CN111416537B - 一种整流器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种整流器及其调制方法，所述整流器采用T型三电平整流器拓扑结构，所述方法分为两个部分：第一部分是开关状态的产生，通过把调制波分成两部分，分别与两种三角载波比较来决定开关器件的状态；第二部分是中点电位平衡控制方法；通过检测电容电压的差值和进网电流方向，对调制波进行适当调整来达到中点电位平衡的目的。本发明所述方法能在一定程度上减少运行成本，并且在进行三线制与四线制的电路数据比较中可以作为不变量，具有很好的现实意义；同时在某些需要三相三线切换三相四线或者三相四线切换三相四线三电平整流器中可以平滑转换，不用再改变其调制方法。

Description

一种整流器及其调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种整流器及其调制方法。
背景技术
在三电平三相整流器中，常用的调制方法有载波调制与脉冲调制。调制方法是使一种波形的某些特性按另一种波形或信号而变化的过程或处理方法。三电平整流器是把交流电转换成直流电的装置，可用于供电装置及侦测无线电信号等。
在低压配电网中，输电线路常采用三相三线制和三相四线制两种接法，电力电子设备接入配电网中，应能同时适应于两种接线方式。三相三线制与三相四线制的主要区别在于三相四线比三相三线多了一根电源中性线。电力系统高压架空线路一般采用三相三线制，在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制。整流器作为电力电子装置与电网的接口设备，应用范围很广。在三电平电路中，以三相三线制或三相四线制为基础的研究占多数，因此研究一种能同时适用于两种接线方式的调制方法是有必要的。
目前，三电平整流器传统的调制方法，如载波调制方法、消除谐波PWM方法、开关优化PWM方法、空间电压矢量PWM等只单独适用于三相三线制或者三相四线制三电平整流器。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的缺少同时适用于三相三线制和三相四线制接线方式的调制的缺陷，提供一种整流器及其调制方法。
所述整流器包括开关K，电容C1，电容C2，12个开关管：Qa1、Qa2、Qa3、Qa4、Qb1、Qb2、Qb3、Qb4、Qc1、Qc2、Qc3、Qc4；
所述整流器包括3个输入点，用来与三相电的各相连接，三个输入点分别与Qa2的集电极、Qb2的集电极、Qc2的集电极连接；
开关K的一端用来与三相电的中性点连接，另一端分别与电容C1的负极、电容C2的正极、Qa3的集电极、Qb3的集电极、Qc3的集电极连接；
Qa3的发射极与Qa2的发射极连接；
Qb3的发射极与Qb2的发射极连接；
Qc3的发射极与Qc2的发射极连接；
Qa1的发射极与Qa2的集电极连接；
Qb1的发射极与Qb2的集电极连接；
Qc1的发射极与Qc2的集电极连接；
Qa1的集电极、Qb1的集电极、Qc1的集电极分别与电容C1的正极连接；
Qa4的集电极与Qa2的集电极连接；
Qb4的集电极与Qb2的集电极连接；
Qc4的集电极与Qc2的集电极连接；
Qa4的发射极、Qb4的发射极、Qc4的发射极分别与电容C2的负极连接；
所述整流器上设有正极输出点与负极输出点，正极输出点与电容C1的正极连接，负极输出点与电容C2的负极连接。
优选地，所述开关管为IGBT或MOSFET。
本发明还提供一种应用于所述整流器的调制方法，所述方法包括以下步骤：
S1：确定整流器拓扑结构；
S2：通过把调制波分成两部分，确定各相开关状态；
S3：将分别调制波的两部分分别与两种三角载波进行比较，确定开关器件的状态；(所述两种三角载波为两种与正负调制波类似的正负三角载波)。
S4：通过检测电容电压的差值和进网电流方向，对调制波进行调整来达到中点电位平衡的目的。
当配电网中使用该调制方法，而因电网需求，会存在三相三线制和三相四线制的接线方式，因此该调制方法能在一定程度上减少运行成本，并且在进行三线制与四线制的电路数据比较中可以作为不变量，具有很好的现实意义。同时在某些需要三相三线切换三相四线或者三相四线切换三相四线三电平整流器中可以平滑转换，不用再改变其调制方法。
优选地，S1具体为：
确定整流器拓扑结构，所述拓扑结构中Qa2的集电极与三相电的A相连接、Qb2的集电极与三相电的B相连接、Qc2的集电极与三相电的C相连接；
直流侧电压为Udc,直流侧电容C1和C2的值相等为C，理想情况下C1和C2的电压为Udc1＝Udc2＝Udc/2，a、b、c各相滤波电感值为L，R为滤波电感的等效电阻，io为中点电流，if为中性线电流。
优选地，为了简化分析，所述方法将三相电路看成三个单相构成，以a相为例，b相、c相类似，S2具体包括以下步骤：
S2.1：设C1和C2的电压为Udc1和Udc2，ia>0；
S2.2：对电路产生的调制波Uam、Ubm和Ucm进行分析；
S2.3：把调制波Uam分为两部分，分别是正调制波Ump、负调制波Umn，然后把正调制波Ump与正三角载波Uc1比较，负调制波Umn与负三角载波Uc2比较来产生各开关管开关状态；
S2.4：对调制波进行归一化处理，另m＝Uam/Up,Uam为调制波的幅值，Up为载波的峰值，m为调制度；归一化后正三角载波Uc1的幅值是0到1，周期为T；负三角载波Uc2的幅值是-1到0，周期也为T。
优选地，调制波Uam、Ubm和Ucm产生原理为：给定电压Udc *与直流侧电压Udc做偏差后经过PI调节，得出的值与经过锁相(PLL)的三相电压相乘作为三相电流的给定，然后三相给定电流再与实际的三相电流做偏差后经过PI调节，得出的值与三相电压做偏差后得到调制波Uam、Ubm和Ucm。
调制波与经过滤波(LPF)的Udc1和Udc2的偏差值作为调制方法的参数输入。最后经过本发明调制方法产生开关管的开关信号。
优选地，a相开关状态如下表所示：
U<sub>a</sub> Q<sub>a1</sub> Q<sub>a2</sub> Q<sub>a3</sub> Q<sub>a4</sub> S<sub>a</sub>
+U<sub>dc</sub>/2 ON ON OFF OFF P
0 OFF ON ON OFF O
-U<sub>dc</sub>/2 OFF OFF ON ON N
P状态时，Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断；O状态时，Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断；N状态时，Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断；
其中，Sa为a相开关状态。
优选地，S3具体为：
(1)Ump>Uc1且Umn>Uc2时，Sa开关状态为P，即两个调制波都大于它们所比较的三角载波时，Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断；
(2)Ump>Uc1且Umn<Uc2，或者Ump<Uc1且Umn>Uc2时，Sa开关状态为O，即两个调制波其中有一个大于它所比较的三角载波且一个小于它所比较的三角载波时，Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断；
(3)Ump<Uc1且Umn<Uc2时，Sa开关状态为N，即两个调制波都小于它们所比较的三角载波时，Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断。
优选地，S4包括：
S4.1：根据调制波Um正负、电容电压Udc1和Udc2的大小，a相电流is方向进行中点电位控制状态进行分类；具体分为以下几种状态：
状态1：Um>0，is>0，Udc1<Udc2；
状态2：Um>0，is>0，Udc1>Udc2；
状态3：Um>0，is<0，Udc1>Udc2；
状态4：Um>0，is<0，Udc1<Udc2；
状态5：Um<0，is<0，Udc1>Udc2；
状态6：Um<0，is<0，Udc1<Udc2；
状态7：Um<0，is>0，Udc1<Udc2；
状态8：Um<0，is>0，Udc1>Udc2；
S4.2：对中点电位控制各状态进行具体状态分析：
(1)状态1(Um>0,is>0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小。
该状态下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间；
在三相三线制中，使得流入中点的电流减小；在三相四线制中，给电容C1进行充电，给电容C2进行放电。从而实现中点电位平衡的控制。
(2)状态2(Um>0,is>0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在两种开关状态P和O。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响。
该状态下中点电位控制方法是将正调制波Ump下移，使得状态P的作用时间减小，状态O的作用时间增大，从而实现中点电位的控制。
(3)状态3(Um>0,is<0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加。
该状态下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间；
对三相三线制来说，使得流出中点的电流减小。对于三相四线制来说，给电容C2进行充电，给电容C1进行放电。从而实现中点电位的控制。
(4)状态4(Um>0,is<0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在两种开关状态P和O。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响。
该状态下中点电位控制方法是将正调制波Ump下移，使得状态P的作用时间减小，状态O的作用时间增大，从而实现中点电位的控制。
(5)状态5(Um<0,is<0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加。
该状态下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间；
对三相三线制来说，使得流出中点的电流减小；对于三相四线制来说，给电容C2进行充电，给电容C1进行放电。从而实现中点电位平衡的控制。
(6)状态6(Um<0,is<0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在两种开关状态O和N。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，不影响中点电位。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加。
该状态下中点电位控制方法是将负调制波Umn上移，使得状态O的作用时间增大，状态N的作用时间减小，从而实现中点电位的控制。
(7)状态7(Um<0,is>0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小。
该状态下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间。对三相三线制来说，使得流入中点的电流减小。对于三相四线制来说，给电容C1进行充电，给电容C2进行放电。从而实现中点电位平衡的控制。
(8)状态8(Um<0,is>0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在两种开关状态O和N。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，该状态给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小。
该状态下中点电位控制方法是将负调制波Umn上移，使得状态O的作用时间增大，状态N的作用时间减小，从而实现中点电位的控制。
通过对这8种情况的控制，使得本发明的调制方法的中点电位平衡适用于三相三线制与三相四线制。
优选地，调制波的“上移”和“下移”幅值由中点平衡计算得出。
优选地，中点平衡的计算公式表达如下：
调制波Um为：
Um＝Ump+Umn
其中Ump≥0，Umn≤0。
当Um≥0时，Ump＝Um且Umn＝0；当Um<0时，Ump＝0且Umn＝Um。
偏移后的调制波Ump＇和Umn＇为：
Ump′＝Ump+Uoff
Umn′＝Umn-Uoff
其中Uoff为偏移量，令ΔU＝Udc1-Udc2
Uoff＝-k*|ΔU|*sign(ΔU*is)
Uoff可取正负或者零，在两个sign函数里的变量决定了负调制波Umn正调制波Ump的“上移”和“下移”，具体分为8个状态。
sign为取正负零的函数，k为偏移系数，该偏移系数能改变开关状态从而影响中点平衡。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明采用T型三电平整流器拓扑结构，并通过检测电容电压的差值和进网电流方向，对调制波进行适当调整来达到中点电位平衡的目的。本发明所述方法能在三相三线切换三相四线或者三相四线切换三相四线三电平整流器中可以平滑转换，不用再改变其调制方法。
附图说明
图1为实施例1所述整流器拓扑图。
图2为三相三线制a相电路图。
图3为三相四线制a相电路图。
图4为闭环控制器方框图。
图5为正调制波Ump和负调制波Umn。
图6为PWM控制波形图。
图7为Um>0,is>0,Udc1<Udc2和Um>0,is<0,Udc1>Udc2的开关状态变化示意图。
图8为Um>0,is>0,Udc1>Udc2和Um>0,is<0,Udc1<Udc2的开关状态变化示意图。
图9为Um<0,is<0,Udc1>Udc2和Um<0,is>0,Udc1<Udc2的开关状态变化示意图。
图10为Um<0,is<0,Udc1<Udc2和Um<0,is>0,Udc1>Udc2的开关状态变化示意图。
图11为三相三线制切换三线四线制时直流侧电压Udc的仿真图。
图12三相三线制切换三线四线制时电容电压Udc1和Udc2的仿真图。
图13为三相三线制切换三线四线制时中性线电流if的仿真图
图14为三相三线制切换三线四线制时直流侧电压与A相电压和电流(功率因数0.9999)的仿真图。
图15为三相三相三线制切换三线四线制时三相电流与A相电压(功率因数0.9999)的仿真图。
图16为三相三线制接线方式下电容电压Udc1和Udc2的仿真图。
图17为三相四线制接线方式下电容电压Udc1和Udc2的仿真图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种整流器，如图1所示，所述整流器包括开关K，电容C1，电容C2，12个开关管：Qa1、Qa2、Qa3、Qa4、Qb1、Qb2、Qb3、Qb4、Qc1、Qc2、Qc3、Qc4；
本实施例中的开关管采用IGBT开关管。
所述整流器包括3个输入点，用来与三相电的各相连接，三个输入点分别与Qa2的集电极、Qb2的集电极、Qc2的集电极连接；
开关K的一端用来与三相电的中性点连接，另一端分别与电容C1的负极、电容C2的正极、Qa3的集电极、Qb3的集电极、Qc3的集电极连接；
Qa3的发射极与Qa2的发射极连接；
Qb3的发射极与Qb2的发射极连接；
Qc3的发射极与Qc2的发射极连接；
Qa1的发射极与Qa2的集电极连接；
Qb1的发射极与Qb2的集电极连接；
Qc1的发射极与Qc2的集电极连接；
Qa1的集电极、Qb1的集电极、Qc1的集电极分别与电容C1的正极连接；
Qa4的集电极与Qa2的集电极连接；
Qb4的集电极与Qb2的集电极连接；
Qc4的集电极与Qc2的集电极连接；
Qa4的发射极、Qb4的发射极、Qc4的发射极分别与电容C2的负极连接；
所述整流器上设有正极输出点与负极输出点，正极输出点与电容C1的正极连接，负极输出点与电容C2的负极连接。
实施例2：
本实施例提供一种整流器的调制方法，所述方法应用于实施例1所述整流器，所述方法包括以下步骤：
S1：确定整流器的电路拓扑结构。本实施例基于实施例1所述整流器，所述电路拓扑为三相四线制三相T型三电平整流器拓扑，如图1所示。直流侧电压为Udc,直流侧电容C1和C2的值相等为C，理想情况下C1和C2的电压为Udc1＝Udc2＝Udc/2，abc相滤波电感值为L，R为滤波电感的等效电阻，io为中点电流，if为中性线电流。
S2：通过把调制波分成两部分，确定各相开关状态。
首先，为了简化分析，将三相电路看成三个单相构成。三相三线制与三相四线制某一相的电路图如图2和图3所示，以a相为例，其它两相b,c类似。C1和C2的电压为Udc1和Udc2，a相电流ia方向如图1所示，ia>0。对电路产生的调制波进行分析，其中调制波Uam、Ubm和Ucm产生原理由闭环控制器给出(如图4所示)。
其次，把调制波Uam分为两部分，分别是正调制波Ump、负调制波Umn，正调制波Ump如图5实线所示，负调制波Umn如图5虚线所示。然后把正调制波Ump与正三角载波Uc1比较，负调制波Umn与负三角载波Uc2比较来产生开关管开关状态，如图6所示。
为了简化分析，对调制波进行归一化处理，另m＝Uam/Up,Uam为调制波的幅值，Up为载波的峰值，m为调制度。归一化后正三角载波Uc1的幅值是0到1，周期为T；负三角载波Uc2的幅值是-1到0，周期也为T。具体开关状态如下：
表1：a相开关状态表
Q<sub>a1</sub> Q<sub>a2</sub> Q<sub>a3</sub> Q<sub>a4</sub> S<sub>a</sub><!-- 7 -->
+U<sub>dc</sub>/2 ON ON OFF OFF P
0 OFF ON ON OFF O
-U<sub>dc</sub>/2 OFF OFF ON ON N
表1为a相开关状态表，与传统的三电平逆变器调制方法的开关状态一样，P状态时，Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断；O状态时，Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断；N状态时，Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断。
其中，Sa为a相开关状态。
S3：开关状态情况的判定。本实施例调制波与三角载波比较后的Sa开关状态分为以下情况：
(1)Ump>Uc1且Umn>Uc2时，Sa开关状态为P，即两个调制波都大于它们所比较的三角载波时，Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断；
(2)Ump>Uc1且Umn<Uc2，或者Ump<Uc1且Umn>Uc2时，Sa开关状态为O，即两个调制波其中有一个大于它所比较的三角载波且一个小于它所比较的三角载波时，Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断；
(3)Ump<Uc1且Umn<Uc2时，Sa开关状态为N，即两个调制波都小于它们所比较的三角载波时，Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断。
原理如图3所示。
S4：通过检测电容电压的差值和进网电流方向，对调制波进行调整来达到中点电位平衡的目的。
根据调制波Um正负、电容电压Udc1和Udc2的大小，a相电流is方向进行中点电位控制的分析，分析能同时适用三相三线与三相四线的原理。
首先，先对上述的条件进行分类，一共分为8种情况，如下表2所示：
表2：中点电位控制的状态分析表
Figure BDA0002437555460000111
Figure BDA0002437555460000121
其次，对这8种状态分析，中点电位控制具体状态分析如下：
(1)状态1(Um>0,is>0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，根据图3，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小。
控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间。对三相三线制来说，使得流入中点的电流减小。对于三相四线制来说，给电容C1进行充电，给电容C2进行放电。从而实现中点电位平衡的控制，如图7所示。
(2)状态2(Um>0,is>0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在两种开关状态P和O。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，根据图3，对中点电位O无影响。
控制方法是将正调制波Ump下移，使得状态P的作用时间减小，状态O的作用时间增大，从而实现中点电位的控制，如图8所示。
(3)状态3(Um>0,is<0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，根据图3，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加。
控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间。对三相三线制来说，使得流出中点的电流减小。对于三相四线制来说，给电容C2进行充电，给电容C1进行放电。从而实现中点电位的控制，如图7所示。
(4)状态4(Um>0,is<0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在两种开关状态P和O。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，根据图3，对中点电位O无影响。
控制方法是将正调制波Ump下移，使得状态P的作用时间减小，状态O的作用时间增大，从而实现中点电位的控制，如图8所示。
(5)状态5(Um<0,is<0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，根据图3，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加。
控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间。对三相三线制来说，使得流出中点的电流减小。对于三相四线制来说，给电容C2进行充电，给电容C1进行放电。从而实现中点电位平衡的控制，如图9所示。
(6)状态6(Um<0,is<0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在两种开关状态O和N。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，根据图3，不影响中点电位。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加。
控制方法是将负调制波Umn上移，使得状态O的作用时间增大，状态N的作用时间减小，从而实现中点电位的控制，如图10所示。
(7)状态7(Um<0,is>0,Udc1<Udc2)。
该状态下存在三种开关状态P、O和N。
P状态时(Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，根据图3，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小。
控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间。对三相三线制来说，使得流入中点的电流减小。对于三相四线制来说，给电容C1进行充电，给电容C2进行放电。从而实现中点电位平衡的控制，如图9所示。
(8)状态8(Um<0,is>0,Udc1>Udc2)。
该状态下存在两种开关状态O和N。
O状态时(Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，根据图3，对中点电位O无影响。
N状态时(Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断)：三相三线制中，根据图2，该状态对中点电位O无影响；而三相四线制中，根据图3，该状态给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小。
控制方法是将负调制波Umn上移，使得状态O的作用时间增大，状态N的作用时间减小，从而实现中点电位的控制，如图10所示。
通过对这8种情况的控制，使得本实施例所述调制方法的中点电位平衡适用于三相三线制与三相四线制。
调制波的上移和下移的幅值由中点平衡计算得出。
最后，为实现上诉8种状态，中点平衡的计算公式表达如下：
调制波Um为：
Um＝Ump+Umn
其中Ump≥0，Umn≤0。
当Um≥0时，Ump＝Um且Umn＝0；当Um<0时，Ump＝0且Umn＝m。
在状态2和状态4中，仅调节正调制波Ump；在状态6和状态8中，仅调节负调制波Umn。
偏移后的调制波Ump＇和Umn＇为，
Ump′＝Ump+Uoff
Umn′＝Umn-Uoff
其中Uoff为偏移量，令ΔU＝Udc1-Udc2
Uoff＝-k*|ΔU|*sign(ΔU*is)
Uoff可取正负或者零，在两个sign函数里的变量决定了负调制波Umn正调制波Ump的“上移”和“下移”，具体分为8个状态。
sign为取正负零的函数，k为偏移系数，该偏移系数能改变开关状态从而影响中点平衡。
本实施例的三电平整流器的调制方法能同时适用于三相三线制与三相四线制的主要原因是三相三线制中影响中点电位平衡的开关状态是O状态，而三相四线制中影响中点电位平衡的开关状态是P和N状态。通过理论分析，取一定的偏移系数k，改变P、O、N开关状态，能够使得在两种接线方式下也能够适用本发明的调制方法。
仿真实施方式如下：
采用T型三电平整流器拓扑结构，使用matlab的simulink仿真。
仿真参数如下：
Figure BDA0002437555460000161
Figure BDA0002437555460000171
三相平整流器初始工作于三相三线制状态，仿真设置在0.4秒时从三相三线制切换到三相四线制，仿真结果图为图11-图17。
根据仿真波形图11、12、13，在0.4秒时从三相三线制切换到三相四线制时，直流侧电压、交流侧电压电流无明显变化，而中性线电流的产生表明切换到三相四线制。根据图14、15，两种接线方式下，三相三电平整流器都能实现直流输出侧电压恒定，交流输入侧电流波形正弦且保证输入测为单位功率因数。
为了验证三相三线制和三相四线制两种接线方式下，所提的调制方法能保证中点电位平衡，做了两个仿真实验，电容电压初始值Udc1＝0V，Udc2＝700V，仿真结果如图16、17所示。
仿真结果可知，两种接线方式都能使得电容电压Udc1和Udc2最终稳定在350V左右波动。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种整流器，其特征在于，所述整流器包括开关K，电容C1，电容C2，12个开关管：Qa1、Qa2、Qa3、Qa4、Qb1、Qb2、Qb3、Qb4、Qc1、Qc2、Qc3、Qc4；
所述整流器包括3个输入点，用来与三相电的各相连接，三个输入点分别与Qa2的集电极、Qb2的集电极、Qc2的集电极连接；
开关K的一端用来与三相电的中性点连接，另一端分别与电容C1的负极、电容C2的正极、Qa3的集电极、Qb3的集电极、Qc3的集电极连接；
Qa3的发射极与Qa2的发射极连接；
Qb3的发射极与Qb2的发射极连接；
Qc3的发射极与Qc2的发射极连接；
Qa1的发射极与Qa2的集电极连接；
Qb1的发射极与Qb2的集电极连接；
Qc1的发射极与Qc2的集电极连接；
Qa1的集电极、Qb1的集电极、Qc1的集电极分别与电容C1的正极连接；
Qa4的集电极与Qa2的集电极连接；
Qb4的集电极与Qb2的集电极连接；
Qc4的集电极与Qc2的集电极连接；
Qa4的发射极、Qb4的发射极、Qc4的发射极分别与电容C2的负极连接；
所述整流器上设有正极输出点与负极输出点，正极输出点与电容C1的正极连接，负极输出点与电容C2的负极连接。
2.根据权利要求1所述的整流器，其特征在于，所述开关管为IGBT或MOSFET。
3.一种应用于权利要求2所述整流器的调制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：确定整流器拓扑结构；
S2：通过把调制波分成两部分，确定各相开关状态；
S3：将分别调制波的两部分分别与两种三角载波进行比较，确定开关器件的状态；
S4：通过检测电容电压的差值和进网电流方向，对调制波进行调整来达到中点电位平衡的目的。
4.根据权利要求3所述的调制方法，其特征在于，S1具体为：
确定整流器拓扑结构，所述拓扑结构中Qa2的集电极与三相电的A相连接、Qb2的集电极与三相电的B相连接、Qc2的集电极与三相电的C相连接；
直流侧电压为Udc,直流侧电容C1和C2的值相等为C，理想情况下C1和C2的电压为Udc1＝Udc2＝Udc/2，a、b、c各相滤波电感值为L，R为滤波电感的等效电阻，io为中点电流，if为中性线电流。
5.根据权利要求4所述的调制方法，其特征在于，所述方法将三相电路看成三个单相构成，包括a相、b相和c相，S2中a相具体包括以下步骤：
S2.1：设C1和C2的电压为Udc1和Udc2，ia>0；
S2.2：对电路产生的调制波Uam、Ubm和Ucm进行分析；
S2.3：把调制波Uam分为两部分，分别是正调制波Ump、负调制波Umn，然后把正调制波Ump与正三角载波Uc1比较，负调制波Umn与负三角载波Uc2比较来产生各开关管开关状态；
S2.4：对调制波进行归一化处理，另m＝Uam/Up,Uam为调制波的幅值，Up为载波的峰值，m为调制度；归一化后正三角载波Uc1的幅值是0到1，周期为T；负三角载波Uc2的幅值是-1到0，周期也为T。
6.根据权利要求5所述的调制方法，其特征在于，调制波Uam、Ubm和Ucm产生原理为：给定电压Udc *与直流侧电压Udc做偏差后经过PI调节，得出的值与经过锁相的三相电压相乘作为三相电流的给定，然后三相给定电流再与实际的三相电流做偏差后经过PI调节，得出的值与三相电压做偏差后得到调制波Uam、Ubm和Ucm。
7.根据权利要求6所述的调制方法，其特征在于，S3具体为：
(1)Ump>Uc1且Umn>Uc2时，Sa开关状态为P，即两个调制波都大于它们所比较的三角载波时，Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断；
(2)Ump>Uc1且Umn<Uc2，或者Ump<Uc1且Umn>Uc2时，Sa开关状态为O，即两个调制波其中有一个大于它所比较的三角载波且一个小于它所比较的三角载波时，Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断；
(3)Ump<Uc1且Umn<Uc2时，Sa开关状态为N，即两个调制波都小于它们所比较的三角载波时，Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断；
其中，Sa为a相开关状态，其具体状态为：
P状态时，Qa1、Qa2开关管导通，Qa3、Qa4开关管关断；O状态时，Qa2、Qa3开关管导通，Qa1、Qa4开关管关断；N状态时，Qa3、Qa4开关管导通，Qa1、Qa2开关管关断。
8.根据权利要求7所述的调制方法，其特征在于，S4包括：
S4.1：根据调制波Um正负、电容电压Udc1和Udc2的大小，a相电流is方向进行中点电位控制状态进行分类；具体分为以下几种模式：
模式1：Um>0，is>0，Udc1<Udc2；
模式2：Um>0，is>0，Udc1>Udc2；
模式3：Um>0，is<0，Udc1>Udc2；
模式4：Um>0，is<0，Udc1<Udc2；
模式5：Um<0，is<0，Udc1>Udc2；
模式6：Um<0，is<0，Udc1<Udc2；
模式7：Um<0，is>0，Udc1<Udc2；
模式8：Um<0，is>0，Udc1>Udc2；
S4.2：对中点电位控制各状态进行具体状态分析：
(1)模式1：
模式1下存在三种开关状态P、O和N；
状态P时：三相三线制中，状态P对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态P给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响；
状态N时：三相三线制中，状态N对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态N给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小；
模式1下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间；
在三相三线制中，使得流入中点的电流减小；在于三相四线制中，给电容C1进行充电，给电容C2进行放电；从而实现中点电位平衡的控制；
(2)模式2：
模式2下存在两种开关状态P和O；
状态P时：三相三线制中，状态P对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态P给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响；
模式2下中点电位控制方法是将正调制波Ump下移，使得状态P的作用时间减小，状态O的作用时间增大，从而实现中点电位的控制；
(3)模式3：
模式3下存在三种开关状态P、O和N；
状态P时：三相三线制中，状态P对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态P给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响；
状态N时：三相三线制中，状态N对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态N给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；
模式3下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间；
在三相三线制中，使得流出中点的电流减小；在三相四线制中，给电容C2进行充电，给电容C1进行放电；从而实现中点电位的控制；
(4)模式4：
模式4下存在两种开关状态P和O；
状态P时：三相三线制中，状态P对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态P给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响；
模式4下中点电位控制方法是将正调制波Ump下移，使得状态P的作用时间减小，状态O的作用时间增大，从而实现中点电位的控制；
(5)模式5：
模式5下存在三种开关状态P、O和N；
状态P时：三相三线制中，状态P对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态P给电容C1放电，使得电容电压Udc1减小；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响；
状态N时：三相三线制中，状态N对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态N给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；
模式5下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间；
在三相三线制中，使得流出中点的电流减小；在三相四线制中，给电容C2进行充电，给电容C1进行放电；从而实现中点电位平衡的控制；
(6)模式6：
模式6下存在两种开关状态O和N；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；而三相四线制中，不影响中点电位；
状态N时：三相三线制中，状态N对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态N给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；
模式6下中点电位控制方法是将负调制波Umn上移，使得状态O的作用时间增大，状态N的作用时间减小，从而实现中点电位的控制；
(7)模式7：
模式7下存在三种开关状态P、O和N；
状态P时：三相三线制中，状态P对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态P给电容C1充电，使得电容电压Udc1增加；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响；
状态N时：三相三线制中，状态N对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态N给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小；
模式7下中点电位控制方法是将正调制波Ump上移，负调制波Umn下移，增加状态P和N的作用时间，减小状态O的作用时间；在三相三线制中，使得流入中点的电流减小；在三相四线制中，给电容C1进行充电，给电容C2进行放电；从而实现中点电位平衡的控制；
(8)模式8：
模式8下存在两种开关状态O和N；
状态O时：三相三线制中，状态O给电容C2充电，使得电容电压Udc2增加；而三相四线制中，对中点电位O无影响；
状态N时：三相三线制中，状态N对中点电位O无影响；而三相四线制中，状态N给电容C2放电，使得电容电压Udc2减小；
模式8下中点电位控制方法是将负调制波Umn上移，使得状态O的作用时间增大，状态N的作用时间减小，从而实现中点电位的控制。
9.根据权利要求8所述的调制方法，其特征在于，调制波的上移和下移的幅值由中点平衡计算得出。
10.根据权利要求9所述的调制方法，其特征在于，
中点平衡的计算公式表达如下：
调制波Um为：
Um＝Ump+Umn
其中Ump≥0，Umn≤0；
当Um≥0时，Ump＝Um且Umn＝0；当Um<0时，Ump＝0且Umm＝Um；
偏移后的调制波Ump′和Umn′为：
Ump'＝Ump+Uoff
Umn'＝Umn-Uoff
其中Uoff为偏移量，令ΔU＝Udc1-Udc2
Uoff＝-k*|ΔU|*sign(ΔU*is)
sign为取正负零的函数，k为偏移系数，该偏移系数能改变开关状态从而影响中点平衡。
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