CN111030496B - 一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法，该方法包括以下步骤：（1）、采用最近电平逼近的原理，通过对正弦调制电压信号向下逼近取整产生一个与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号；（2）、将（1）步骤中所产生的阶梯波信号与正弦调制信号作差，得到新的调制信号；（3）、根据SPWM的控制原理，结合（2）步骤中新的调制信号，采用频率可变的三角载波信号与该新的调制信号进行比较，获得一系列PWM脉冲信号；（4）、将（1）中得到的阶梯波与（3）中获得的PWM脉冲信号进行叠加，获得最终的调制信号，应用到模块化多电平变流器的子模块投切控制中去。一定程度上减小了开关频率，降低了功率损耗，延长了开关器件的使用寿命。

Description

一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法
技术领域
本发明设计一种模块化多电平变流器的变载波频率的混合调制策略，属于电力电子领域。
背景技术
模块化多电平变流器由于内部结构的对称性，以及子模块易于扩展、容错性能强、稳定可靠、控制灵活、运行效率高等特点，在柔性直流输电以及能源互联网关键设备——固态变压器等能源领域的应用越来越广泛。不同于传统的两电平、三电平VSC型变流器，在调制策略的控制下，每个桥臂拥有N个子模块的模块化多电平变流器可以输出N+1型电平，输出的电压波形更加接近于正弦调制信号。
模块化多电平拓扑结构的调制策略就是如何通过投入、切除子模块来使输出的交流电压逼近调制波。传统的调制策略主要有载波移相脉冲宽度调制(CPS-PWM)、最电平逼近(NLM)、空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)等，目前，在工程应用的比较多的主要是载波移相脉冲宽度调制策略和最近电平逼近策略，其中，最近电平逼近策略主要应用在电压等级较高，子模块个数较多，电平数较多的领域；在中低压领域，载波移相脉宽调制策略应用较多，但是，载波移相脉宽调制策略开关频率较高，造成功率损耗大，开关器件使用寿命短等实际问题。传统的混合调制策略虽然结合了最近电平调制策略与载波移相脉宽调制策略的特点，采用普通的载波信号与调制信号作比较得到相应的PWM脉冲信号，但是随着调制比的改变调制信号的幅值会发生变化，相应的PWM信号与阶梯波叠加形成的调制结果还存在一些误差。因此，在中低压领域，需要给基于模块化多电平拓扑结构的变流器提供一种更加合理，控制更加精确的调制方法。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法，其目的是为了改善当前中低压领域模块化多电平变流器的调制策略的调制效果，解决以往所存在的问题。
技术方案：
一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
(1)、采用最近电平逼近的原理，通过对正弦调制电压信号向下逼近取整产生一个与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号；
(2)、将(1)步骤中所产生的阶梯波信号与正弦调制信号作差，得到新的调制信号；
(3)、根据SPWM的控制原理，结合(2)步骤中新的调制信号，采用频率可变的三角载波信号与该新的调制信号进行比较，获得一系列PWM脉冲信号；
(4)、将(1)中得到的阶梯波与(3)中获得的PWM脉冲信号进行叠加，获得最终的调制信号，应用到模块化多电平变流器的子模块投切控制中去。
(1)步骤最近电平调制策略中，对换流器进行分析，得出单相上、下桥臂的正弦调制电压信号：
Figure BDA0002333412960000031
式2中，Uap和Uan分别是a相上桥臂和下桥臂的调制信号，m是电压调制比，一般取值范围是0到1，Udc是变流器直流母线两端的直流电压值，ω是角频率，t是时间；
一般满足如下关系：
ω＝2πf，其中f＝50Hz；
对上、下桥臂调制电压信号进行向下取整，得到：
Figure BDA0002333412960000032
式3中，floor()是向下取证函数，Nap和Nan分别是a相上下桥臂的子模块的驱动信号，在任意时刻每相投入运行的子模块个数总是为N。
一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制系统，该系统包括阶梯波信号产生模块、作差模块、PWM脉冲信号获得模块和最终的调制信号获得模块；
阶梯波信号产生模块采用最近电平逼近的原理，通过对正弦调制电压信号向下逼近取整产生一个与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号；
作差模块将阶梯波信号产生模块中所产生的阶梯波信号与正弦调制信号作差，得到新的调制信号；
PWM脉冲信号获得模块根据SPWM的控制原理，结合作差模块中新的调制信号，采用频率可变的三角载波信号与该新的调制信号进行比较，获得一系列PWM脉冲信号；
最终的调制信号获得模块将阶梯波信号产生模块中得到的阶梯波与PWM脉冲信号获得模块中获得的PWM脉冲信号进行叠加，获得最终的调制信号。
优点效果：
本发明提供一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法，本发明模块化多电平变载波频率混合调制策略的特点将按如下步骤进行：
步骤1：采用最近电平逼近的原理对模块化多电平变流器进行调控，以a相为例，得到a相上、下桥臂的控制脉冲信号。
Figure BDA0002333412960000041
式(1)中，floor()函数是向下取整函数，N是每个桥臂含有的子模块的个数，m是输出信号的电压调制比，一般m的取值范围是0到1，Nap和Nan分别是任意时刻上下桥臂应该投入运行的子模块的个数。
步骤2：将步骤1中对正弦调制信号向下逼近取整得到的阶梯波形，与调制信号作差得到新的调制信号。
新的调制信号的作用主要体现在：中低压领域，最近电平逼近法的开关频率要比载波移相脉宽调制法低得多，但是输出电压的谐波含量比载波移相脉宽调制多。因此，人为改变取整方式并产生新的调制信号是结合了上述两种方法的优点，同时又相对地避免了两种方法的缺点，这种方法也被称作混合调制。
步骤3：将新的调制信号与频率可变的三角载波信号作差得到对应的PWM脉冲信号，为了实现对正弦调制信号的精确拟合，将这个脉冲信号与阶梯波叠加产生整个桥臂子模块的驱动信号。
叠加到阶梯波的PWM信号是根据调制信号的实际变化，对子模块驱动信号的一种修正。
本发明在继承了传统的调制策略的基础上，降低了开关的开关频率，减少了系统的功率损耗，在延长了器件的使用寿命的前提下，有又保证了对调制信号的精确拟合，并且有效地抑制了变流器输出电压的谐波含量和总畸变率。
与传统的混合调制策略相比，本发明的技术优势主要体现在：调制比m的变化会改变调制信号的幅值，从而会影响阶梯波在波峰和波谷的变化速度，本发明采用频率可变的三角载波信号可以根据实际变化情况，产生更加精确的PWM叠加信号，在保证了子模块驱动信号精确性的基础上，一定程度上减小了开关频率，降低了功率损耗，延长了开关器件的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是基于MMC拓扑结构的换流器主电路图；
图2是本发明所提出的调制方法的主要原理图；
图3是本发明所提出的调制方法的调制结果图。
具体实施方式
一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法，结合最近电平逼近策略，利用幅值相等、频率可变的三角载波来改善对正弦调制信号的追踪效果，该方法具体包括以下步骤：
(1)、采用最近电平逼近的原理，通过对正弦调制电压信号向下逼近取整产生一个与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号；
(2)、将(1)步骤中所产生的阶梯波信号与正弦调制信号作差，得到新的调制信号；
(3)、根据SPWM的控制原理，结合(2)步骤中新的调制信号，采用频率可变的三角载波信号与该新的调制信号进行比较，获得一系列PWM脉冲信号；
(4)、将(1)中得到的阶梯波与(3)中获得的PWM脉冲信号进行叠加，获得最终的调制信号(调制信号对应的每相桥臂上子模块的开关控制信号)，并结合电流方向(根据电流方向，对控制信号进行分配，分配方法式现有的)，应用到模块化多电平变流器的子模块投切控制中去。
(1)步骤最近电平调制策略中，对换流器进行分析，得出单相上、下桥臂的正弦调制电压信号：
Figure BDA0002333412960000061
式2中，Uap和Uan分别是a相上桥臂和下桥臂的调制信号，m是电压调制比，一般取值范围是0到1，Udc是变流器直流母线两端的直流电压值，ω是角频率，t是时间；
一般满足如下关系：
ω＝2πf，其中f＝50Hz；
对上、下桥臂调制电压信号进行向下取整，得到：
Figure BDA0002333412960000071
式3中，floor()是向下取证函数，Nap和Nan分别是a相上下桥臂的子模块的驱动信号(这个就是前面(1)中所述的得出的“与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号”)，在任意时刻每相投入运行的子模块个数总是为N。
调制信号的调制比的变化会导致(1)中阶梯波与调制信号所产生的新的调制信号在波峰和波谷的幅值会发生相应的变化，根据SPWM控制原理中等面积的原则，三角载波信号在与新的调制信号作比较的过程中，可以根据上述波峰波谷的变化来调整载波信号的频率，使产生的PWM脉冲面积与新的调制信号的误差更小，进而达到对调制信号的进一步拟合，给模块化多电平变流器的子模块提供更加精确的控制脉冲，有效地减小输出电压中谐波含量，同时，降低开关器件的开关频率，降低系统功率损耗，延长开关器件的使用寿命。
一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制系统，该系统包括阶梯波信号产生模块、作差模块、PWM脉冲信号获得模块和最终的调制信号获得模块；
阶梯波信号产生模块采用最近电平逼近的原理，通过对正弦调制电压信号向下逼近取整产生一个与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号；
作差模块将阶梯波信号产生模块中所产生的阶梯波信号与正弦调制信号作差，得到新的调制信号；
PWM脉冲信号获得模块根据SPWM的控制原理，结合作差模块中新的调制信号，采用频率可变的三角载波信号与该新的调制信号进行比较，获得一系列PWM脉冲信号；
最终的调制信号获得模块将阶梯波信号产生模块中得到的阶梯波与PWM脉冲信号获得模块中获得的PWM脉冲信号进行叠加，获得最终的调制信号。
下面，结合附图对本发明做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明主要应用的对象是低电平领域的基于MMC拓扑结构的换流器电路；具体实施过程如下：
步骤1：对换流器进行分析，得出单相上、下桥臂的调制电压信号，以a相为例：
Figure BDA0002333412960000081
式2中，Uap和Uan分别是a相上桥臂和下桥臂的调制信号，m是电压调制比，一般取值范围是0到1，Udc是变流器直流母线两端的直流电压值，ω是角频率，一般满足如下关系：
ω＝2πf，其中f＝50Hz；
对a相上、下桥臂调制信号进行向下取整，得到：
Figure BDA0002333412960000091
式3中，floor()是向下取证函数，Nap和Nan分别是a相上下桥臂应该投入运行的子模块的个数，在任意时刻每相投入运行的子模块个数总是为N。
步骤2：a相向下取整之后的输出波形如图2所示，即阶梯波。将正弦调制信号与阶梯波相减，得到新的调制信号，并对新的调制信号用频率可变的三角载波信号进行比较，得到一系列PWM波形，具体过程如图2所示。
步骤3：根据调制比m的变化，正弦调制信号与阶梯波作差形成的新的调制信号在波峰和波谷的幅值会发生变化，适当的改变三角载波在该处的频率，可以在保证调制精度的情况下，降低子模块的开关频率，减小系统功率损耗，延长器件的使用寿命。
步骤4：将对应的PWM脉冲信号叠加到向下取整产生的阶梯波上形成子模块最终的驱动信号，结果如图3所示。

Claims (3)

1.一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
(1)、采用最近电平逼近的原理，通过对正弦调制电压信号向下逼近取整产生一个与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号；
(2)、将(1)步骤中所产生的阶梯波信号与正弦调制信号作差，得到新的调制信号；
(3)、根据SPWM的控制原理，结合(2)步骤中新的调制信号，采用频率可变的三角载波信号与该新的调制信号进行比较，获得一系列PWM脉冲信号；
(4)、将(1)中得到的阶梯波与(3)中获得的PWM脉冲信号进行叠加，获得最终的调制信号，应用到模块化多电平变流器的子模块投切控制中去。
2.根据权利要求1所述的一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制方法，其特征在于：
(1)步骤最近电平调制策略中，对换流器进行分析，得出单相上、下桥臂的正弦调制电压信号：
Figure FDA0002333412950000011
式2中，Uap和Uan分别是a相上桥臂和下桥臂的调制信号，m是电压调制比，取值范围是0到1，Udc是变流器直流母线两端的直流电压值，ω是角频率，t是时间；
满足如下关系：
ω＝2πf，其中f＝50Hz；
对上、下桥臂调制电压信号进行向下取整，得到：
Figure FDA0002333412950000021
式3中，floor()是向下取整 函数，Nap和Nan分别是a相上下桥臂的子模块的驱动信号，在任意时刻每相投入运行的子模块个数总是为N。
3.一种适用于模块化多电平变流器的变载波混合调制系统，其特征在于：该系统包括阶梯波信号产生模块、作差模块、PWM脉冲信号获得模块和最终的调制信号获得模块；
阶梯波信号产生模块采用最近电平逼近的原理，通过对正弦调制电压信号向下逼近取整产生一个与正弦信号周期相同且变化趋势一致的阶梯波信号；
作差模块将阶梯波信号产生模块中所产生的阶梯波信号与正弦调制信号作差，得到新的调制信号；
PWM脉冲信号获得模块根据SPWM的控制原理，结合作差模块中新的调制信号，采用频率可变的三角载波信号与该新的调制信号进行比较，获得一系列PWM脉冲信号；
最终的调制信号获得模块将阶梯波信号产生模块中得到的阶梯波与PWM脉冲信号获得模块中获得的PWM脉冲信号进行叠加，获得最终的调制信号。
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