平变流器中点电压控制的基础。中点电压自平衡就是不使用任何附加的中点电压控制手段，在一段时间的起始点和结束点，调制策略能使中点电压的变化量为零。只有说明了调制策略存在中点电压自平衡，才能在变流器中使用该策略。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题，提出奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法及其存在性，在说明该系统存在非连续脉宽调制方法的基础上实现减小开关损耗，提高系统效率。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法及，包括如下步骤：

步骤S1、采集N相三电平变流器输出的电压和电流，其中，N为奇数；

步骤S2、将基于三相三电平变流器的四种非连续调制策略扩展至奇数相三电平变流器，得到各相被钳位至正或负母线的区间；

步骤S3、根据各相被钳位至正或负母线的区间，求得在一个基波周期内注入的共模电压，并对共模电压进行傅里叶分析；

步骤S4、将注入共模电压的输出电压与载波进行比较，以生成特定的PWM开关序列。

进一步地，所述步骤S1，输出的电压和电流可以表示为：

其中，和分别代表赋值为1的电压和电流，ωt∈[0,2π]是1相电压的相角，m∈[0,1.05]是调制度，I_m是相电流的峰值，是负载的功率因数角，u_dc是直流侧母线电压；

进一步地，所述步骤S2，各相被钳位至正或负母线的区间，三电平变流器输出的电压u₁的区间具体为：

u₂被钳位的正或负母线区间是在u₁正或负母线的基础上加2π/N。以此类推，可知所有相被钳位的正或负母线区间。

进一步地，所述步骤S3，注入的共模电压：

当j相被钳位至正母线时，注入的共模电压表示为：

当j相被钳位至负母线时，注入的共模电压表示为：

根据上述内容，可以得到一个基波周期内的共模电压表达式，且u_com是以2π/N为周期的函数，对其进行傅里叶分析：

进一步地，所述步骤S4，注入共模电压后的输出电压：

将得到的输出电压，上下三角载波比较，即可得到开关序列。当输出电压值大于上下三角载波值时，输出1电平；当输出电压值小于上下三角载波值时，输出-1电平；当输出电压值介于上下三角载波值之间时，输出0电平；

本发明的有益效果在于：

1)说明了奇数相三电平变流器在稳态运行时中点电压自平衡的一个充分条件是注入的共模电是奇数相的奇数倍频；

2)将三相三电平变流器的四种非连续调制策略拓展是奇数相，并说明其存在的可能性。

附图说明

图1是本发明非连续脉宽调制方法及其存在性的流程图；

图2是本发明中点钳位型N相三电平变流器的主电路图；

图3是DPWMI非连续调制策略的波形图；

图4是DPWMII非连续调制策略的波形图；

图5是DPWMIII非连续调制策略的波形图；

图6是DPWMIV非连续调制策略的波形图；

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

本实施例提供了五相三电平变流器的非连续脉宽调制方法及其存在性，如图1所示，首先采集五相三电平变流器输出的电压和电流，根据各相被钳位至正或负母线的区间，得到在一个基波周期内注入共模电压后的输出电压，将得到的输出电压与载波进行比较，以生成特定的PWM开关序列，按如下步骤进行：

步骤S1、采集五相三电平变流器输出的电压u₁、u₂、u₃、u₄和u₅，输出电流i₁、i₂、i₃、i₄和i₅；

其中，和分别代表赋值为1的电压和电流，ωt∈[0,2π]是1相电压的相角，m∈[0,1.05]是调制度，Im是相电流的峰值，是负载的功率因数角，u_dc是直流侧母线电压；

上表所述是以u₁为例，其余各相被钳位的正或负母线的区间同样可以得到。

步骤S3、根据各相被钳位至正或负母线的区间,求得在一个基波期内注入的共模电压，并对共模电压进行傅里叶分析；

当j相被钳位至正母线时，注入的共模电压表示为：

当j相被钳位至负母线时，注入的共模电压表示为：

步骤S4、将注入共模电压后的输出电压与载波进行比较，以生成特定的PWM开关序列。

注入共模电压后的各相电压表示为：

将共模电压进行傅里叶分析，以DPWMI为例，当n为偶数时：

a₀＝0，a_n＝0，b_n＝0

当n为奇数时,

其中N＝5，由上述分析知，注入的共模电压不含直流分量和5的偶数倍频，只含有5的奇数倍频。DPWMII、DPWMIII和DPWMIV也有相同的结论。

将得到的输出电压，上下三角载波比较，即可得到开关序列。当输出电压值大于上下三角载波值时，输出1电平；当输出电压值小于上下三角载波值时，输出-1电平；当输出电压值介于上下三角载波值之间时，输出0电平。

如图2所示，以负母线作为参考点，将1电平定义为S1和S2管导通，输出电压为u_C1；0电平定义为S2和S3管导通，输出电压为0；-1电平定义为S3和S4管导通，输出电压为-u_C2；为了便于分析，可以认为三相电流的值和方向在一个载波周期中几乎是恒定的。本文规定，相电流从变流器流出为正方向。

实施例2

说明奇数相(N)三电平变流器在稳态运行时中点电压自平衡的一个充分条件：当向正弦调制波中注入式1中的零序电压时，中点电压能在[θ,θ+2π/N]内达到自平衡，自平衡周期为2π/N，中点电压表现出基波的N倍频波动。

j相引入的平均中点电流为：

中点电压与中点电流的关系表示为：

其中C1和C2是上下电容容值，为中点电压变化函数的标幺值；

当注入的共模电压是N的奇数倍频时，即

在ωt＝θ时第j相引入的中点电流：

在ωt＝θ+π/N时第k相引入的中点电流：

当j、k满足如下关系时：

可以得到：

该式说明在ωt＝θ时第j相引入的中点电流能在ωt＝θ+π/N时被第k相引入的中点电流抵消。同样可以得到：

考虑所有相的情况，即存在如下关系：

进而可以得到

实施例3

结合图3-6，分别给出了扩展到五相三电平变流器的四种非连续调制策略的波形图，其中包括在两个基波周期内，注入共模电压的波形，注入共模电压后的波形，PWM波形，中点电压波形以及注入共模电压的频谱分析。从图中可以看出，四种非连续调制策略下分别被钳位至正和负母线时的区间，注入的共模电压是以2π/5为周期的周期函数，经过傅里叶分析得到的频谱，只含有5、15、25等5的奇数倍频，中点电压能在[θ,θ+2π/5]内达到自平衡，自平衡周期为2π/5，中点电压表现出基波的5倍频波动，满足本发明所说的五相三电平变流器在稳态运行时中点电压自平衡的一个充分条件是注入的零序电压是5的奇数倍频。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S1，输出的电压和电流表示为：

其中，和分别代表赋值为1的电压和电流，ωt∈[0,2π]是1相电压的相角，m∈[0,1.05]是调制度，I_m是相电流的峰值，是负载的功率因数角，u_dc是直流侧母线电压。

3.根据权利要求2所述的奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S2，各相被钳位至正或负母线的区间，三电平变流器输出的电压u₁的区间具体为：

根据上述内容，三电平变流器输出的电压u₂被钳位的正或负母线区间是在u₁正或负母线的基础上加2π/N，以此类推，得出所有相被钳位的正或负母线区间。

4.根据权利要求3所述的奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S3，注入的共模电压：

当j相被钳位至正母线时，注入的共模电压表示为：

当j相被钳位至负母线时，注入的共模电压表示为：

其中，u_j为三电平变流器输出的j相电压，j＝1、2……N；

5.根据权利要求4所述的奇数相三电平变流器的非连续脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S4，注入共模电压后的输出电压：

将得到的输出电压，上下三角载波比较，即可得到开关序列，当输出电压值大于上下三角载波值时，输出1电平；当输出电压值小于上下三角载波值时，输出-1电平；当输出电压值介于上下三角载波值之间时，输出0电平。