CN115378286A - 一种三相三电平变流器电路及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相三电平变流器电路及其调制方法，该三相三电平变流器电路包括直流母线、三相三电平变流器、滤波器、电网和开关；直流母线用于三相三电平变流器的直流支撑及纹波吸收；三相三电平变流器的输出端与滤波器的输入端连接，用于将直流电变换为交流三相电；滤波器的输出端与电网和开关的输入端和直流母线的中点连接，用于限制三相三电平开关电路的开关次纹波电流以及平滑三相三电平变流器的输出电压；电网和开关用于连接或断开三相三电平变流器与电网。本发明降低了三相三电平变流器直流母线中点电压低频波动，能够有效地减小对变换器直流母线电容容量的需求，以降低变换器的成本，提高变换器的控制稳定性，降低控制难度。

Description

一种三相三电平变流器电路及其调制方法
技术领域
本发明涉及变流器技术领域，特别是一种三相三电平变流器电路及其调制方法。
背景技术
当前，三相变流器主流的PWM调制方法有：SPWM正弦脉宽调制、SHEPWM特定谐波消除脉宽调制法以及SVPWM空间矢量脉宽调制法。SPWM载波调制技术具有原理相对简单、使用范围广泛、调节性能高的优点，其缺点主要有电压利用率低和开关损耗较高。空间矢量脉宽调制法广泛应用于数字控制的电压源型变换器中。SVPWM相比较于上述两种调制方法，谐波含量较低，因其模拟三相电压的正弦磁链圆来输出三相电压，输出的电压更接近正弦波。并且电压利用率比传统的调制方法高15％，提高了变换器的效率。SHEPWM特定谐波消除脉宽调制法这种调制方法的优势在于较低的开关频率下可以得到较高的基波电压，提高电压利用率。
在DC/AC电源系统中，直流母线电解电容作为关键的元器件，其使用寿命直接影响于整个电源系统，直流母线无电解电容控制技术的目的是减小直流母线的电容值，从而使用容值小使用寿命长的金属膜电容替换掉容值大使用寿命短的电解电容。实现无电解电容控制方法的主要思想是改进控制策略，减小直流母线对电容值的需求，从而实现无电解电容技术。文献中采用一种最大幅值电流的控制方法，把直流侧的电压波动通过并联的解耦结构转移到解耦电容上，实际上通过能量的流动降低了逆变器直流母线侧电容的功率波动，直流母线侧电容值因此可以大幅度减小。但是这种方法其交流侧并联结构增加了七个开关管，还需计算每个开光管的占空比实现无电解电容技术，增加了硬件成本和调制算法的计算量。也有文献提出了一种基于Buck-boost功率解耦技术的逆变器结构，设计了解耦电路使其并联逆变器时可以把直流母线侧的波动能量的双向流动，实现无电解电容技术。
该方法减小了解耦电容成本，使并联的拓扑结构成本降低。有文献提出了一种仅采用电感电流反馈的电压单环控制方法，既能有效抑制流入前级电路中的二次谐波电流，又能有效改善负载突变时中间直流母线电压的动态特性，从而减小直流母线侧电容容值。有人研究了一种变频系统减小母线电容控制方法，通过控制特定的并联解耦电路，减小直流母线的功率波动，但是该方式只局限于特定的电路拓扑结构。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种三相三电平变流器电路及其调制方法，以解决上述技术问题。
本发明公开了一种三相三电平变流器电路，包括直流母线、三相三电平变流器、滤波器、电网和开关；
所述直流母线的正极和负极之间连接所述三相三电平变流器，用于三相三电平变流器的直流支撑及纹波吸收；
所述三相三电平变流器的输出端与所述滤波器的输入端连接，用于将直流电变换为交流三相电；
所述滤波器的输出端与所述电网和开关的输入端和所述直流母线的中点连接，用于限制三相三电平开关电路的开关次纹波电流以及平滑所述三相三电平变流器的输出电压；
所述电网和开关用于连接或断开所述三相三电平变流器与电网。
进一步地，所述直流母线由两个对称的电容串联构成；其中，所述直流母线的电容中点BUSN为所述直流母线的中点，连接所述滤波器中的电容中点，以实现所述三相三电平变流器的调制信号中的三次谐波电压产生的谐波电流回流到所述直流母线的电容中点BUSN；
所述滤波器包括第一电感组和第一电容组；所述第一电感组包括三个并联连接的第一电感，所述第一电容组包括三个并联连接的电容；
所述三个并联连接的电感与所述三个并联连接的电容一一对应且串联连接；
所述电网和开关包括第二电感组和若干个与所述第一电感组串联连接的开关组；所述第二电感组包括三个并联连接的第二电感；
每个所述第二电感分别与每个所述开关组中的一个开关串联连接。
进一步地，所述三个并联连接的电容的公共端为所述滤波器中的电容中点；
所述三相三电平变流器的拓扑由开关管组成，其能够为三相三电平电路拓扑有T型三电平电路或二极管钳位三电平电路。
进一步地，所述三相三电平变流器包括并联连接的第一开关管支路、第二开关管支路和第三开关管支路，以及连接在所述电容中点BUSN与所述第一开关管支路的中点之间的第一反向开关支路、连接在所述电容中点BUSN与所述第二开关管支路的中点之间的第二反向开关支路、连接在所述电容中点BUSN与所述第三开关管支路的中点之间的第三反向开关支路。
进一步地，所述第一开关管支路、第二开关管支路和第三开关管支路分别由两个包含反并二极管的开关串联而成。
进一步地，所述第一反向开关支路、所述第二反向开关支路和所述第三反向开关支路分别由一个包含反并二极管的开关和一个包含正并二极管的开关串联而成。
进一步地，所述第一电感组中的三个第一电感的电流输入端与所述第一开关管支路的中点、第二开关管支路的中点和第三开关管支路的中点一一对应连接。
本发明还公开了一种三相三电平变流器电路的调制方法，包括：
采样及调节模块输出调制电压ua、ub、uc；
PWM调制模块在ua、ub、uc上附加三次谐波调制电压信号，得到附加调制信号；
所述PWM调制模块将所述附加调制信号与三相三电平变流器载波信号作比较生成PWM信号。
进一步地，所述采样及调节模块采集三相三电平变流器的滤波器以及电网电压电流信息，通过调节器实时计算出需要达到调节目标的调制电压ua、ub、uc，并将其传送至所述PWM调制模块；
所述PWM调制模块将调制电压ua、ub、uc与附加信号相加，通过与三相三电平载波信号比较，生成三相三电平变换器的开关管驱动信号，输出到三相三电平变流器，完成闭环控制。
进一步地，所述PWM调制模块附加的三次谐波调制信号的相位与ua、ub、uc的相位相同，其幅值为ua、ub、uc的0.17倍至0.267倍。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明通过连接直流母线电容中点和变流器滤波器电容中点，同时在三相调制信号中附加幅值和相位合适的三次谐波电压，以实现直流母线中点电流的相互抵消，从而达到抑制直流母线中点电压的低频波动，使得无电解电容三相逆变器对直流母线支撑电容的容量大大减小，同时也降低了变流器的体积和成本，提高了控制的稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种三相三电平变流器调制电路及其调制方法示意图；
图2为本发明实施例的一种T型三电平三相逆变器电路示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
参见图1，本发明提供了一种三相三电平变流器电路的实施例，其包括包括直流母线、三相三电平变流器、滤波器、电网和开关；
直流母线的正极和负极之间连接三相三电平变流器，用于三相三电平变流器的直流支撑及纹波吸收；
三相三电平变流器的输出端与滤波器的输入端连接，用于将直流电变换为交流三相电；
滤波器的输出端与电网和开关的输入端和直流母线的中点连接，用于限制三相三电平开关电路的开关次纹波电流以及平滑三相三电平变流器的输出电压；
电网和开关用于连接或断开三相三电平变流器与电网。
本实施例中，直流母线由两个对称的电容串联构成；其中，直流母线的电容中点BUSN为直流母线的中点，连接滤波器中的电容中点，以实现三相三电平变流器的调制信号中的三次谐波电压产生的谐波电流回流到直流母线的电容中点BUSN；
滤波器包括第一电感组和第一电容组；第一电感组包括三个并联连接的第一电感，第一电容组包括三个并联连接的电容；
三个并联连接的电感与三个并联连接的电容一一对应且串联连接；
电网和开关包括第二电感组和若干个与第一电感组串联连接的开关组；第二电感组包括三个并联连接的第二电感；
每个第二电感分别与每个开关组中的一个开关串联连接。
本实施例中，三个并联连接的电容的公共端为滤波器中的电容中点；
三相三电平变流器的拓扑由开关管组成，其能够为三相三电平电路拓扑有T型三电平电路或二极管钳位三电平电路。
本实施例中，三相三电平变流器包括并联连接的第一开关管支路、第二开关管支路和第三开关管支路，以及连接在电容中点BUSN与第一开关管支路的中点之间的第一反向开关支路、连接在电容中点BUSN与第二开关管支路的中点之间的第二反向开关支路、连接在电容中点BUSN与第三开关管支路的中点之间的第三反向开关支路。
本实施例中，第一开关管支路、第二开关管支路和第三开关管支路分别由两个包含反并二极管的开关串联而成。
本实施例中，第一反向开关支路、第二反向开关支路和第三反向开关支路分别由一个包含反并二极管的开关和一个包含正并二极管的开关串联而成。
本实施例中，第一电感组中的三个第一电感的电流输入端与第一开关管支路的中点、第二开关管支路的中点和第三开关管支路的中点一一对应连接。
参见图2，本发明还给出了一种三相三电平变流器电路的调制方法的实施例，其包括：
采样及调节模块输出调制电压ua、ub、uc；
PWM调制模块在ua、ub、uc上附加三次谐波调制电压信号，得到附加调制信号；
PWM调制模块将附加调制信号与三相三电平变流器载波信号作比较生成PWM信号。
本实施例中，采样及调节模块采集三相三电平变流器的滤波器以及电网电压电流信息，通过调节器实时计算出需要达到调节目标的调制电压ua、ub、uc，并将其传送至PWM调制模块；
PWM调制模块将调制电压ua、ub、uc与附加信号相加，通过与三相三电平载波信号比较，生成三相三电平变换器的开关管驱动信号，输出到三相三电平变流器，完成闭环控制。
本实施例中，PWM调制模块附加的三次谐波调制信号的相位与ua、ub、uc的相位相同，其幅值为ua、ub、uc的0.17倍至0.267倍。
参见图2，采用T型三电平逆变器电路拓扑，其中直流母线电容中点输出电流为io，方向如图中箭头所示，输入电流为iio，其方向如图中所示。两电流关系描述如下：
i0＝ia*(1-|ua/udc|)+ib*(1-|ub/udc|)+ic*(1-|uc/udc|) (1)
ii0＝ua0*(2*pi*f0*C0)+ub0*(2*pi*f0*C0)+uc0*(2*pi*f0*C0) (2)
其中，ia、ib、ic分别是逆变器输出电流，ua、ub、uc分别是逆变器的调制电压，不考虑器件损耗情况下也是逆变器输出电压。udc为母线电容电压，pi是圆周率，C0是滤波器电容值，f0是附加三次谐波的频率，ua0、ub0、uc0是附加三次谐波。
i0和ii0都表示三次谐波频率的电流分量，电路原理可知，直流母线中点电压波动受三次谐波电流影响较大，其余影响因数如开关次电流谐波引起的电压波动很小，在此可以忽略不计。式(1)式(2)描述的是直流母线中点波动电流生成的原理及相关因数，其中参数还满足如下两个关系：
1/(2*pi*f1*C0)>20*ua/ia (3)
f0＝3*f1 (4)
其中，f1表示基波频率。式(3)描述的关系表示通常在逆变器设计时，其滤波电容基波阻抗大于逆变器额定阻抗的20倍，以满足电网对逆变器的容性无功要求。
综合上述表达式，可以用数值方式列举出各种应用工况下，直流母线波动的大小情况。
本发明针对权利要求中描述的电路连接以及常用设计方案和常用工作范围，限定调制波中的附加三次谐波幅值为0.17至0.267倍的ua、ub、uc，相位与ua、ub、uc相同。经过大量的仿真与实验验证，其能够有效抑制直流母线电容中点的电压波动。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相三电平变流器电路，其特征在于，包括直流母线、三相三电平变流器、滤波器、电网和开关；
所述直流母线的正极和负极之间连接所述三相三电平变流器，用于三相三电平变流器的直流支撑及纹波吸收；
所述三相三电平变流器的输出端与所述滤波器的输入端连接，用于将直流电变换为交流三相电；
所述滤波器的输出端与所述电网和开关的输入端和所述直流母线的中点连接，用于限制三相三电平开关电路的开关次纹波电流以及平滑所述三相三电平变流器的输出电压；
所述电网和开关用于连接或断开所述三相三电平变流器与电网。
2.根据权利要求1所述的三相三电平变流器电路，其特征在于，所述直流母线由两个对称的电容串联构成；其中，所述直流母线的电容中点BUSN为所述直流母线的中点，连接所述滤波器中的电容中点，以实现所述三相三电平变流器的调制信号中的三次谐波电压产生的谐波电流回流到所述直流母线的电容中点BUSN；
所述滤波器包括第一电感组和第一电容组；所述第一电感组包括三个并联连接的第一电感，所述第一电容组包括三个并联连接的电容；
所述三个并联连接的电感与所述三个并联连接的电容一一对应且串联连接；
所述电网和开关包括第二电感组和若干个与所述第一电感组串联连接的开关组；所述第二电感组包括三个并联连接的第二电感；
每个所述第二电感分别与每个所述开关组中的一个开关串联连接。
3.根据权利要求2所述的三相三电平变流器电路，其特征在于，所述三个并联连接的电容的公共端为所述滤波器中的电容中点；
所述三相三电平变流器的拓扑由开关管组成，其能够为三相三电平电路拓扑有T型三电平电路或二极管钳位三电平电路。
4.根据权利要求2所述的三相三电平变流器电路，其特征在于，所述三相三电平变流器包括并联连接的第一开关管支路、第二开关管支路和第三开关管支路，以及连接在所述电容中点BUSN与所述第一开关管支路的中点之间的第一反向开关支路、连接在所述电容中点BUSN与所述第二开关管支路的中点之间的第二反向开关支路、连接在所述电容中点BUSN与所述第三开关管支路的中点之间的第三反向开关支路。
5.根据权利要求4所述的三相三电平变流器电路，其特征在于，所述第一开关管支路、第二开关管支路和第三开关管支路分别由两个包含反并二极管的开关串联而成。
6.根据权利要求4所述的三相三电平变流器电路，其特征在于，所述第一反向开关支路、所述第二反向开关支路和所述第三反向开关支路分别由一个包含反并二极管的开关和一个包含正并二极管的开关串联而成。
7.根据权利要求4所述的三相三电平变流器电路，其特征在于，所述第一电感组中的三个第一电感的电流输入端与所述第一开关管支路的中点、第二开关管支路的中点和第三开关管支路的中点一一对应连接。
8.一种三相三电平变流器电路的调制方法，其特征在于，包括：
采样及调节模块输出调制电压ua、ub、uc；
PWM调制模块在ua、ub、uc上附加三次谐波调制电压信号，得到附加调制信号；
所述PWM调制模块将所述附加调制信号与三相三电平变流器载波信号作比较生成PWM信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述采样及调节模块采集三相三电平变流器的滤波器以及电网电压电流信息，通过调节器实时计算出需要达到调节目标的调制电压ua、ub、uc，并将其传送至所述PWM调制模块；
所述PWM调制模块将调制电压ua、ub、uc与附加信号相加，通过与三相三电平载波信号比较，生成三相三电平变换器的开关管驱动信号，输出到三相三电平变流器，完成闭环控制。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述PWM调制模块附加的三次谐波调制信号的相位与ua、ub、uc的相位相同，其幅值为ua、ub、uc的0.17倍至0.267倍。
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