CN111900892B - 地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法 - Google Patents

地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法，包括Uref正半周期时，PWM2为高电平，PWM4为低电平；Uref≥Tri时：PWM1从低电平上跳后高电平，PWM5从高电平下跳并保持低电平，PWM3、PWM6相比PWM5超前从高电平下跳并保持低电平；Uref小于、等于三角载波Tri时：PWM1从高电平下跳后低电平，PWM5从低电平上跳后高电平，PWM3、PWM6相比PWM5滞后从低电平上跳后高电平。Uref负半周期时，PWM3为高电平，PWM1为低电平；|Uref|≥|Tri|时：PWM4从低电平上跳后高电平，PWM6从高电平下跳后低电平，PWM2、PWM5相比PWM6超前从高电平下跳后低电平；|Uref|小于等于|Tri|时，PWM4从高电平下跳后低电平、PWM6从低电平上跳后高电平，PWM2、PWM5相比PWM6滞后从低电平上跳后高电平。本方法能够减小内管导通损耗和结温。

Description

地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电系统技术领域，具体涉及一种地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法。
背景技术
近几年来我国城市轨道交通发展非常迅速，为了响应国家节能减排政策，国内地铁牵引供电系统逐步推广二极管整流机组+再生制动能量回馈装置模式来实现降低能耗的目的。但二极管整流机组输出直流牵引网电压随负载增加会出现较大跌落，导致供电距离较短，需要增加牵引供电站数量，增加了地铁建设成本。同时，增加的再生制动能量回馈装置进一步增加了整套牵引供电系统的复杂性和占地面积，提高了整体建设和运维成本。
随着大功率电力电子变流技术的发展，集整流牵引供电和逆变能量回馈功能于一身的双向变流装置逐渐在地铁里得到了应用。国内企业对地铁双向变流装置进行了有益的研究和探索：徐州中矿大传动与自动化有限公司的专利《轨道交通双向变流柜》（申请号：201710039531.5）比较具有代表性。该专利采用二极管中点钳位（NPC）三电平逆变器方案，优点是三电平逆变器开关纹波小、损耗低、开关频率高，但NPC三电平逆变器在整流工况下存在长换流回路，IGBT关断电压尖峰较高，影响装置可靠性。
采用有源中点钳位（ANPC）三电平逆变器可以消除长换流回路，但传统控制方法导致内管导通损耗较大，且存在内、外管均压隐患。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
为了克服传统ANPC三电平逆变器控制方法的技术缺陷，本发明提供一种改进型控制方法，能够减小内管导通损耗，并保证内、外管的可靠均压。
2.技术方案：
一种地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法，涉及的有源中点钳位三电平逆变器的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的；其中1号IGBT模块包含开关元件T1、T5 ，二极管D1、D5,其中 T1、T5分别反向并联D1、D5；2号IGBT模块包含开关元件T2、T3 ，二极管D2、D3, 其中T2、T3分别反向并联D2、D3；3号IGBT模块包含开关元件T4、T6 ，二极管D4、D6, 其中T4、T6分别反向并联D4、D6；其特征在于：脉冲生成单元生成的脉冲信号具体为：
步骤一：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于正半周期时，控制T2开关管的控制信号PWM2为高电平，T4开关管的控制信号PWM4为低电平；在调制波Uref大于、等于三角载波Tri时刻：T1开关管的控制信号PWM1从低电平上跳并保持为高电平，T5开关管的控制信号PWM5从高电平下跳并保持为低电平，T3与T6开关管的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5超前预设死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref小于、等于三角载波Tri时刻：T1开关管的控制信号PWM1从高电平下跳并保持为低电平，T5开关管的控制信号PWM5从低电平上跳并保持为高电平，T3与T6开关管的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平。
步骤二：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于负半周期时，控制T3开关管的控制信号PWM3为高电平，T1开关管的控制信号PWM1为低电平；在调制波Uref绝对值大于、等于三角载波Tri绝对值时刻：T4开关管的控制信号PWM4从低电平上跳并保持为高电平，T6开关管的控制信号PWM6从高电平下跳并保持为低电平，T2与T5开关管分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6超前预设的死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref绝对值小于、等于三角载波Tri绝对值时刻，T4开关管的控制信号PWM4从高电平下跳并保持为低电平、T6开关管的控制信号PWM6从低电平上跳并保持为高电平、T2与T5开关管分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平。
3.有益效果：
（1）传统ANPC三电平逆变器脉冲控制方法中在逆变器的输入端的调制波Uref的正半周中，只有T1、T2、T5工作，而T3、T4、T6均长断，这导致在T1关断、T5开通时，电流只能流过T5/D5、T2/D2，导致损耗集中。并且，T3、T4一直关断可能会出现两者分压不均，在极端情况下出现过压损坏。本发明中，把T3、T6开通，则电流还能流过T3/D3、T6/D6，这就能够帮助T5/D5、T2/D2分担电流，减小损耗、温升。并且，由于此时T2、T3都在导通状态，则T1、T4各承担一半的母线电压，这就能够保证在关断T3、T6、T5，并开通T1时，T3、T4各承担一半的母线电压，避免分压不均导致的过压损坏。同样的，在Uref的负半周，只有T3、T4、T6工作，而T1、T2、T5均长断。这导致在T4关断、T6开通时，电流只能流过T6/D6、T3/D3，导致损耗集中。并且，T1、T2一直关断可能会出现两者分压不均，在极端情况下出现过压损坏。本发明中，把T2、T5开通，则电流还能流过T2/D2、T5/D5，这就能够帮助T6/D6、T3/D3分担电流，减小损耗、温升。并且，由于此时T2、T3都在导通状态，则T1、T4各承担一半的母线电压，这就能够保证在关断T2、T5、T6，并开通T4时，T1、T2各承担一半的母线电压，避免分压不均导致的过压损坏。
（2）本发明中，在逆变器的输入端的调制波Uref的正半周，T3、T6要滞后于T5开通，保证电流从T1/D1换流到T5/D5后再进行T5/D5、T2/D2和T3/D3、T6/D6之间的分流；并且T3、T6要超前于T5关断，保证T3/D3、T6/D6电流全部转移回T5/D5、T2/D2后，再进行T5/D5到T1/D1的换流。这就能够不破坏T1/D1、T5/D5之间的换流关系，保持ANPC三电平逆变器换流回路电感小的优势。同样的，在Uref的负半周，T2、T5要滞后于T6开通，保证电流从T4/D4换流到T6/D6后再进行T3/D3、T6/D6和T5/D5、T2/D2之间的分流；并且T2、T5要超前于T6关断，保证T5/D5、T2/D2电流全部转移回T3/D3、T6/D6后，再进行T6/D6到T4/D4的换流。这就能够不破坏T4/D4、T6/D6之间的换流关系。
综上，本发明采用改进型ANPC三电平逆变器控制方法，能够在保持ANPC三电平逆变器换流回路电感小的基础上，减小内管（T2/D2、T3/D3）导通损耗和结温，并保证内、外管（T1与T2之间、T3与T4之间）可靠均分直流母线电压，提升装置可靠性，即降低内管损耗和结温，同时内、外管可靠均压。
附图说明
图1为本发明中基于有源中点钳位三电平逆变器的双向变流装置电路拓扑图；
图2为本发明中有源中点钳位三电平逆变器电路拓扑图；
图3为本发明的改进后的地铁双向变流的有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法；
图4为传统的地铁双向变流的有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
一种地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法，涉及的有源中点钳位三电平逆变器的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的；其中1号IGBT模块包含开关元件T1、T5 ，二极管D1、D5,其中 T1、T5分别反向并联D1、D5；2号IGBT模块包含开关元件T2、T3 ，二极管D2、D3, 其中T2、T3分别反向并联D2、D3；3号IGBT模块包含开关元件T4、T6 ，二极管D4、D6, 其中T4、T6分别反向并联D4、D6；其特征在于：脉冲生成单元生成的脉冲信号具体为：
步骤一：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于正半周期时，控制T2开关管的控制信号PWM2为高电平，T4开关管的控制信号PWM4为低电平；在调制波Uref大于、等于三角载波Tri时刻：T1开关管的控制信号PWM1从低电平上跳并保持为高电平，T5开关管的控制信号PWM5从高电平下跳并保持为低电平，T3与T6开关管的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5超前预设死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref小于、等于三角载波Tri时刻：T1开关管的控制信号PWM1从高电平下跳并保持为低电平，T5开关管的控制信号PWM5从低电平上跳并保持为高电平，T3与T6开关管的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平。
步骤二：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于负半周期时，控制T3开关管的控制信号PWM3为高电平，T1开关管的控制信号PWM1为低电平；在调制波Uref绝对值大于、等于三角载波Tri绝对值时刻：T4开关管的控制信号PWM4从低电平上跳并保持为高电平，T6开关管的控制信号PWM6从高电平下跳并保持为低电平，T2与T5开关管分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6超前预设的死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref绝对值小于、等于三角载波Tri绝对值时刻，T4开关管的控制信号PWM4从高电平下跳并保持为低电平、T6开关管的控制信号PWM6从低电平上跳并保持为高电平、T2与T5开关管分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平。
具体实施例：
如附图1所示，为本发明中涉及的一种基于有源中点钳位（ANPC）三电平逆变器的地铁双向变流装置的电路图，由图中可以看出包括：若干台有源中点钳位（ANPC）三电平逆变器模块、若干台交流滤波电感、一台副边双绕组升压变压器。逆变模块将直流电转换成低压交流电，低压交流电经变压器升压成中压交流电接入中压电网。所有ANPC三电平逆变器模块分成两组，组内每台逆变模块交流侧串联滤波电感后进行并联，两组逆变模块的并联输出连接到各自的升压变压器副边绕组。ANPC三电平逆变器模块包括IGBT模块、直流母线电容，交流输出端和交流滤波电感相连。变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用两组三相星型接法绕组。
如附图2所示，为附图1中有源中点钳位三电平逆变器电路拓扑图，由图中可以看出有源中点钳位三电平逆变器每相由3只ANPC三电平逆变桥臂构成完整的三相逆变器。每只ANPC三电平逆变桥臂由3只半桥IGBT模块、正负母线电容组成。其中1号IGBT模块实现T1/D1、T5/D5，2号IGBT模块实现T2/D2、T3/D3，3号IGBT模块实现T4/D4、T6/D6。
如附图3所示，脉冲生成单元生成的脉冲信号实现对有源中点钳位三电平逆变器的控制，其中脉冲信号具体为：
步骤一：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于正半周期时，控制T2开关管的控制信号PWM2为高电平，T4开关管的控制信号PWM4为低电平；在调制波Uref大于、等于三角载波Tri时刻：T1开关管的控制信号PWM1从低电平上跳并保持为高电平，T5开关管的控制信号PWM5从高电平下跳并保持为低电平，T3与T6开关管的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5超前预设死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref小于、等于三角载波Tri时刻：T1开关管的控制信号PWM1从高电平下跳并保持为低电平，T5开关管的控制信号PWM5从低电平上跳并保持为高电平，T3与T6开关管的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平。
步骤二：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于负半周期时，控制T3开关管的控制信号PWM3为高电平，T1开关管的控制信号PWM1为低电平；在调制波Uref绝对值大于、等于三角载波Tri绝对值时刻：T4开关管的控制信号PWM4从低电平上跳并保持为高电平，T6开关管的控制信号PWM6从高电平下跳并保持为低电平，T2与T5开关管分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6超前预设的死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref绝对值小于、等于三角载波Tri绝对值时刻，T4开关管的控制信号PWM4从高电平下跳并保持为低电平、T6开关管的控制信号PWM6从低电平上跳并保持为高电平、T2与T5开关管分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平。
如附图4所示，为采用传统ANPC三电平逆变器的脉冲控制方法，在交流电压正半周T2长通：逆变工况下，若T1开通、T5关断，则电流流过T1和T2；若T1关断、T5开通，则电流流过D5和T2，因此电流在T1、D5之间切换。整流工况下，若T1开通、T5关断，则电流流过D1和D2，若T1关断、T5开通，则电流流过T5和D2，因此电流在D1、T5之间切换。同理，在交流电压负半周，逆变工况下，电流在T4、D6之间切换；整流工况下，电流在D4、T6之间切换。由于T1/D1、T5/D5在1号IGBT模块中，T4/D4、T6/D6在3号IGBT模块中，所以无论何种工况，换流都是在同一个IGBT模块中。得益于实际IGBT模块内部杂散电感较小，这就能够有效降低IGBT的关断电压尖峰，保证装置可靠工作。由图中可以看出：传统ANPC三电平逆变器控制方法在Uref的正半周，只有T1、T2、T5工作，而T3、T4、T6均长断。这导致在T1关断、T5开通时，电流只能流过T5/D5、T2/D2，导致损耗集中。并且，T3、T4一直关断可能会出现两者分压不均，在极端情况下出现过压损坏。在Uref的负半周，只有T3、T4、T6工作，而T1、T2、T5均长断。这导致在T4关断、T6开通时，电流只能流过T6/D6、T3/D3，导致损耗集中。并且，T1、T2一直关断可能会出现两者分压不均，在极端情况下出现过压损坏。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (1)

1.地铁双向变流有源中点钳位三电平逆变器的脉冲控制方法，涉及的有源中点钳位三电平逆变器的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的；其中1号IGBT模块包含开关元件T1、T5 ，二极管D1、D5,其中 T1、T5分别反向并联D1、D5；2号IGBT模块包含开关元件T2、T3 ，二极管D2、D3, 其中T2、T3分别反向并联D2、D3；3号IGBT模块包含开关元件T4、T6 ，二极管D4、D6, 其中T4、T6分别反向并联D4、D6； T1的集电极和直流母线正极相连接，T1的发射极和T5、T2的集电极相连接；T5的发射极和直流母线中点、T6的集电极相连接；T2的集电极和T1的发射极相连接，T2的发射极和T3的集电极、交流输出相连接，T3的发射极和T4的集电极相连接；T6的集电极和T5的发射极、直流母线中点相连接，T6的发射极和T4的集电极、T3的发射极相连接，T4的发射极和直流母线负极相连接；其特征在于：脉冲生成单元生成的脉冲信号实现对有源中点钳位三电平逆变器的控制，脉冲信号具体为：
步骤一：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于正半周期时，控制开关元件T2的控制信号PWM2为高电平，开关元件T4的控制信号PWM4为低电平；在调制波Uref大于、等于三角载波Tri时刻：开关元件T1的控制信号PWM1从低电平上跳并保持为高电平，开关元件T5的控制信号PWM5从高电平下跳并保持为低电平，T3与开关元件T6的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5超前预设死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref小于、等于三角载波Tri时刻：开关元件T1的控制信号PWM1从高电平下跳并保持为低电平，开关元件T5的控制信号PWM5从低电平上跳并保持为高电平，T3与开关元件T6的分别对应的控制信号PWM3、PWM6相比PWM5滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平；
步骤二：当输入脉冲生成单元的调制波Uref处于负半周期时，控制开关元件T3的控制信号PWM3为高电平，开关元件T1的控制信号PWM1为低电平；在调制波Uref绝对值大于、等于三角载波Tri绝对值时刻：开关元件T4的控制信号PWM4从低电平上跳并保持为高电平，开关元件T6的控制信号PWM6从高电平下跳并保持为低电平，T2与开关元件T5分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6超前预设的死区时间从高电平下跳并保持为低电平；在调制波Uref绝对值小于、等于三角载波Tri绝对值时刻，开关元件T4的控制信号PWM4从高电平下跳并保持为低电平、开关元件T6的控制信号PWM6从低电平上跳并保持为高电平、T2与开关元件T5分别对应的控制信号PWM2、PWM5相比PWM6滞后预设的开通延时从低电平上跳并保持为高电平。
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