CN109802589A - 多电平单载波调制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电平单载波调制方法及系统，其中，方法包括以下步骤：在每个控制周期根据参考电压获取n对开关管对应的调制波的值，得到n个调制波的值，其中，n为正整数；生成幅值为n的三角载波信号，并将三角载波信号分别与n个调制波的值相比，以得到n对开关管的控制信号；针对每相，将控制信号及其互补信号输入至每相桥臂对应的开关管。该方法能够实现中点箝位型多电平变换器直流母线电容电压的自平衡，具有控制简单、计算量小以及易于实现等突出优点。

Description

多电平单载波调制方法及系统

技术领域

本发明涉及多电平变换器控制技术领域，特别涉及一种多电平单载波调制方法及系统。

背景技术

NPC(Neutral-Point Clamped，中点箝位型)多电平变换器由于使用开关器件少、功率密度高等优点，在海上风电、光伏发电等领域有广泛应用。然而随着电平数的增加，存在母线电容电压难以平衡的问题，限制了其在更高电压场合的应用。

中点箝位型变换器包括二极管箝位、T型结构等不同拓扑结构，采用二极管箝位的中点箝位型多电平变换器如图1所示，采用T型结构的中点箝位型多电平变换器如图2所示，这类拓扑都可以等效为一个如图3所示的单刀多掷开关，其输入为恒定直流电压，通过n个相同的电容将直流母线分为相等的n段，通过控制单刀多掷开关的状态可以输出n+1个电平。其难点在于如何实现这n个直流母线电容的电压平衡控制。

相关技术中，常用的调制策略包括载波层叠PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)和空间矢量PWM两种。多电平载波层叠PWM示意图如图4所示，采用n个三角载波与一个调制波作比较生成n个开关信号，具有控制简单、易于实现、谐波性能好等优点，但是无法实现全调制比和全功率因数范围内的母线电容电压平衡。空间矢量PWM随着电平数的增多，冗余矢量急剧增多，而且为实现母线电容电压平衡控制，通常需要采用多个冗余矢量合成一个虚拟矢量，不仅控制算法复杂，计算量大，编程实现也极其复杂。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种多电平单载波调制方法，该方法能够实现中点箝位型多电平变换器直流母线电容电压的自平衡，具有控制简单、计算量小以及易于实现等突出优点。

本发明的另一个目的在于提出一种多电平单载波调制系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种多电平单载波调制方法，包括以下步骤：在每个控制周期根据参考电压获取n对开关管对应的调制波的值，得到n个调制波的值，其中，n为正整数；生成幅值为n的三角载波信号，并将所述三角载波信号分别与所述n个调制波的值相比，以得到n对开关管的控制信号；针对每相，将所述控制信号及其互补信号输入至每相桥臂对应的开关管。

本发明实施例的多电平单载波调制方法，只需要一个载波、且采用多调制波的方式，每一对开关管对应一个调制波，有效避免了空间矢量PWM大量的数学运算和复杂的编程，易于实现，且具有所有中性点平均电流为零的特性，从而能够实现中点箝位型多电平变换器直流母线电容电压的自平衡，具有控制简单、计算量小以及易于实现等突出优点。

另外，根据本发明上述实施例的多电平单载波调制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调制波u_refxk为：

当0≤u_refx≤n/2时，

当n/2≤u_refx≤n时，

其中，k为正整数，k是开关管的序号，k≤n，u_refx为所述参考电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述参考电压大于三角载波时，对应开关管的控制信号为高电平，互补的开关管的控制信号为低电平；当所述参考电压小于或等于所述三角载波时，对应开关管的控制信号为低电平，互补的开关管的控制信号为高电平。

进一步地，在本发明的一个实施例中，直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值均为0。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种多电平单载波调制系统，包括：计算单元，用于在每个控制周期根据参考电压获取n对开关管对应的调制波的值，得到n个调制波的值，其中，n为正整数；三角波发生单元，用于生成幅值为n的三角载波信号；比较单元，用于将所述三角载波信号分别与所述n个调制波的值相比，以得到n对开关管的控制信号；控制单元，针对每相，用于将所述控制信号及其互补信号输入至每相桥臂对应的开关管。

本发明实施例的多电平单载波调制系统，只需要一个载波、且采用多调制波的方式，每一对开关管对应一个调制波，有效避免了空间矢量PWM大量的数学运算和复杂的编程，易于实现，且具有所有中性点平均电流为零的特性，从而能够实现中点箝位型多电平变换器直流母线电容电压的自平衡，具有控制简单、计算量小以及易于实现等突出优点。

另外，根据本发明上述实施例的多电平单载波调制系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调制波u_refxk为：

当0≤u_refx≤n/2时，

当n/2≤u_refx≤n时，

其中，k为正整数，k是开关管的序号，k≤n，u_refx为所述参考电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当所述参考电压大于三角载波时，对应开关管的控制信号为高电平，互补的开关管的控制信号为低电平；当所述参考电压小于或等于所述三角载波时，对应开关管的控制信号为低电平，互补的开关管的控制信号为高电平。

进一步地，在本发明的一个实施例中，直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值均为0。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为相关技术的二极管箝位型多电平变换器桥臂结构图；

图2为相关技术的T型多电平变换器桥臂结构图；

图3为相关技术的中点箝位型多电平变换器的等效电路示意图；

图4为相关技术的载波层叠PWM示意图；

图5为根据本发明一个实施例的多电平单载波调制方法的流程图；

图6为根据本发明一个实施例的多电平单载波调制策略示意图；

图7为根据本发明一个实施例的三电平载波调制策略实施例示意图；

图8为根据本发明一个实施例的四电平载波调制策略实施例示意图；

图9为根据本发明一个实施例的五电平载波调制策略实施例示意图；

图10为根据本发明一个实施例的六电平载波调制策略实施例示意图；

图11为根据本发明一个实施例的调制策略的二极管箝位型五电平变换器的相电压、线电压和相电流仿真波形示意图；

图12为根据本发明一个实施例的调制策略的二极管箝位型五电平变换器的四个母线电容电压仿真波形；

图13为根据本发明一个实施例的多电平单载波调制系统的机构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多电平单载波调制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的多电平单载波调制方法。

图5是本发明一个实施例的多电平单载波调制方法的流程图。

如图5所示，该多电平单载波调制方法包括以下步骤：

在步骤S501中，在每个控制周期根据参考电压获取n对开关管对应的调制波的值，得到n个调制波的值，其中，n为正整数。

可以理解的是，本发明实施例可以在每个控制周期根据参考电压u_refx计算得到所有n对开关管对应的调制波的值，其中，调制波u_refxk为：

当0≤u_refx≤n/2时，

当n/2≤u_refx≤n时，

其中，k为正整数，k是开关管的序号，k≤n，u_refx为参考电压。

在步骤S502中，生成幅值为n的三角载波信号，并将三角载波信号分别与n个调制波的值相比，以得到n对开关管的控制信号。

可以理解的是，首先生成一个幅值为n的三角载波信号，然后，将三角载波信号分别与n个调制波的值相比以获得n对开关管的控制信号。

其中，在本发明的一个实施例中，当参考电压大于三角载波时，对应开关管的控制信号为高电平，互补的开关管的控制信号为低电平；当参考电压小于或等于三角载波时，对应开关管的控制信号为低电平，互补的开关管的控制信号为高电平。

在步骤S503中，针对每相，将控制信号及其互补信号输入至每相桥臂对应的开关管。

具体而言，对于直流母线由n个电容串联的中点箝位型多电平变换器，首先假设每个电容电压相等且均为E，并以单个电容的电压作为电压基值，以直流母线负极作为地电位，则一共可以输出0,1,2，……，n共n+1个电平。每相桥臂包括n对互补的开关管，如图1和图2所示，定义为S_x1和S_x1'、S_x2和S_x2'、……以及S_xn和S_xn'，随着输出电平的增大，按照S_x1、S_x2、……以及S_xn的顺序先后依次导通。

假设桥臂输出参考电压为u_refx(x指相序号a，b或c)，其取值范围是0≤u_refx≤n。首先生成一个三角载波，其值的范围是从0到n，然后采用n个不同的调制波与三角波进行比较，如图6所示，从而可得到n个开关管S_x1、S_x2、……、S_xn及其互补的开关管S_x1'、S_x2'、……、S_xn'的控制信号。每一对互补的开关管对应一个调制波，定义第k对开关管S_xk和S_xk'对应的调制波为u_refxk，其中k＝1，2，……，n。当参考电压u_refxk大于三角载波时，对应开关管S_xk控制信号为高电平，互补的开关管S_xk'为低电平，反之开关管S_xk控制信号为低电平，互补的开关管S_xk'为高电平。S_xk控制信号在一个载波周期的占空比为：

为得到所有开关管对应的调制波，定义u_refxk如下：

当0≤u_refx≤n/2时，

则输出相电压在一个载波周期的平均值u_ox为：

当n/2≤u_refx≤n，

此时输出相电压在一个载波周期的平均值u_ox为：

由式3和5可知，不管参考电压u_refx处于什么范围，输出相电压在一个载波周期内的平均值都与参考电压相等，表明该调制策略满足伏秒平衡原则，证明了本发明实施例调制策略的正确性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值均为0。

具体而言，直流母线中性点的电流是影响直流母线电容电压平衡的唯一因素，若能够保证直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值都为0，就能够实现所有电容电压在一个基波周期内自平衡。

对于图3所示等效电路，只有当输出电平为j时，负载电流才流过中性点N_j，j＝1，2，……，n-1，因此任意中性点的电流可表示为：

当0≤u_refx≤n/2时，

当n/2≤u_refx≤n时，

其中，i_ox为x相输出电流。从式6和7可以看出，在每个载波周期内任意中性点N_j的电流i_Nxj都只与参考电压u_refx有关，也就是说所有中性点电流在每个载波周期内都相等。

假设输出电压和电流都为对称正弦波，可进一步计算任一中性点电流在一个基波周期内的平均值为：

由公式8可以看出，所有中性点电流在一个基波周期内的平均值都为0，与调制比和负载功率因数无关。也就是说，本发明实施例提出的多电平单载波调制策略在任何调制比和功率因数下都能实现中点箝位型多电平变换器的直流母线电容电压的平衡控制。

综上，首先生成一个三角载波，其值的范围是从0到n，然后采用n个不同的调制波与三角波进行比较，从而可得到n个开关管S_x1、S_x2、……以及S_xn的控制信号。通过设置合适的线性变换函数，可得到任意一对开关管S_xk和S_xk'对应的调制波u_refxk，其中k＝1，2，……，n。通过分析该调制波对应的中点电流可以推导出，直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值均为0。本发明实施例的方法控制简单、易于实现，能够实现中点箝位型多电平变换器在全调制比和全功率因数范围内的母线电容电压的自平衡。

下面将通过具体实施例对多电平单载波调制方法进行进一步阐述。

实施例1：三电平(n＝2)

对于中点箝位型三电平变换器，将n＝2代入公式2和4可得：

假设u_refx为对称正弦波形，根据公式9可画出此时的参考电压、各个开关的控制信号以及输出相电压如图6所示。从图7可看出，此时的调制策略与传统的三电平载波层叠调制策略完全等效，进一步验证了本发明实施例调制策略的正确性。

实施例2：四电平(n＝3)

对于中点箝位型四电平变换器，将n＝3代入公式2和4可得：

假设u_refx为对称正弦波形，根据公式10可画出此时的参考电压、各个开关的控制信号以及输出相电压如图8所示。可看出输出相电压波形为4电平。

实施例3：五电平(n＝4)

对于中点箝位型五电平变换器，将n＝4代入公式2和4可得：

假设u_refx为对称正弦波形，根据公式11可画出此时的参考电压、各个开关的控制信号以及输出相电压如图9所示，因此，可看出输出相电压波形为5电平。

实施例4：六电平(n＝5)

对于中点箝位型六电平变换器，将n＝5代入公式2和4可得：

假设u_refx为对称正弦波形，根据公式可画出此时的参考电压、各个开关的控制信号以及输出相电压如图10所示，因此，可看出输出相电压波形为6电平。

仿真验证：为了验证本发明调制策略与母线电容电压平衡控制方法的正确性，搭建了一套五电平中点箝位型逆变器仿真模型并进行仿真验证，仿真参数为：直流母线电压200V，母线单个电容容量C_d＝1000μF，载波频率1kHz，调制比0.75，负载电阻22Ω，电感L＝10mH。

如图11所示，是采用本发明实施例的调制策略的相电压、线电压与相电流仿真波形。相电压为五电平，与图8的相电压示意图相同，线电压为九电平，电流波形正弦度好。如图12所示，是采用本发明实施例的调制策略下的直流母线电容电压仿真波形，四个母线电容电压在稳态条件下保持平衡，证明了该调制策略的正确性。

需要说明的是，本发明实施例所提出的调制策略与母线电容电压平衡控制方法适用于二极管箝位、有源中点箝位、T型多电平等多种中点箝位型多电平拓扑结构，具有相似的实现方式与控制效果。

根据本发明实施例提出的多电平单载波调制方法，只需要一个载波、且采用多调制波的方式，每一对开关管对应一个调制波，有效避免了空间矢量PWM大量的数学运算和复杂的编程，易于实现，且具有所有中性点平均电流为零的特性，从而能够实现中点箝位型多电平变换器直流母线电容电压的自平衡，具有控制简单、计算量小以及易于实现等突出优点。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的多电平单载波调制系统。

图13是本发明一个实施例的多电平单载波调制系统的结构示意图。

如图13所示，该多电平单载波调制系统10包括：计算单元100、三角波发生单元200、比较单元300和控制单元400。

其中，计算单元100用于在每个控制周期根据参考电压获取n对开关管对应的调制波的值，得到n个调制波的值，其中，n为正整数。三角波发生单元200用于生成幅值为n的三角载波信号。比较单元300用于将三角载波信号分别与n个调制波的值相比，以得到n对开关管的控制信号。控制单元400针对每相，用于将控制信号及其互补信号输入至每相桥臂对应的开关管。本发明实施例的系统10能够实现中点箝位型多电平变换器直流母线电容电压的自平衡，具有控制简单、计算量小以及易于实现等突出优点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，调制波u_refxk为：

当0≤u_refx≤n/2时，

当n/2≤u_refx≤n时，

其中，k为正整数，k是开关管的序号，k≤n，u_refx为参考电压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当参考电压大于三角载波时，对应开关管的控制信号为高电平，互补的开关管的控制信号为低电平；当参考电压小于或等于三角载波时，对应开关管的控制信号为低电平，互补的开关管的控制信号为高电平。

进一步地，在本发明的一个实施例中，直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值均为0。

需要说明的是，前述对多电平单载波调制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的多电平单载波调制系统，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的多电平单载波调制系统，只需要一个载波、且采用多调制波的方式，每一对开关管对应一个调制波，有效避免了空间矢量PWM大量的数学运算和复杂的编程，易于实现，且具有所有中性点平均电流为零的特性，从而能够实现中点箝位型多电平变换器直流母线电容电压的自平衡，具有控制简单、计算量小以及易于实现等突出优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种多电平单载波调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在每个控制周期根据参考电压获取n对开关管对应的调制波的值，得到n个调制波的值，其中，n为正整数；

生成幅值为n的三角载波信号，并将所述三角载波信号分别与所述n个调制波的值相比，以得到n对开关管的控制信号；以及

针对每相，将所述控制信号及其互补信号输入至每相桥臂对应的开关管。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调制波u_refxk为：

当0≤u_refx≤n/2时，

当n/2≤u_refx≤n时，

其中，k为正整数，k是开关管的序号，k≤n，u_refx为所述参考电压。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中，

当所述参考电压大于三角载波时，对应开关管的控制信号为高电平，互补的开关管的控制信号为低电平；

当所述参考电压小于或等于所述三角载波时，对应开关管的控制信号为低电平，互补的开关管的控制信号为高电平。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值均为0。

5.一种多电平单载波调制系统，其特征在于，包括：

计算单元，用于在每个控制周期根据参考电压获取n对开关管对应的调制波的值，得到n个调制波的值，其中，n为正整数；

三角波发生单元，用于生成幅值为n的三角载波信号；

比较单元，用于将所述三角载波信号分别与所述n个调制波的值相比，以得到n对开关管的控制信号；以及

控制单元，针对每相，用于将所述控制信号及其互补信号输入至每相桥臂对应的开关管。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调制波u_refxk为：

当0≤u_refx≤n/2时，

当n/2≤u_refx≤n时，

其中，k为正整数，k是开关管的序号，k≤n，u_refx为所述参考电压。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，其中，

当所述参考电压大于三角载波时，对应开关管的控制信号为高电平，互补的开关管的控制信号为低电平；

当所述参考电压小于或等于所述三角载波时，对应开关管的控制信号为低电平，互补的开关管的控制信号为高电平。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，直流母线所有中性点的电流在一个基波周期内的平均值均为0。