CN115411962A - 基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器均衡方法 - Google Patents

基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器均衡方法 Download PDF

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Abstract

一种基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器均衡方法，其提供了改进的开关器件通断组合选择策略，既能够使多电平变换器功率损耗在每个开关器件上均衡分布，也保证了相电压等效开关频率的一致，从而使总功率损耗基本不变。方法中既考虑到了开关损耗，又兼顾了导通损耗，能够使各开关器件的寿命得以延长并具有较高的一致性。该方法借助常用的载波移位PWM调制算法即可实现，具有较强的通用性和扩展性，对于任意电平数与拓扑结构的多电平变换器均能良好适用。

Description

基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器均衡方法
技术领域
本发明属于级联半桥式多电平变换器控制技术领域，具体涉及一种基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器损耗均衡方法。
背景技术
多电平变换器由于其较低的谐波畸变与电压应力、较高的功率密度和效率等一系列优点在电机驱动、列车牵引、光伏发电及船舶推动等领域应用广泛。现有的各类多电平变换器拓扑形式中，级联半桥式多电平变换器由于省去了对中性点和电容电压平衡的需求，在使用中对同一电平可提供多种开关组合，具有更高的自由度。然而，不同的开关组合在级联半桥式多电平变换器中会产生截然不同的功率损耗分布，不合理的选择所导致的功率损耗分布不均衡会大幅缩短器件寿命，影响变换器甚至是整个系统的可靠性。在用于解决功率损耗分布问题的现有技术中主要采用载波旋转的手段，但这种手段普遍存在忽略了功率损耗中占一定比例的导通损耗以及总开关损耗更高的缺点。
发明内容
有鉴于此，针对本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器均衡方法，具体包括以下步骤：
1)根据变换器中所采用的功率开关器件确定其导通损耗与开关损耗之比H；可具体通过查询功率开关器件相关手册等方式获取所述H；
2)针对变换器的L+1个电平数初始化L个载波，每个载波均为对称三角波，定义三角波的最大值和最小值对应的开关状态分别为1和0，其中开关状态1代表各级H半桥并联支路中的其中一个支路上桥臂导通、下桥臂断开，开关状态0则代表该支路下桥臂导通、上桥臂断开；以及，初始化变换器中各支路的优先权指数P为0并使全部开关器件处于断开状态；
3)根据三相参考电压计算变换器每相对应的参考调制信号值，并在每个载波周期起始时刻对每相参考调制信号进行采样；
4)判断采样的每相参考调制信号在载波周期内对应的导通支路数N，并将该数值N与当前时刻变换器中实际导通的支路数M进行比较，根据比较结果结合各支路在该时刻的优先权指数P，分别确定各相参考调制信号值并执行以下操作：
a.N大于M时，从L-M个未导通的支路中选择优先权指数最大的N-M个支路为恒通，并L-N个未导通支路中选择优先权指数最大的支路为脉宽调制；
b.N等于M时，从L-M个未导通的支路中选择优先权指数最大的支路进行脉宽调制；
c.N小于M时，从已导通的M个支路中选择优先权指数最小的M-N个断开，并从L-N个未导通的支路中选择优先权指数最大的支路为脉宽调制；
5)对变换器中每个支路的优先权指数分别基于以下规则进行更新：
a.对于在第k-1载波周期和当前第k载波周期均恒通的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+H
b.对于在第k-1载波周期断开、当前第k载波周期为恒通的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+H+1
c.对于在第k-1载波周期断开、当前第k载波周期进行脉宽调制的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+HD+1
其中，D表示该支路的开关占空比；
d.对于在第k-1载波周期和当前第k载波周期均断开的支路，则保持其优先权指数P(k)不变；
6)在每个载波周期的中间时刻，从已导通的N+1个支路中选择优先权指数最小的支路进行脉宽调制，其余已导通支路保持恒通；同时，对恒通的支路与进行脉宽调制的支路分别基于步骤5)中的相应规则再次更新，并分别确定各相参考调制信号值。
进一步地，步骤3)中对于每相对应的参考调制信号值Cx具体基于以下公式计算：
Figure BDA0003886605870000021
式中，vx为三相参考电压；E为每个半桥的直流电压；m为变换器中级联的半桥个数；相比x＝{a,b,c}对应各相。
进一步地，为防止优先权指数过大超出处理器数值范围，在每次完成优先权指数更新后，将全部支路的优先权指数均减去最小的优先权指数，再用于后一载波周期。
上述本发明所提供的基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器均衡方法，提供了改进的开关器件通断组合选择策略，既能够使多电平变换器功率损耗在每个开关器件上均衡分布，也保证了相电压等效开关频率的一致，从而使总功率损耗基本不变。方法中既考虑到了开关损耗，又兼顾了导通损耗，能够使各开关器件的寿命得以延长并具有较高的一致性。该方法借助常用的载波移位PWM调制算法即可实现，具有较强的通用性和扩展性，对于任意电平数与拓扑结构的多电平变换器均能良好适用。
附图说明
图1为本发明所提供方法对应的级联半桥式多电平变换器拓扑结构图；
图2为本发明所提供方法的总体流程示意图；
图3为本发明的实例中基于载波移位PWM调制执行损耗均衡的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
本发明所针对的级联半桥式多电平变换器如图1所示，当电平数为L+1时，每相将串联m＝L/2个H桥，且每个H桥由两个并联的开关支路构成，根据门极驱动信号的不同，每个H桥能够输出-E，0，E三种电平。本发明通过执行如图2所示的以下步骤进项损耗均衡：
1)根据变换器中所采用的功率开关器件确定其导通损耗与开关损耗之比H；可具体通过查询功率开关器件相关手册等方式获取所述H；
2)针对变换器的L+1个电平数初始化L个载波，每个载波均为对称三角波，定义三角波的最大值和最小值对应的开关状态分别为1和0，其中开关状态1代表各级H半桥并联支路中的其中一个支路上桥臂导通、下桥臂断开，开关状态0则代表该支路下桥臂导通、上桥臂断开；以及，初始化变换器中各支路的优先权指数P为0并使全部开关器件处于断开状态；
3)根据三相参考电压计算变换器每相对应的参考调制信号值，并在每个载波周期起始时刻对每相参考调制信号进行采样；
4)判断采样的每相参考调制信号在载波周期内对应的导通支路数N，并将该数值N与当前时刻变换器中实际导通的支路数M进行比较，根据比较结果结合各支路在该时刻的优先权指数P，分别分别确定各相参考调制信号值并执行以下操作：
a.N大于M时，从L-M个未导通的支路中选择优先权指数最大的N-M个支路为恒通，并L-N个未导通支路中选择优先权指数最大的支路为脉宽调制；
b.N等于M时，从L-M个未导通的支路中选择优先权指数最大的支路进行脉宽调制；
c.N小于M时，从已导通的M个支路中选择优先权指数最小的M-N个断开，并从L-N个未导通的支路中选择优先权指数最大的支路为脉宽调制；
5)对变换器中每个支路的优先权指数分别基于以下规则进行更新：
a.对于在第k-1载波周期和当前第k载波周期均恒通的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+H
b.对于在第k-1载波周期断开、当前第k载波周期为恒通的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+H+1
c.对于在第k-1载波周期断开、当前第k载波周期进行脉宽调制的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+HD+1
其中，D表示该支路的开关占空比；
d.对于在第k-1载波周期和当前第k载波周期均断开的支路，则保持其优先权指数P(k)不变；
6)在每个载波周期的中间时刻，从已导通的N+1个支路中选择优先权指数最小的支路进行脉宽调制，其余已导通支路保持恒通；同时，对恒通的支路与进行脉宽调制的支路分别基于步骤5)中的规则再次更新优先权指数。
在本发明的一个优选实施方式中，如图2所示，当采用载波移位PWM调制算法时，每条支路对应一个特定的载波，当参考调制信号在相应的载波以上时，对应的支路上桥臂将导通，反之则下桥臂导通。并且，通过调节不同支路所对应载波的上下位置，能够灵活地调节相应支路的开关状态，从而实现变换器性能的优化。
在此实例中，首先在步骤1)查询功率开关器件手册查询得到其导通损耗与开关损耗之比H＝0.3；
2)初始化4个载波开关状态均为0到1之间对称的三角波，且初始化开关支路的优先权指数并且各支路均为断开；
3)根据三相参考电压计算得到每相参考调整信号值，以a相为例，计算得到Ca＝2.5；对每相参考调制信号在每个载波周期起始时刻进行采样；
4)在载波周期起始时刻t＝0时，调制器对每相参考调制信号进行采样。对于a相，其在当前载波周期内显然应有N＝2条支路恒通，且有一条支路应进行占空比为0.5的脉宽调制。若在前一载波周期仅有Sa11(M＝1)为导通状态，且t＝0时Sa11、Sa12、Sa21、Sa22的优先权指数分别为3、1、1.5、4，因此进行以下动作：
由于N大于M，故需要从剩余L-M＝3条未导通的支路中选择优先权指数较大的N-M＝1条支路为恒通状态，显然Sa12具有最大的优先权指数，故而将被选择为恒通状态，其与载波比较的参考调制信号数值设为1。同时，从L-N＝2个未导通支路中选择优先权指数最大的支路即Sa21为脉宽调制，其与载波比较的参考调制信号数值设为0.5。
5)更新每个支路的优先权指数，对于Sa11开关支路，其前一载波周期和当前载波周期均恒通的支路，不产生开关动作，其优先权指数应更新为：
P(k)＝P(k-1)+H＝3+0.3＝3.3
对于Sa12开关支路，其前一载波周期断开，当前载波周期恒通，因此将产生开关损耗和导通损耗，其优先权指数应更新为：
P(k)＝P(k-1)+H+1＝1+0.3+1＝2.3
对于Sa21开关支路，其前一载波周期断开，当前载波周期进行脉宽调制，其优先权指数应更新为：
P(k)＝P(k-1)+HD+1＝1.5+0.3×0.5+1＝2.65；
6)在载波周期的中间时刻t＝Ts/2时，从已导通的Sa11、Sa12、Sa21这3个支路中选择优先权指数最小的支路进行脉宽调制，从而在载波周期结束时断开优先权指数最小的支路，其余已导通支路则保持恒通。在t＝Ts/2时，Sa11开关支路的参考调制信号设为0.5，而Sa12、Sa21支路的则均设为1。
对于恒通的支路与进行脉宽调制的支路再次更新其优先权指数：
对于Sa11开关支路，其将产生开关损耗和导通损耗，因此优先权指数应更新为：
P(k)＝P(k-1)+HD+1＝3.3+0.3×0.5+1＝4.45
对于Sa12和Sa21开关支路，其保持导通状态仅产生导通损耗，因此优先权指数应分别更新为：
Sa12:P(k)＝P(k-1)+H＝2.3+0.3＝2.6
Sa21:P(k)＝P(k-1)+H＝2.65+0.3＝2.95
对于上述过程中始终未导通的支路，可以保持其优先权指数不变。
在本发明的一个优选实施方式中，为防止优先权指数过大超出处理器数值范围，在每次完成优先权更新后，将所有开关支路的优先权指数均减去支路中最小的优先权指数。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.基于优先权适应机制的级联半桥式多电平变换器均衡方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1)根据变换器中所采用的功率开关器件确定其导通损耗与开关损耗之比H；可具体通过查询功率开关器件相关手册等方式获取所述H；
2)针对变换器的L+1个电平数初始化L个载波，每个载波均为对称三角波，定义三角波的最大值和最小值对应的开关状态分别为1和0，其中开关状态1代表各级H半桥并联支路中的其中一个支路上桥臂导通、下桥臂断开，开关状态0则代表该支路下桥臂导通、上桥臂断开；以及，初始化变换器中各支路的优先权指数P为0并使全部开关器件处于断开状态；
3)根据三相参考电压计算变换器每相对应的参考调制信号值，并在每个载波周期起始时刻对每相参考调制信号进行采样；
4)判断采样的每相参考调制信号在载波周期内对应的导通支路数N，并将该数值N与当前时刻变换器中实际导通的支路数M进行比较，根据比较结果结合各支路在该时刻的优先权指数P，分别确定各相参考调制信号值并执行以下操作：
a.N大于M时，从L-M个未导通的支路中选择优先权指数最大的N-M个支路为恒通，并L-N个未导通支路中选择优先权指数最大的支路为脉宽调制；
b.N等于M时，从L-M个未导通的支路中选择优先权指数最大的支路进行脉宽调制；
c.N小于M时，从已导通的M个支路中选择优先权指数最小的M-N个断开，并从L-N个未导通的支路中选择优先权指数最大的支路为脉宽调制；
5)对变换器中每个支路的优先权指数分别基于以下规则进行更新：
a.对于在第k-1载波周期和当前第k载波周期均恒通的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+H
b.对于在第k-1载波周期断开、当前第k载波周期为恒通的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+H+1
c.对于在第k-1载波周期断开、当前第k载波周期进行脉宽调制的支路，将其优先权指数P(k)更新为：
P(k)＝P(k-1)+HD+1
其中，D表示该支路的开关占空比；
d.对于在第k-1载波周期和当前第k载波周期均断开的支路，则保持其优先权指数P(k)不变；
6)在每个载波周期的中间时刻，从已导通的N+1个支路中选择优先权指数最小的支路进行脉宽调制，其余已导通支路保持恒通；同时，对恒通的支路与进行脉宽调制的支路分别基于步骤5)中的相应规则再次更新，并分别确定各相参考调制信号值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中对于每相对应的参考调制信号值Cx具体基于以下公式计算：
Figure FDA0003886605860000021
式中，vx为三相参考电压；E为每个半桥的直流电压；m为变换器中级联的半桥个数；相比x＝{a,b,c}对应各相。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：为防止优先权指数过大超出处理数值范围，在每次完成优先权指数更新后，将全部支路的优先权指数均减去最小的优先权指数，再用于后一载波周期。
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