CN112187068B - 一种三电平风电变流器的混合基频调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三电平风电变流器的混合基频调制方法，包括：设定控制所述单相桥臂工作的控制波形，所述控制波形包括载波和调制波两部分，所述载波为三角波，所述调制波为正弦波；设定所述单相桥臂工作时的4种电平状态：P，OU2，OL2，N；根据所述控制波形和4种电平状态控制所述单相桥臂工作。本发明的三电平风电变流器的混合基频调制方法，将内管基频调制和外管基频调制结合在一起，使其在器件损耗平衡方面更具灵活性，其调制方式也变得更加多样。并且可以通过不同形式的内外管调制策略，使混合基频调制具有多种不同的应用方案。

Description

一种三电平风电变流器的混合基频调制方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，特别涉及一种三电平风电变流器的混合基频调制方法。
背景技术
现有的风力发电系统由风力涡轮机、传动链、发电机、变流器、变压器和电气控制系统组成。作为发电机和电网的接口，风电变流器是风电机组中的核心设备，是机组电气性能、变换效率、可用度的主要决定因素之一，是整个风力发电系统的关键与核心。传统载波层叠调制容易导致风电变流器单相桥臂内外管发热严重不均，进而影响风电变流器工作可靠性及实际运行功率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种三电平风电变流器的混合基频调制方法。
本发明提供的一种三电平风电变流器的混合基频调制方法，其中，所述三电平风电变流器中单相桥臂包括开关管T1-T6、二极管D1-D6及电容Cd1和Cd2，所述开关管T1-T6中的每一个开关管Ti都和对应的二极管Di反并联，i为整数且1≤i≤6，即所述开关管Ti的集电极或阳极连接至所述对应的二极管Di的阴极，且所述开关管Ti的发射极或阴极连接至所述对应的二极管Di的阳极，所述开关管T1-T4依次顺序串联，即前一开关管的发射极或阴极连接至后一开关管的集电极或阳极；所述电容Cd1的正极连接至所述开关管T1的集电极或阳极，所述电容Cd1的负极连接至所述电容Cd2的正极和所述开关管T5的发射极或阴极；所述电容Cd2的负极连接至所述开关管T4的发射极或阴极；所述开关管T5的集电极或阳极连接至所述开关管T1的发射极或阴极，所述开关管T5的发射极或阴极连接至所述开关管T6的集电极或阳极；所述开关管T6的发射极或阴极连接至所述开关管T4的集电极或阳极，
所述混合基频调制方法包括：
设定控制所述单相桥臂工作的控制波形，所述控制波形包括载波和调制波两部分，所述载波为三角波，所述调制波为正弦波；
设定所述单相桥臂工作时的4种电平状态：P，OU2，OL2，N；
根据所述控制波形和4种电平状态控制所述单相桥臂工作。
进一步，
所述电平状态P中，所述开关管T1，T2，T6导通，所述开关管T3，T4，T5关断。
进一步，
所述电平状态OU2中，所述开关管T2，T4，T5导通，所述开关管T1，T3，T6关断。
进一步，
所述电平状态OL2中，所述开关管T1，T3，T6导通，所述开关管T2，T4，T5关断。
进一步，
所述电平状态OL2中，所述开关管T3，T4，T5导通，所述开关管T1，T2，T6关断。
进一步，
所述正弦波的波幅不大于所述载波的波幅，所述正弦波的周期大于所述载波的周期。
进一步，
在所述调制波的第一个周期中，执行如下控制步骤：
当所述调制波的波值大于0时，只使用所述电平状态P或OU2，以使得所述开关管T2一直导通，而所述开关管T3则一直关断；
当所述调制波的波值小于0时，只使用所述电平状态N或OL2，以使得所述开关管T2一直关断，而所述开关管T3则一直导通。
进一步，
在所述调制波的第二个周期中，执行如下控制步骤
当所述调制波的波值大于0时，只使用所述电平状态P或OL2，以使得所述开关管T1、T6一直导通，而所述开关管T4、T5则一直关断；
当所述调制波的波值小于0时，只使用所述电平状态N或OU2，以使得所述开关管T1、T6一直关断，而所述开关管T4、T5则一直导通。
进一步，
在所述调制波的第三个周期及以后的工作周期中不断重复切换所述调制波的第一个周期至第一个周期中的控制步骤。
本发明的三电平风电变流器的混合基频调制方法，将内管基频调制和外管基频调制结合在一起，使其在器件损耗平衡方面更具灵活性，其调制方式也变得更加多样。并且可以通过不同形式的内外管调制策略，使混合基频调制具有多种不同的应用方案。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了采用本发明的混合基频调制方法的ANPC(Active-neutral-point-clamped，有源中点箝位)三电平的单相桥臂结构；
图2示出了根据本发明实施例的ANPC三电平风电变流器的混合基频调制策略及效果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为风电变流器的ANPC三电平单相桥臂结构图。由图1可知，所述单相桥臂包括开关管T1-T6、二极管D1-D6及电容Cd1和Cd2。其中，开关管T1-T6均为全控电力电子器件如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。每一个所述开关管Ti(设为IGBT)都和对应的二极管Di反并联，i为整数且1≤i≤6，即开关管Ti的集电极连接至二极管Di的阴极，且开关管Ti的发射极连接至二极管Di的阳极。开关管T1-T4依次顺序串联，即前一开关管的发射极连接至后一开关管的集电极；电容Cd1的正极连接至开关管T1的集电极，电容Cd1的负极连接至电容Cd2的正极和开关管T5的发射极；电容Cd2的负极连接至开关管T4的发射极；开关管T5的集电极连接至开关管T1的发射极，开关管T5的发射极连接至开关管T6的集电极；开关管T6的发射极连接至开关管T4的集电极。其中，所述全控电力电子器件也可为IGCT(集成门极换流晶闸管)或IEGT(注入增强型栅极晶体管)，当开关管为IGCT时，所述开关管的集电极应为阳极，所述开关管的发射极应为阴极。其中，开关管T5和T6为箝位开关管，当T5和T6一直关断只使用其反并联二极管时，所述单相桥臂为中性点钳位NPC模式；当S5和S6也参与调制的时候，所述单相桥臂为有源中性点钳位ANPC模式。
表1、三电平ANPC单相桥臂混合基频调制开关状态
电平状态 T1 T2 T3 T4 T5 T6 输出电压
P 1 1 0 0 0 1 +Udc/2
OU2 0 1 0 1 1 0 0
OL2 1 0 1 0 0 1 0
N 0 0 1 1 1 0 -Udc/2
表1所示为ANPC三电平单相桥臂混合基频调制时的各开关状态，其中，“电平状态”是指是开关管T1-T6驱动信号的组合状态，电平可为“1”或“0”，“1”代表对应的开关管导通，“0”代表对应的开关管关断，“输出电压”为三电平ANPC单相桥臂在对应的电平状态时输出的电压，Udc为ANPC三电平变流器的直流侧电压。
图2是ANPC三电平风电变流器的混合基频调制策略及效果示意图。图2中，三角波是控制所述单相桥臂工作的控制波形中的载波，正弦波是控制所述单相桥臂工作的控制波形中的调制波，正弦波的波幅不大于载波的波幅，正弦波的周期大于载波的周期，TT1是开关管T1的驱动控制波形曲线，TT2是开关管T2的驱动控制波形曲线，TT5是开关管T5的驱动控制波形曲线，由于开关管T1和T4在ANPC三电平单相桥中的结构上的对称关系，T1的控制波形图与T4的控制波形图相位相差半个周期，在同一时刻的波值正负相反，同理，T2的控制波形图与T3的控制波形图相位相差半个周期，在同一时刻的波值正负相反，T5的控制波形图与T6的控制波形图相位相差半个周期，在同一时刻的波值正负相反。
参考表1和图2，本发明的三电平风电变流器的混合基频调制方法如下：
在调制波的第一个周期(即工作周期)中：由图2中TT1、TT2、TT5在第一个调制波的周期中的部分曲线可知，当调制波的波值大于0时，只使用电平状态P或OU2，这样使得开关管T2一直导通，而开关管T3则一直关断；当调制波的波值小于0时，只使用电平状态N或OL2，这样使得开关管T2一直关断，而开关管T3则一直导通。因此，第一个工作周期中，开关管T2和T3工作在基频，而开关管T1、T4、T5和T6则工作在载波频率。
设图2中波值大等于0的载波为F(t)，载波的波幅为A，参见图2，在调制波的第一个周期中，所述开关管T1的调制过程可为，当调制波的波值大于0时，如果调制波的波值小于F(t)，则开关管T1关断，如果调制波的波值大于F(t)，则开关管T1导通；当调制波的波值小于0时，如果调制波的波值小于[F(t)-A]，则开关管T1关断，如果调制波的波值大于[F(t)-A]，则开关管T1导通。在调制波的第一个周期中，所述开关管T5的调制过程为，当调制波的波值大于0时，如果调制波的波值小于F(t)，则开关管T5导通，如果调制波的波值大于F(t)，则开关管T5关断；当调制波的波值小于0时，如果调制波的波值小于[F(t)-A]，则开关管T5导通，如果调制波的波值大于[F(t)-A]，则开关管T5关断。上述开关管T1和T5的调制过程也可反过来，但在调制波的第一个周期中，开关管T1和开关管T5在调制波的调制下，始终保持轮流交替导通和关断。
在调制波的第二个周期中：由图2中TT1、TT2、TT5在第二个调制波的周期中的部分曲线可知，当调制波的波值大于0时，只使用电平状态P或OL2，这样使得开关管T1、T6一直导通，而开关管T4、T5则一直关断；当调制波的波值小于0时，只使用电平状态N或OU2，这样使得开关管T1、T6一直关断，而开关管T4、T5则一直导通。因此，第二个工作周期中，开关管T1、T4、T5和T6工作在基频，而开关管T2和T3则工作在载波频率。
参见图2，在调制波的第二个周期中，所述开关管T2的调制过程可为，当调制波的波值大于0时，如果调制波的波值小于F(t)，则开关管T2关断，如果调制波的波值大于F(t)，则开关管T2导通；当调制波的波值小于0时，如果调制波的波值小于[F(t)-A]，则开关管T2关断，如果调制波的波值大于[F(t)-A]，则开关管T2导通。上述开关管T2的调制过程也可反过来。
调制波的第三个周期及以后的工作周期中不断重复切换所述调制波的第一个周期至第二个周期中的控制步骤。这种调制策略保证了内管T2和T3、外管T1和T4、钳位管T5和T6的开关次数及开关损耗平衡，解决了上述ANPC三电平风电变流器在不同调制策略下的损耗不平衡问题。图2中的相电压和线电压即为采用本发明的混合基频调制方法所得到的ANPC三电平风电变流器工作时的相电压和线电压。
本发明的三电平风电变流器的混合基频调制方法将内管基频调制和外管基频调制结合在一起，使其在器件损耗平衡方面更具灵活性，其调制方式也变得更加多样。并且可以通过不同形式的内外管调制策略，使混合基频调制具有多种不同的应用方案。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种三电平风电变流器的混合基频调制方法，其中，所述三电平风电变流器中单相桥臂包括开关管T1-T6、二极管D1-D6及电容Cd1和Cd2，所述开关管T1-T6中的每一个开关管Ti都和对应的二极管Di反并联，i为整数且1≤i≤6，即所述开关管Ti的集电极或阳极连接至所述对应的二极管Di的阴极，且所述开关管Ti的发射极或阴极连接至所述对应的二极管Di的阳极，所述开关管T1-T4依次顺序串联，即前一开关管的发射极或阴极连接至后一开关管的集电极或阳极；所述电容Cd1的正极连接至所述开关管T1的集电极或阳极，所述电容Cd1的负极连接至所述电容Cd2的正极和所述开关管T5的发射极或阴极；所述电容Cd2的负极连接至所述开关管T4的发射极或阴极；所述开关管T5的集电极或阳极连接至所述开关管T1的发射极或阴极，所述开关管T5的发射极或阴极连接至所述开关管T6的集电极或阳极；所述开关管T6的发射极或阴极连接至所述开关管T4的集电极或阳极，
其特征在于，所述混合基频调制方法包括：
设定控制所述单相桥臂工作的控制波形，所述控制波形包括载波和调制波两部分，所述载波为三角波，所述调制波为正弦波；
设定所述单相桥臂工作时的4种电平状态：P，OU2，OL2，N；
根据所述控制波形和4种电平状态控制所述单相桥臂工作；
所述电平状态P中，所述开关管T1，T2，T6导通，所述开关管T3，T4，T5关断；
所述电平状态OU2中，所述开关管T2，T4，T5导通，所述开关管T1，T3，T6关断；
所述电平状态OL2中，所述开关管T1，T3，T6导通，所述开关管T2，T4，T5关断；
所述电平状态OL2中，所述开关管T3，T4，T5导通，所述开关管T1，T2，T6关断；
在所述调制波的第一个周期中，执行如下控制步骤：
当所述调制波的波值大于0时，只使用所述电平状态P或OU2，以使得所述开关管T2一直导通，而所述开关管T3则一直关断；
当所述调制波的波值小于0时，只使用所述电平状态N或OL2，以使得所述开关管T2一直关断，而所述开关管T3则一直导通；
在所述调制波的第二个周期中，执行如下控制步骤
当所述调制波的波值大于0时，只使用所述电平状态P或OL2，以使得所述开关管T1、T6一直导通，而所述开关管T4、T5则一直关断；
当所述调制波的波值小于0时，只使用所述电平状态N或OU2，以使得所述开关管T1、T6一直关断，而所述开关管T4、T5则一直导通。
2.根据权利要求1所述的一种三电平风电变流器的混合基频调制方法，其特征在于，
所述正弦波的波幅不大于所述载波的波幅，所述正弦波的周期大于所述载波的周期。
3.根据权利要求1所述的一种三电平风电变流器的混合基频调制方法，其特征在于，
在所述调制波的第三个周期及以后的工作周期中不断重复切换所述调制波的第一个周期至第二 个周期中的控制步骤。
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