CN112583288A - 一种用于电流源型变流器的短脉冲控制pwm波调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，通过分析电流源型变流器的开关导通关断状态约束条件，在原有的11脉波选择性谐波消除的调制方法的基础上，插入了可以控制变流器旁路工作状态的短脉冲，形成了一种新型的短脉冲控制PWM波调制方法，该方法不仅可以有效的抑制电网侧的谐波，还可以通过灵活的控制所插入的短脉冲的宽度，来灵活的控制变流器的输出。

Description

一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法
技术领域
本发明涉及一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，可以灵活的调节变流器的输出电流，抑制网侧谐波，改善电能质量。
背景技术
PWM电流源型变流器由于结构简单、短路电流阻断特性好、具有天然的双向潮流能力等优点，在中压传动、高压直流输电、可再生能源并网、超导储能等大功率应用场景中被广泛应用。在这些应用场景中，由于电流源型变流器的开关频率通常低于1Khz，因此可以减少大功率变流器的开关损耗。
通常大功率PWM电流源型整流器的调制方法有两种，即空间矢量调制技术和选择性谐波消除技术，以获得正弦电流。空间矢量调制技术基于安秒平衡原理，具有动态调节输出低电流的相应能力。然而当空间矢量调制技术应用到电流源型整流器中时，会产生谐波失真，特别是对于大功率变流器，当开关频率很低时的运行工况。此外，在大功率电流源型整流器的应用中，当空间矢量调制技术的采样频率接近输出LC滤波器的固有谐振频率时，空间矢量调制技术可能会对滤波器的并联谐振进行反向放大。因此探究电流源型变流器的调制方法具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，当基于选择性谐波消除调制的电流源型整流器工作在直流母线被旁路的工作状态时，输出电流会因没有电源支撑而衰减，而在不破坏电流源型整流器开关器件导通关断约束的条件下，可以人为的调整上述旁路状态出现的时机，即在原始的PWM调制波的基础上，在合适的位置加入短脉冲，从而达到既能抑制谐波，又能灵活的控制输出电流的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，具体包括以下步骤：
(1)根据电流源型变流器6个开关管的导通关断条件，制定控制开关管导通关断的PWM波形；
(2)在保证电流源型变流器的导通关断条件不被破坏的情况下，在步骤（1）中制定的控制开关管导通关断的PWM波形的基础上，加入可以灵活控制变流器输出的短脉冲；
(3)根据步骤（2）中加入的短脉冲的位置，形成最终的短脉冲控制PWM波。
步骤（1）所述的控制开关管导通关断的PWM波形是根据电流源型变流器开关器件导通的约束条件制定的，所述的约束条件有两个，分别为：直流电流保持连续和电流源型变流器的PWM电流波形是确定的。
步骤（1）包括以下步骤：
根据电流源型变流器进行脉宽调制模式时的两个约束条件：直流电流应该保持连续；变流器的PWM电流波形应该是确定的。因此可以将这两个与电流有关的约束条件转换成电流源型变流器6个开关管的开关约束条件，即在任意时刻（除了换相期间），只有两个开关管导通，一个在上半桥臂，一个在下半桥臂。当只有一个开关管导通时，直流电流会失去连续性，直流电感上会产生极高的电压从而造成开关管的损坏。如果超过两个开关管同时导通，PWM电流将不再负荷开关方式所定义的波形。因此根据上述的电流源型变流器开关器件导通的约束条件，初步制定符合上述约束条件的控制开关器件导通关断的PWM波形。
所述步骤（2）具体包括如下内容：
考虑电流源型电力电子变流器与电压源型电力电子变流器相比所具有的特点，所述的电流源型变流器的同一桥臂的上下两个开关管可以同时导通（电压源型电力电子变压器不可以，会导致直流母线被短路，瞬间产生巨大电流，电流源型电力电子变流器由于直流母线电感的电流钳位作用，不会造成与电压源型变流器相同的后果），当电流源型变流器的同一桥臂的上下两个开关器件同时导通时，其直流母线会被旁路，直流母线被旁路后，由于没有电源支撑，整流器的直流母线电流会下降，在不破坏步骤（1）中所述的开关管的开关约束条件的情况下，调整所述的直流母线被旁路的状态出现的时机来调整电流型变流器的输出，因此，在步骤（1）得到控制开关管导通关断的PWM波形的基础上，插入控制旁路状态的短脉冲。
所述步骤（3）具体包括以下内容：
将步骤（1）中得到的控制开关管导通关断的PWM波形与步骤（2）中经分析得到的短脉冲结合，绘制出新的PWM调制波形，形成最终的短脉冲控制PWM波。
本发明的优点是：本发明所提出的短脉冲控制PWM波调制方法在现有调制策略的基础上为电流源型变流器增加了额外的控制能力，短脉冲的宽度和位置均可以在一定范围内任意调节，通过对短脉冲的宽度和位置施加合适的控制，可以实现对电流源型变流器功率和谐波的有效调节，有效增加了电流源型变流器的控制灵活性。
附图说明
图1表示未加入短脉冲的原始PWM调制波形。
图2为本发明在原始的PWM波形基础上，加入短脉冲的位置示意图。
图3为电流源型整流器的基本拓扑结构图。
图4为加入短脉冲后的最终的PWM调制波形。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
关于电流源型整流器的调制技术，目前主流的调制技术有SVM（空间矢量调制技术）、TPWM（梯形波调制技术）和SHE（选择性谐波消除调制技术），空间矢量调制技术的主要特点是较快的动态响应，这是因为该技术可以在一个采样周期内调整它的幅值调制因数、PWM电流可以直接通过旁路运行进行控制，而不是通过整流器调整直流电流来控制，因此空间矢量调制技术适合需要快速动态响应的应用场合。但是考虑到旁路控制，空间矢量调制方法的电流利用率最低。选择性谐波消除调制方法具有最好的谐波性能。梯形波调制技术的性能介于空间矢量调制技术和选择性谐波消除调制技术之间。
综上所述，如果在具有良好的谐波性能的选择性谐波消除调制方法的基础上加入短脉冲旁路运行控制，便可以在抑制谐波的同时，灵活的调节输出电流，本发明便是从该点出发，提出一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法。
本发明用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法基本步骤如下：
步骤1：根据电流源型变流器进行脉宽调制模式时的两个约束条件：直流电流应该保持连续；变流器的PWM电流波形应该是确定的。因此可以将这两个与电流有关的约束条件转换成变流器6个开关管的开关约束条件，即在任意时刻（除了换相期间），只有两个开关管导通，一个在上半桥臂，一个在下半桥臂。当只有一个开关管导通时，直流电流会失去连续性，直流电感上会产生极高的电压从而造成开关管的损坏。如果超过两个开关器件同时导通，PWM电流将不再负荷开关方式所定义的波形。因此根据上述的电流源型变流器开关器件导通的约束条件，初步制定符合上述约束条件的控制开关器件导通关断的PWM波形。
根据上述的要求，制定的11脉波（每半个工频（50Hz）周期中有11个脉冲）PWM波形如图1所示，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为第一个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为第二个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为第三个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为第四个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为第五个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为第六个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为第七个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为第八个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为第九个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为第十个脉冲的开关角度；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为第十一个脉冲的开关角度。后半个工频周期的脉冲开关角度和前半个工频周期的开关角度关于
Figure DEST_PATH_IMAGE046
对称。
步骤2：短脉冲的插入。
步骤1中的图1是a相的PWM波形，没有体现出变流器中六个开关管之间导通关断的先后时序关系。图2给出了一台变流器六个开关管的PWM波形，并给出了它们之间的时序关系。图3为电流源型整流器的基本拓扑结构图，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为整流器
Figure DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
三相的上半桥臂的开关管，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为整流器
Figure 505947DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 829612DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 140508DEST_PATH_IMAGE058
三相的上半桥臂的开关管。图2中的纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072
、
Figure DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为别为图3中整流器开关器件
Figure 348767DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 569663DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 923284DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 331263DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 326901DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 402304DEST_PATH_IMAGE062
的开关信号波形。
图2中的
Figure DEST_PATH_IMAGE078
为旁路脉冲的宽度，为了使开关信号尽量保持开关信号的对称性，拿
Figure 598930DEST_PATH_IMAGE066
波形来举例，在
Figure 759785DEST_PATH_IMAGE066
的第四个脉冲处即起始角度为图1中的
Figure 27955DEST_PATH_IMAGE014
处开始计算，划出宽度为
Figure 223444DEST_PATH_IMAGE078
的区域，同时在
Figure 918867DEST_PATH_IMAGE072
的开关信号中对应的区域中，插入宽度为
Figure 832597DEST_PATH_IMAGE078
的短脉冲，可以看到，插入短脉冲后，在
Figure 638879DEST_PATH_IMAGE078
的宽度内，有
Figure 688874DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 555199DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 18542DEST_PATH_IMAGE062
导通，不符合约束条件，因此，把
Figure 294759DEST_PATH_IMAGE076
中
Figure 527157DEST_PATH_IMAGE078
宽度内的脉冲去掉（之所以从第四个脉冲开始计算，是因为去掉的部分从该点算起对对称性的影响最小），这样，该时刻便只有
Figure 705329DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 187126DEST_PATH_IMAGE060
导通，符合约束条件，且此时变流器工作在旁路状态，a相桥臂直通；在
Figure 476156DEST_PATH_IMAGE068
的第四个脉冲起始处开始计算，划出宽度为
Figure 359798DEST_PATH_IMAGE078
的区域，同时在
Figure 708871DEST_PATH_IMAGE074
的开关信号中对应的区域中，插入宽度为
Figure 943543DEST_PATH_IMAGE078
的短脉冲，可以看到，插入短脉冲后，在
Figure 770685DEST_PATH_IMAGE078
的宽度内，同时有
Figure 774413DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 294387DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 750776DEST_PATH_IMAGE052
导通，这不符合步骤1中所述的约束条件，因此，把
Figure 381609DEST_PATH_IMAGE066
中
Figure 974264DEST_PATH_IMAGE078
宽度内的脉冲去掉，这样，该时刻便只有
Figure 665140DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 608825DEST_PATH_IMAGE052
导通，符合约束条件，且此时变流器工作在旁路状态，c相桥臂直通；同理，在
Figure 43349DEST_PATH_IMAGE070
的第四个脉冲起始处开始计算，划出宽度为
Figure 756090DEST_PATH_IMAGE078
的区域，同时在
Figure 680183DEST_PATH_IMAGE076
的开关信号中对应的区域中，插入宽度为
Figure 986531DEST_PATH_IMAGE078
的短脉冲，可以看到，插入短脉冲后，在
Figure 83800DEST_PATH_IMAGE078
的宽度内，同时有
Figure 791993DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 683725DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 477369DEST_PATH_IMAGE062
导通，因此可以把
Figure 643908DEST_PATH_IMAGE068
中
Figure 941029DEST_PATH_IMAGE078
宽度内的脉冲去掉，这样，该时刻便只有
Figure 269242DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 284602DEST_PATH_IMAGE062
导通，符合约束条件，且此时变流器工作在旁路状态，b相桥臂直通；在
Figure 989253DEST_PATH_IMAGE072
的第四个脉冲起始处开始计算，划出宽度为
Figure 140880DEST_PATH_IMAGE078
的区域，同时在
Figure 905573DEST_PATH_IMAGE066
的开关信号中对应的区域中，插入宽度为
Figure 408230DEST_PATH_IMAGE078
的短脉冲，可以看到，插入短脉冲后，在
Figure 650993DEST_PATH_IMAGE078
的宽度内，同时有
Figure 940283DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 610299DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 600252DEST_PATH_IMAGE060
导通，因此可以把
Figure 381126DEST_PATH_IMAGE070
中
Figure 100820DEST_PATH_IMAGE078
宽度内的脉冲去掉，这样，该时刻便只有
Figure 817104DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 418986DEST_PATH_IMAGE060
导通，符合约束条件，且此时变流器工作在旁路状态，a相桥臂直通；在
Figure 878917DEST_PATH_IMAGE074
的第四个脉冲起始处开始计算，划出宽度为
Figure 249856DEST_PATH_IMAGE078
的区域，同时在
Figure 137040DEST_PATH_IMAGE068
的开关信号中对应的区域中，插入宽度为
Figure 960640DEST_PATH_IMAGE078
的短脉冲，可以看到，插入短脉冲后，在
Figure 224262DEST_PATH_IMAGE078
的宽度内，同时有
Figure 449707DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 773372DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 349847DEST_PATH_IMAGE052
导通，因此可以把
Figure 151581DEST_PATH_IMAGE072
中
Figure 231533DEST_PATH_IMAGE078
宽度内的脉冲去掉，这样，该时刻便只有
Figure 726099DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 524291DEST_PATH_IMAGE052
导通，符合约束条件，且此时变流器工作在旁路状态，c相桥臂直通；在
Figure 129715DEST_PATH_IMAGE076
的第四个脉冲起始处开始计算，划出宽度为
Figure 64173DEST_PATH_IMAGE078
的区域，同时在
Figure 729641DEST_PATH_IMAGE070
的开关信号中对应的区域中，插入宽度为
Figure 15129DEST_PATH_IMAGE078
的短脉冲，可以看到，插入短脉冲后，在
Figure 158665DEST_PATH_IMAGE078
的宽度内，同时有
Figure 416471DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 377474DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 760045DEST_PATH_IMAGE062
导通，因此可以把
Figure 831906DEST_PATH_IMAGE074
中
Figure 881902DEST_PATH_IMAGE078
宽度内的脉冲去掉，这样，该时刻便只有
Figure 748227DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 883673DEST_PATH_IMAGE062
导通，符合约束条件，且此时变流器工作在旁路状态，b相桥臂直通；至此，短脉冲的插入工作便全部完成，插入结果便如图2所示。
步骤3:最终PWM信号的形成。
基于步骤2所述的短脉冲的插入位置，以变流器的a相输出电流为例，可以得到变流器的a相输出PWM电流如图3所示。未插入短脉冲之前的波形，是基于选择性谐波消除原理，可以有效的抑制谐波，插入短脉冲之后，可以灵活的调成短脉冲宽度来控制变流器旁路工作状态所持续的时间，来灵活的调整变流器的输出，如图4所示的加入短脉冲后的最终的PWM调制波形图。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)根据电流源型变流器6个开关管的导通关断条件，制定控制开关管导通关断的PWM波形；
(2)在保证电流源型变流器的导通关断条件不被破坏的情况下，在步骤（1）中制定的控制开关管导通关断的PWM波形的基础上，加入控制变流器输出的短脉冲；
(3)根据步骤（2）中加入的短脉冲的位置，形成最终的短脉冲控制PWM波。
2.根据权利要求1 所述一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，其特征在于：步骤（1）所述的控制开关管导通关断的PWM波形是根据电流源型变流器开关器件导通的约束条件制定的，所述的约束条件有两个，分别为：直流电流保持连续和电流源型变流器的PWM电流波形是确定的。
3.根据权利要求2所述一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，其特征在于：将所述的两个约束条件转换成电流源型变流器6个开关管的开关约束条件，即在除了换相期间的任意时刻，只有两个开关管导通，一个在上半桥臂，一个在下半桥臂；当只有一个开关管导通时，直流电流失去连续性，直流电感上产生极高的电压从而造成开关管的损坏；如果超过两个开关管同时导通，PWM电流将不再负荷开关方式所定义的波形。
4.根据权利要求3 所述一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，其特征在于：所述步骤（2）具体包括如下内容：
所述的电流源型变流器的同一桥臂的上下两个开关管可以同时导通，当电流源型变流器的同一桥臂的上下两个开关器件同时导通时，其直流母线会被旁路，直流母线被旁路后，由于没有电源支撑，整流器的直流母线电流会下降，在不破坏步骤（1）中所述的开关管的开关约束条件的情况下，调整所述的直流母线被旁路的状态出现的时机来调整电流型变流器的输出，因此，在步骤（1）得到控制开关管导通关断的PWM波形的基础上，插入控制旁路状态的短脉冲。
5.根据权利要求4所述一种用于电流源型变流器的短脉冲控制PWM波调制方法，其特征在于：所述步骤（3）具体包括以下内容：
将步骤（1）中得到的控制开关管导通关断的PWM波形与步骤（2）中经分析得到的短脉冲结合，绘制出新的PWM调制波形，形成最终的短脉冲控制PWM波。
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