CN112910293B - 一种三电平中点钳位型变流器的调制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三电平中点钳位型变流器的调制方法及装置，关注中点电位控制与开关损耗的平衡，对三电平中点钳位型变流器的外开关管采用调制波信号与直流载波信号0比较得到开关管驱动信号，内开关管采用调制波信号与三角载波比较得到开关管驱动信号，然后用所得的开关管驱动信号对开关管进行驱动，从而使得外开关管以工频动作，只有内开关管进行高频动作，极大地降低了外开关管的开关次数，兼顾中点电位控制效果的同时，降低了开关损耗，实现简单，效果良好，非常适用于工程应用。

Description

一种三电平中点钳位型变流器的调制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子相关技术领域，尤其涉及一种三电平中点钳位型变流器的调制方法及装置。
背景技术
近年来国家大力推进船舶电气化和港口岸电建设。现有岸电设备应用水平不能满足船舶靠泊接岸电需求，现在内河流域岸电仅为交流供电系统，无直流充电系统，无法满足大功率船用动力电池充电需求。因此，开展电动船舶大功率充放电机关键技术研究，推动电动船舶规模化发展，具有重要的现实意义和工程应用价值。
采用三电平中点钳位型(NPC)变流器作为电动船舶大功率充放电机的拓扑，对于三电平NPC拓扑的控制，主要关注中点电位控制与开关损耗的平衡。现有技术中，通常采用降低开关损耗的方法为采用不连续调制策略，将7段式调制减小为5段式调制，降低开关损耗，但不利于中点电位的控制，还有一些现有技术中采用了连续调制与不连续调制切换的策略来兼顾效率和中点控制，但其适用范围受到母线电压或功率因数的限制。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提出一种三电平中点钳位型变流器的调制方法及装置，解决了现有技术的调制方法不利于中点电位的控制以及适用范围受限等问题。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种三电平中点钳位型变流器的调制方法，所述三电平中点钳位型变流器包括至少一相桥臂，每相桥臂至少包括第一和第四外开关管、以及第二和第三内开关管；该调制方法包括步骤：
采样所述三电平中点钳位型变流器的电压和电流信息，生成调制波信号；
将所述调制波信号与第一载波信号比较，输出信号为第一外开关管的开关驱动信号，将第一外开关管的开关驱动信号取反作为第四外开关管的开关驱动信号；
将所述调制波信号与第二载波信号比较，输出信号为第二内开关管的开关驱动信号，将第二内开关管的开关驱动信号取反作为第三内开关管的开关驱动信号；
所述第一载波信号与第二载波信号为不同的载波信号。
进一步的，所述第一载波信号包括幅值为0的直流信号。
进一步的，所述第二载波信号包括三角载波信号。
进一步的，所述外开关管包括在三电平中点钳位型变流器中与直流母线直接连接的开关管；所述内开关管包括在三电平中点钳位型变流器中连接于两个外开关管之间的开关管，或者一端与外开关管连接另一端与中点连接的开关管。
进一步的，所述三电平中点钳位型变流器包括一字型三电平拓扑和T型三电平拓扑。
根据本发明的另一个方面，提供了一种三电平中点钳位型变流器的调制装置，所述三电平中点钳位型变流器包括至少一相桥臂，每相桥臂至少包括第一和第四外开关管、以及第二和第三内开关管；该调制装置包括调制波信号生成模块、外开关管驱动信号生成模块和内开关管驱动信号生成模块；其中，
所述调制波信号生成模块，采样所述三电平中点钳位型变流器的电压和电流信息，生成调制波信号；
所述外开关管驱动信号生成模块，将所述调制波信号与第一载波信号比较，输出信号为第一外开关管的开关驱动信号，将第一外开关管的开关驱动信号取反作为第四外开关管的开关驱动信号；
所述内开关管驱动信号生成模块，将所述调制波信号与第二载波信号比较信号，输出信号为第二内开关管的开关驱动信号，将第二内开关管的开关驱动信号取反作为第三内开关管的开关驱动信号；
并且，所述第一载波信号与第二载波信号为不同的载波信号。
进一步的，所述第一载波信号包括幅值为0的直流信号。
进一步的，所述第二载波信号包括三角载波信号。
进一步的，所述外开关管包括在三电平中点钳位型变流器中与直流母线直接连接的开关管；所述内开关管包括在三电平中点钳位型变流器中连接于两个外开关管之间的开关管，或者一端与外开关管连接另一端与中点连接的开关管。
进一步的，所述三电平中点钳位型变流器包括一字型三电平拓扑和T型三电平拓扑。
综上所述，本发明提供了一种三电平中点钳位型变流器的调制方法及装置，关注中点电位控制与开关损耗的平衡，对三电平中点钳位型变流器的外开关管采用调制波信号与直流载波信号比较得到开关管驱动信号，内开关管采用调制波信号与三角载波比较得到开关管驱动信号，然后用所得的开关管驱动信号对开关管进行驱动，从而使得外开关管以工频动作，只有内开关管进行高频动作，极大地降低了外开关管的开关次数，在降低开关损耗的同时，兼顾了中点电位控制的效果，实现简单，效果良好，非常适用于工程应用。
附图说明
图1是一字型三电平中点钳位型变流器的拓扑结构图及载波调制示意图；
图2是T型三电平中点钳位型变流器的拓扑结构图及载波调制示意图；
图3是本发明三电平中点钳位型变流器的调制方法的流程图；
图4是载波调制方法的波形图；
图5是本发明三电平中点钳位型变流器的调制方法桥口Vab的电压波形图；
图6是本发明三电平中点钳位型变流器的调制装置的构成框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种三电平中点钳位型(NPC)变流器的调制方法，该三电平中点钳位型变流器可以作为电动船舶大功率充放电机的拓扑，以满足大功率船用动力电池的充电需求。常见的三电平中点钳位型变流器拓扑结构包括一字型三电平中点钳位型变流器以及T型三电平中点钳位型变流器，其中一字型三电平中点钳位型变流器的拓扑结构如图1所示，T型三电平中点钳位型变流器的拓扑结构如图2所示。本实施例的说明以三相三电平中点钳位型变流器为例，本实施提供的方法也可以用于单相或者其他具有类似拓扑结构的变流器中。在图1和图2中，变流器包括三相桥臂，每个桥臂均包括开关管Sx1-Sx4(x＝a、b、c)，将变流器中与直流母线直接连接的开关管，例如Sx1、Sx4(x＝a、b、c)，定义为外开关管；将变流器中连接于两个外开关管之间的开关管，或者一端与外开关管连接另一端与中点连接的开关管，例如Sx2、Sx3(x＝a、b、c)，定义为内开关管。该方法的流程图如图3所示，包括步骤：
采样所述三电平中点钳位型变流器的电压和电流信息，生成调制波信号。采样充放电机的电压电流信息，进行电压电流双环控制，结果进行SPWM或者SVPWM调制，得到三相调制波信号ux(x＝a、b、c)。
将所述调制波信号与第一载波信号比较，输出信号为第一外开关管的开关驱动信号，将第一外开关管的开关驱动信号取反作为第四外开关管的开关驱动信号；将所述调制波信号与第二载波信号比较，输出信号为第二内开关管的开关驱动信号，将第二内开关管的开关驱动信号取反作为第三内开关管的开关驱动信号；第一载波信号与第二载波信号为不同的载波信号。例如其中，第一载波信号可以为幅值为0的直流信号，第二载波信号可以为三角载波信号。仍然以三相变流器为例，将第一载波信号设置为幅值为0的直流信号，第二载波信号设置为三角载波信号。
将A相调制波信号ua与0比较，输出值作为A相桥臂开关管Sa1的驱动信号Sa-1：当ua大于或等于0时，Sa-1＝1，当ua小于0时，Sa-1＝0；将Sa-1取反后，作为A相桥臂开关管Sa4的驱动信号Sa-4。
将A相调制波信号ua与三角载波信号比较，输出值作为A相桥臂开关管Sa2的驱动信号Sa-2：当ua大于或等于三角载波时，Sa-2＝1，当ua小于三角载波时，Sa-2＝0；将Sa-2取反后，作为A相桥臂开关管Sa3的驱动信号Sa-3。
同理，对B相和C相的驱动信号进行调制，得到B桥的驱动信号Sb-1、Sb-2、Sb-3、Sb-4和C桥的驱动信号Sc-1、Sc-2、Sc-3、Sc-4。根据驱动信号去驱动对应的开关管。图1和图2中同时也示出了一字型三电平中点钳位型变流器以及T型三电平中点钳位型变流器采用本实施提供的该方法的载波调制示意图。图4示出了采用本实施提供的载波调制方法的波形图，由图4可以看出，采用该载波调试方法，Sa1和Sa4工频动作；Sa2和Sa3高频动作，从而极大地降低了两个外管的开关次数。该载波调制方法的调制过程中，开关状态共有4中，如表1所示。
表1三电平中点钳位型变流器的调制方法的开关状态表
Figure BDA0002927828510000051
所得桥口Vab的电压波形如图5所示，如图可见，采用本发明提供的实施例，与常规调制策略的效果相同，输出电压仍为三电平，但外管的开关频率大大降低，从而提高了系统的效率。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种三电平中点钳位型变流器的调制装置，所述三电平中点钳位型变流器包括至少一相桥臂，每相桥臂至少包括第一和第四外开关管、以及第二和第三内开关管；该调制装置包括调制波信号生成模块、外开关管驱动信号生成模块和内开关管驱动信号生成模块，该装置的构成框图如图6所示。
调制波信号生成模块，采样所述三电平中点钳位型变流器的电压和电流信息，生成调制波信号。所述三电平中点钳位型变流器包括一字型三电平拓扑和T型三电平拓扑。
外开关管驱动信号生成模块，将所述调制波信号与第一载波信号比较，输出信号为第一外开关管的开关驱动信号，将第一外开关管的开关驱动信号取反作为第四外开关管的开关驱动信号；所述内开关管驱动信号生成模块，将所述调制波信号与第二载波信号比较信号，输出信号为第二内开关管的开关驱动信号，将第二内开关管的开关驱动信号取反作为第三内开关管的开关驱动信号。其中，所述外开关管包括在三电平中点钳位型变流器中与直流母线直接连接的开关管；所述内开关管包括在三电平中点钳位型变流器中连接于两个外开关管之间的开关管，或者一端与外开关管连接另一端与中点连接的开关管。
所述第一载波信号与第二载波信号为不同的载波信号，第一载波信号可以包括幅值为0的直流信号，第二载波信号可以包括三角载波信号。
综上所述，本发明涉及一种三电平中点钳位型变流器的调制方法及装置，关注中点电位控制与开关损耗的平衡，对三电平中点钳位型变流器的外开关管采用调制波信号与直流载波信号比较得到开关管驱动信号，内开关管采用调制波信号与三角载波比较得到开关管驱动信号，然后用所得的开关管驱动信号对开关管进行驱动，从而使得外开关管以工频动作，只有内开关管进行高频动作，极大地降低了外开关管的开关次数，在降低开关损耗的同时，兼顾了中点电位控制的效果，实现简单，效果良好，非常适用于工程应用。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种三电平中点钳位型变流器的调制方法，其特征在于，所述三电平中点钳位型变流器包括至少一相桥臂，每相桥臂至少包括第一和第四外开关管、以及第二和第三内开关管；每相桥臂的第二和第三内开关管的连接点通过交流滤波器连接至交流电网，第一外开关管与第二内开关管的连接点、以及第四外开关管与第三内开关管的连接点通过第一和第二二极管相互连接，第一和第二二极管的连接点接至直流母线的中点；或者每相桥臂的第一和第四外开关管相互连接，连接点通过交流滤波器连接至交流电网，第二和第三内开关管相互连接后一端连接至第一外开关管，另一端连接至直流母线的中点；该调制方法包括步骤：
采样所述三电平中点钳位型变流器的电压和电流信息，生成调制波信号；
将所述调制波信号与第一载波信号比较，输出信号为第一外开关管的开关驱动信号，将第一外开关管的开关驱动信号取反作为第四外开关管的开关驱动信号；
将所述调制波信号与第二载波信号比较，输出信号为第二内开关管的开关驱动信号，将第二内开关管的开关驱动信号取反作为第三内开关管的开关驱动信号；
所述第一载波信号与第二载波信号为不同的载波信号，第一载波信号包括幅值为0的直流信号，第二载波信号包括三角载波信号；
第一和第四外开关管工频动作；第二和第三内开关管高频动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外开关管包括在三电平中点钳位型变流器中与直流母线直接连接的开关管；所述内开关管包括在三电平中点钳位型变流器中连接于两个外开关管之间的开关管，或者一端与外开关管连接另一端与中点连接的开关管。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述三电平中点钳位型变流器包括一字型三电平拓扑和T型三电平拓扑。
4.一种三电平中点钳位型变流器的调制装置，其特征在于，所述三电平中点钳位型变流器包括至少一相桥臂，每相桥臂至少包括第一和第四外开关管、以及第二和第三内开关管；每相桥臂的第二和第三内开关管的连接点通过交流滤波器连接至交流电网，第一外开关管与第二内开关管的连接点、以及第四外开关管与第三内开关管的连接点通过第一和第二二极管相互连接，第一和第二二极管的连接点接至直流母线的中点；或者每相桥臂的第一和第四外开关管相互连接，连接点通过交流滤波器连接至交流电网，第二和第三内开关管相互连接后一端连接至第一外开关管，另一端连接至直流母线的中点；该调制装置包括调制波信号生成模块、外开关管驱动信号生成模块和内开关管驱动信号生成模块；其中，
所述调制波信号生成模块，采样所述三电平中点钳位型变流器的电压和电流信息，生成调制波信号；
所述外开关管驱动信号生成模块，将所述调制波信号与第一载波信号比较，输出信号为第一外开关管的开关驱动信号，将第一外开关管的开关驱动信号取反作为第四外开关管的开关驱动信号；
所述内开关管驱动信号生成模块，将所述调制波信号与第二载波信号比较信号，输出信号为第二内开关管的开关驱动信号，将第二内开关管的开关驱动信号取反作为第三内开关管的开关驱动信号；
并且，所述第一载波信号与第二载波信号为不同的载波信号，第一载波信号包括幅值为0的直流信号，第二载波信号包括三角载波信号；
第一和第四外开关管工频动作；第二和第三内开关管高频动作。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述外开关管包括在三电平中点钳位型变流器中与直流母线直接连接的开关管；所述内开关管包括在三电平中点钳位型变流器中连接于两个外开关管之间的开关管，或者一端与外开关管连接另一端与中点连接的开关管。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述三电平中点钳位型变流器包括一字型三电平拓扑和T型三电平拓扑。
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