CN114977870A

CN114977870A - 一种适用于t型三电平的不连续调制载波实现统一算法

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Publication number: CN114977870A
Application number: CN202210679138.3A
Authority: CN
Inventors: 冯婧; 金晓亮; 刘盛福
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2022-06-16
Filing date: 2022-06-16
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-06-16
Also published as: CN114977870B

Abstract

本发明属于电能变换技术领域，尤其是一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，包括以下步骤：S1模型建立：根据T型三电平电路拓扑，建立基于调制波的输出电压数学模型；S2调制波表达式的确立：根据步骤S1建立的数学模型和线性代数理论，求解调制波统一表达式；S3注入分量范围的确立：根据步骤S2得到的调制波表达式分析注入分量的求解范围；S4确定共模注入和单相注入的数值：改变共模注入和单相注入的数值，实现多种不连续调制策略。本发明对不连续调制策略提出了一种载波化实现的调制波统一表达式，将多种不连续调制策略的调制波表达式进行了统一；通过改变统一表达式中共模注入和差模注入的数值大小实现多种不连续调制策略。

Description

一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法

技术领域

本发明涉及电能变换技术领域，尤其涉及一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法。

背景技术

三相T型三电平逆变器由于具有减小谐波畸变、降低电源开关电压应力、提高效率等优点，被广泛应用于光伏、风力发电、电动汽车等驱动系统。由于T型三电平逆变器使用的功率开关是两电平逆变器的两倍，因此开关损耗是影响系统效率的一个主要问题。为了解决这一问题，通常采用在一个基本周期内切换次数较少的不连续脉宽调制策略来实现低开关损耗。在以往的方法中，不连续调制策略的实现需要根据调制度、参考电压矢量位置、功率因数等来确定电压矢量的选择，并进一步根据矢量序列依次求解占空比和调制波表达式，需要较长的计算时间，为此需要一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法。

发明内容

本发明提出的一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，根据T型三电平的数学模型，利用线性代数理论得到了调制波的统一表达式；同时，通过改变该统一表达式中的共模注入和差模注入的数值大小，实现不同的不连续调制策略，大大节省了运算时间，解决了现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，包括以下步骤:

S1模型建立：

根据T型三电平电路拓扑，建立基于调制波的输出电压数学模型；

S2调制波表达式的确立：

根据步骤S1建立的输出电压数学模型和线性代数理论，求解调制波统一表达式；

S3注入分量范围的确立：

根据步骤S2得到的调制波统一表达式分析注入分量的求解范围；

S4确定共模注入和单相注入的数值：

对于不同的不连续调制策略，根据步骤S3分析共模注入和单相注入的数值大小。

优选的，根据T型三电平电路拓扑，所述输出电压数学模型为：

其中，V_r＝[V_aN V_bN V_cN]^T表示三相输出电压向量；M＝[2/3 -1/3 -1/3； -1/3 2/3-1/3；-1/3 -1/3 2/3]^T；A＝[1 1 0 0 0 0；0 0 1 1 0 0；0 0 0 0 1 1]； U_r＝[u_ra1 u_ra2u_rb1 u_rb2 u_rc1 u_rc2]^T表示调制波向量；V_DC表示直流母线电压。

求解时：根据T型三电平的输出电压数学模型和线性代数理论，得到调制波统一表达式：

其中，τ表示6×1的任意向量；I₆表示6×6的单位矩阵。

求解调制波统一表达式的各项，首先需要求解调制波统一表达式中的矩阵M·A，将M和A代入，得到：

根据线性代数理论可知，矩阵M·A存在广义逆矩阵(M·A)⁺满足：

将上述结果代入表达式I₆-(Μ·Α)⁺(Μ·Α)，得到：

最终，将上述表达式代入调制波统一表达式并进行整理得到：

式中，[τ_aτ_bτ_cτ_com]^T表示注入分量。

对上式分析可知，对于T型三电平变换器，其调制波统一表达式由直流母线电压、参考电压V_r和注入分量[τ_aτ_bτ_cτ_com]^T三者决定。不同于传统三电平调制波仅含有一个共模注入分量，T型三电平变换器的注入分量包含两部分：共模注入分量τ_com和差模注入分量τ_x。

优选的，所述调制波表达式中，当选择单相的矢量电平为N-O-P 的顺序时，两个调制波表达式满足0≤u_rx1≤u_rx2≤1，共模注入分量τ_com和差模注入分量τ_x满足：

优选的，所述注入分量为：

时，实现 120°低电平钳位的不连续调制。

优选的，所述注入分量为：

时，实现 120°高电平钳位的不连续调制。

优选的，所述注入分量为：

时，实现180°钳位的不连续调制。

本发明中对不连续调制策略提出了一种载波化实现的调制波统一表达式，将多种不连续调制策略的调制波表达式进行了统一；通过改变统一表达式中共模注入和差模注入的数值大小实现多种不连续调制策略，大大节省了计算时间。

附图说明

图1为实施例一中T型三电平拓扑图；

图2为实施例一中T型三电平调制波与开关信号关系图；

图3为实施例四中最大相120°钳位的不连续调制策略的调制波；

图4为实施例四中最小相120°钳位的不连续调制策略的调制波；

图5为实施例五中180°钳位的不连续调制策略的调制波；

图6为实施例六中最大相120°钳位的不连续调制策略的开关信号；

图7为实施例六中最大相120°钳位的三相电流；

图8为实施例六中最小相120°钳位的不连续调制策略的开关信号；

图9为实施例六中最小相120°钳位的三相电流；

图10为实施例六中180°钳位的不连续调制策略的开关信号；

图11为实施例六中180°钳位的三相电流；

图12为本发明的方法步骤流程框图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图12，本方案公开了一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，包括的步骤如下：

S1模型建立：

S2调制波表达式的确立：

S3注入分量范围的确立：

S4确定共模注入和单相注入的数值：

实施例一：

T型三电平拓扑图如图1所示；对于四个开关管，不同的开关状态组合，其输出电压不同，如表1(表1中，x＝a，b，c)：

V<sub>xn</sub>	S<sub>x1</sub>	S<sub>x2</sub>	S<sub>x3</sub>	S<sub>x4</sub>
					V<sub>DC</sub>	On	Off	On	Off
V<sub>DC</sub>/2	Off	On	On	Off
					0	Off	On	Off	On

根据表1的开关组合可知，各相的开关管状态S_x1和S_x2互补， S_x3和S_x4互补；因此，建立T型三电平的输出模型，仅需分析S_x1和 S_x3的开关状态即可。本实施例采用单载波双调制波的实现方式，T 型三电平的两个调制波，开关管开关状态以及占空比如图2，满足：

其中，d_xp和d_xn分别表示开关管S_x1和S_x3的占空比；u_rx1和u_rx2分别表示两个调制波；

根据图2，单相对直流母线负端输出电压满足：

其中，V_DC表示直流母线电压；

根据伏秒平衡对T型三电平拓扑图列写电路方程，得到T型三电平的桥侧输出电压：

其中，V_n＝[V_an V_bn V_cn]^T表示三相对直流母线负端的输出电压向量；A＝[1 1 0 00 0；0 0 1 1 0 0；0 0 0 0 1 1]；U_r＝[u_ra1 u_ra2 u_rb1 u_rb2 u_rc1 u_rc2]^T表示调制波向量；

进一步，考虑到三相平衡(V_aN+V_bN+V_cN＝0)，得到T型三电平的输出电压数学模型为：

其中，V_r＝[V_aN V_bN V_cN]^T表示三相输出电压向量；M＝[2/3 -1/3 -1/3； -1/3 2/3-1/3；-1/3 -1/3 2/3]^T。

实施例二：

根据线性代数理论，求解式(4)，得到调制波统一表达式为：

其中，τ表示6×1的任意向量；I₆表示6×6的单位矩阵；

求解调制波表达式(5)中各项的具体形式，首先需要求解矩M·A 阵，将M和A代入，得到：

分析式(6)可知，该矩阵的秩为2，根据线性代数理论可知，其存在广义逆矩阵(M·A)⁺满足：

进一步，将式(7)代入式(5)，式(5)的第一项可以表示为1/V_DC·A^T·V_r。

将式(7)代入式(5)中的表达式I₆-(Μ·Α)⁺(Μ·Α)，得到：

上式的秩为4，因此，式(5)的第二项可以用一个秩为4的6×4矩阵和一个4×1的向量的乘积表示，因此，调制波表达式(5)化简为：

式中，[τ_aτ_bτ_cτ_com]^T表示注入分量。

根据上式可以得到，对于T型三电平变换器，其调制波的统一表达式由直流母线电压、参考电压V_r和注入分量[τ_aτ_bτ_cτ_com]^T三者决定。不同于传统三电平调制波仅含有一个共模注入分量，T型三电平变换器的注入分量包含两部分：共模注入分量τ_com和差模注入分量τ_x。

实施例三：

当选择单相的矢量电平为N-O-P的顺序，两个调制波表达式满足 0≤u_rx1≤u_rx2≤1，将其代入式(I)得到：

根据式(10)，得到共模注入分量满足：

-min(V_xN/V_DC)≤τ_com≤1-max(V_xN/V_DC) (11)

同时，当共模注入分量确定，其差模分量满足：

0≤τ_x≤min(V_xN/V_DC+τ_com,1-V_xN/V_DC-τ_com) (12)

通过选择合理的共模注入分量和差模注入分量，可以实现不同的 T型三电平调制方式；而在实际应用中，不连续调制可以大大减少系统损耗，提升系统效率；因此，通过选择合适的共模注入分量和差模注入分量可以实现不同的不连续调制策略。

实施例四：

120°钳位的不连续调制时，选择共模注入分量的最大值：

τ_com≤1-max(V_xN/V_DC) (13)

该方式中，最大相钳位至高电平，钳位相的S_x1和S_x3始终导通， S_x2和S_x4始终关断，其对应的调制波如图3所示；由于该方法始终钳位最大相，每120°作一次钳位相的切换，其开关损耗可以有效减少 33％。

选择共模注入分量的最小值：

τ_com≤-min(V_xN/V_DC) (14)

该方式中，最小相钳位至低电平，钳位相的S_x1和S_x3始终关断， S_x2和S_x4始终导通，其对应的调制波如图4所示；由于该方法始终钳位最小相，每120°作一次钳位相的切换，其开关损耗同样可以有效减少33％。

实施例五：

180°钳位的不连续调制时，选择共模注入分量的最大值：

τ_com＝(1-min(V_xN/V_DC)-max(V_xN/V_DC))/2 (15)

该方式中，对于任意一相，当其参考电压V_xN小于0时，该相S_x1的调制波u_rx1取0；当其参考电压V_xN大于0时，该相S_x3的调制波u_rx2取1；该方法对应的调制波如图5所示；由于该方法每180°作一次钳位相的切换，其开关损耗可以有效减少50％。

实施例六：

三种钳位方式的注入分量如表2所示：

对上述方法进行验证，得到仿真结果；其中，图6表示120°最大相钳位的开关信号，图7表示对应的三相电流波形；图8表示120°最小钳位的开关信号，图9表示对应的三相电流波形；图10表示180°钳位的开关信号，图11表示对应的三相电流波形；

该算法实现了对不连续调制策略提出了一种载波化实现的调制波统一表达式，将多种不连续调制策略的调制波表达式进行了统一；通过改变统一表达式中共模注入和差模注入的数值大小实现多种不连续调制策略，大大节省了计算时间。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，其特征在于，包括以下步骤:

S1模型建立：

S2调制波表达式的确立：

S3注入分量范围的确立：

S4确定共模注入和单相注入的数值：

对于不同的不连续调制策略，根据步骤S3分析共模注入和单相注入的值的大小。

2.根据权利要求1所述的一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，其特征在于，根据电路拓扑结构，所述输出电压数学模型为：

其中，V_r＝[V_aN V_bN V_cN]^T表示三相输出电压向量；M＝[2/3 -1/3 -1/3；-1/3 2/3 -1/3；-1/3 -1/3 2/3]^T；A＝[1 1 0 0 0 0；0 0 1 1 0 0；0 0 0 0 1 1]；U_r＝[u_ra1 u_ra2 u_rb1u_rb2 u_rc1 u_rc2]^T表示调制波向量；V_DC表示直流母线电压。

3.根据权利要求1所述的一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，其特征在于，所述调制波统一表达式为：

4.根据权利要求1所述的一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，其特征在于，所述调制波统一表达式中，当选择单相的矢量电平为N-O-P的顺序时，两个调制波表达式满足0≤u_rx1≤u_rx2≤1，共模注入分量τ_com和差模注入分量τ_x满足：

5.根据权利要求1所述的一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，其特征在于，所述注入分量为：

时，实现120°低电平钳位的不连续调制。

6.根据权利要求1所述的一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，其特征在于，所述注入分量为：

时，实现120°高电平钳位的不连续调制。

7.根据权利要求1所述的一种适用于T型三电平的不连续调制载波实现统一算法，其特征在于，所述注入分量为：

时，实现180°钳位的不连续调制。