CN116865584B - 两电平变换器及控制方法、spwm调制方法、spwm调制系统 - Google Patents

两电平变换器及控制方法、spwm调制方法、spwm调制系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于一种SPWM调制方法，针对两电平变换器拓扑在大功率变换器应用中为提高效率和解决散热问题，采用结合SVPWM和断续脉宽矢量调制的方法，使数字处理器运算负担大的技术问题，提供一种两电平变换器及控制方法、SPWM调制方法、SPWM调制系统，对生成的各相调制波进行修正，将A相调制波、B相调制波和C相调制波中最小值对应的相调制波置零，得到改进的调制波组。依据SPWM技术实现了断续脉宽矢量调制，无需再单独进行矢量计算，能够在较低运算能力的数字处理单元中实现断续脉宽矢量调制，以较低的成本降低了变换器拓扑的开关损耗，进而能够提高两电平变换器拓扑在大功率变换器应用中的效率，并解决散热问题。

Description

两电平变换器及控制方法、SPWM调制方法、SPWM调制系统
技术领域
本发明属于一种SPWM调制方法，涉及一种两电平变换器及控制方法、SPWM调制方法、SPWM调制系统。
背景技术
传统的两电平变换器具有结构简单、可靠性高和成本低廉等特点，然而，由于两电平变换器拓扑开关损耗较大，在大功率应用场合中，两电平变换器效率低和散热设计困难一直是工程上难以解决的问题。
为了克服两电平变换器拓扑在大功率应用场合中，效率低和散热设计困难的问题，多采用SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）技术，并结合断续脉宽矢量调制方法，使得两电平变换器拓扑在任一时刻均有一个桥臂处在钳位状态，达到降低开关损耗的目的。
但是，结合SVPWM和断续脉宽矢量调制的方法，在生成调制波时，需要进行矢量计算及合成，会给数字处理器带来巨大的运算负担。
发明内容
本发明针对两电平变换器拓扑在大功率变换器应用中为提高效率和解决散热问题，采用结合SVPWM和断续脉宽矢量调制的方法，使数字处理器运算负担大的技术问题，提供一种两电平变换器及控制方法、SPWM调制方法、SPWM调制系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提出一种两电平变换器SPWM调制方法，包括以下步骤：
S1-1，根据AC侧信号和DC侧信号，生成各相调制波；
S1-2，在各相调制波中，确定A相调制波、B相调制波和C相调制波中的最小值；
S1-3，将A相调制波、B相调制波和C相调制波中，最小值对应的相调制波置零，并根据最小值/>，修正另外两相调制波，得到改进的调制波组。
进一步地，步骤S1-3中，所述修正另外两相调制波具体为，使另外两相调制波减去最小值。
进一步地，步骤S1-1中，所述生成各相调制波具体为：生成包括A相调制波、B相调制波和C相调制波；
或者，生成包括A相调制波、B相调制波、C相调制波和N相调制波。
第二方面，本发明提出一种两电平变换器SPWM调制系统，用于实现上述两电平变换器SPWM调制方法，包括调制波组生成模块、最小值确定模块和改进模块；
所述调制波组生成模块，用于根据AC侧信号和DC侧信号，生成各相调制波；
所述最小值确定模块，用于在各相调制波中，确定A相调制波、B相调制波和C相调制波中的最小值；
所述改进模块，用于将A相调制波、B相调制波和C相调制波中，最小值对应的相调制波置零，并根据最小值/>，修正另外两相调制波，得到改进的调制波组。
第三方面，本发明提出一种两电平变换器，包括载波发生单元，以及依次连接的数据收集单元、调制波发生单元、信号驱动单元和AC-DC变换单元；所述载波发生单元与信号驱动单元相连；
所述数据收集单元分别连接外部的AC侧和DC侧，用于分别采集AC侧信号和DC侧信号；所述载波发生单元，用于生成载波信号；
所述调制波发生单元，用于采用上述两电平变换器SPWM调制方法，得到改进的调制波组；
所述信号驱动单元，用于根据改进的调制波和载波信号，生成驱动信号，并根据驱动信号通过执行开关动作驱动AC-DC变换单元进行AC-DC变换。
进一步地，所述信号驱动单元为三相四桥臂结构，四桥臂的总开关次数为：
其中，表示三相四桥臂变换器的开关频率，/>表示三相四桥臂变换器的一个工频周期。
进一步地，所述两电平变换器拓扑的开关损耗为采用连续型SPWM调制方法的两电平变换器的3/4。
进一步地，所述信号驱动单元为三相三桥臂结构，三桥臂的总开关次数为：
其中，表示三相三桥臂变换器的开关频率，/>表示三相三桥臂变换器的一个工频周期。
进一步地，所述两电平变换器拓扑的开关损耗为采用连续型SPWM调制方法的两电平变换器的2/3。
第四方面，本发明提出一种上述两电平变换器的控制方法，包括以下步骤：
S2-1，通过数据收集单元分别采集AC侧信号和DC侧信号；
S2-2，通过载波发生单元生成载波信号；同时，通过调制波发生单元得到与载波相对应的改进的调制波组；
S2-3，信号驱动单元根据改进的调制波组和载波信号，生成驱动信号，并根据驱动信号通过执行开关动作AC-DC变换单元进行AC-DC变换。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种两电平变换器SPWM调制方法，对生成的各相调制波进行修正，使A相调制波、B相调制波和C相调制波中最小值对应的相调制波为零。依据SPWM技术实现了断续脉宽矢量调制，无需再单独进行矢量计算，能够在较低运算能力的数字处理单元中实现断续脉宽矢量调制，以较低的成本降低了变换器拓扑的开关损耗，进而能够提高两电平变换器拓扑在大功率变换器应用中的效率，并解决散热问题。
本发明还提出了一种两电平变换器SPWM调制系统、两电平变换器控制方法和两电平变换器，具备上述两电平变换器SPWM调制方法的全部优势。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有AC-DC变换器示意图；
图2为本发明实施例一的流程示意图；
图3为本发明实施例二得到的改进的调制波组与采用现有SVPWM调制方法得到的对应调制波组中的调制波形对比图；
图4为本发明实施例二中的驱动示意图；
图5为本发明实施例三得到的改进的调制波组与采用现有SVPWM调制方法得到的对应调制波组中的调制波形对比图；
图6为本发明实施例三中的驱动示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，为现有AC-DC变换器示意图，包括载波发生单元，以及依次连接的数据收集单元、调制波发生单元、信号驱动单元、AC-DC变换单元。
数据收集单元分别连接AC侧和DC侧，用于采样AC侧信号和DC侧信号，发送至调制波发生单元，由调制波发生单元根据AC侧信号和DC侧信号产生相应的调制波，当前大多采用SVPWM技术结合断续脉宽矢量调制方法，由于这种调制方法在每个载波周期内均进行开关动作，AC-DC变换器拓扑的开关损耗较大。载波发生单元生成载波，信号驱动单元根据载波和调制波，生成驱动信号，信号驱动单元根据驱动信号驱动AC-DC变换单元进行AC-DC变换。
基于现有调制方法开关损耗大，且调制时需要进行矢量运算，运算负担重，本发明提出一种两电平变换器及控制方法、SPWM调制方法、SPWM调制系统。
如下将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例一
如图2所示，作为本发明一种两电平变换器SPWM调制方法的基础实施例，包括以下步骤：
S101，根据AC侧信号和DC侧信号，生成各相调制波；
其中，各相调制波一般可以是包括A相调制波、B相调制波和C相调制波的调制波组；也可以是包括A相调制波、B相调制波、C相调制波和N相调制波的调制波组。
针对不同细分类别的两电平变换器，均可使用本发明的两电平变换器SPWM调制方法。例如，对于三相三桥臂变换器，生成包括A相调制波、B相调制波和C相调制波的调制波组；对于三相四桥臂变换器，生成包括A相调制波、B相调制波、C相调制波和N相调制波的调制波组。
根据AC侧信号和DC侧信号，生成各相调制波，可采用现有的调制波生成策略，本发明是在生成调制波之后，再对调制波进行修正，进而实现新的调制方法。
S102，在各相调制波中，确定A相调制波、B相调制波和C相调制波中的最小值。
S103，将A相调制波、B相调制波和C相调制波中，最小值对应的相调制波置零，并根据最小值/>，修正另外两相调制波，得到改进的调制波组。
实施例一中，使最小值对应的相调制波为零，使得变换器在任一时刻均能够使某一相调制波在120°基波周期内为零，进而使信号驱动单元相应部分不执行开关动作，能够显著降低整个两电平变换器拓扑的开关损耗。另外，依据SPWM技术实现了断续脉宽矢量调制，无需再进行矢量计算，对生成调制波的硬件中的数字处理器运算不再造成额外负担。
实施例二
实施例二是本发明一种两电平变换器SPWM调制方法的一个优选实施例，实施例二中，两电平变换器为三相四桥臂变换器，即信号驱动单元为三相四桥臂结构，具体包括以下步骤：
S201，根据AC侧信号和DC侧信号，生成包括A相调制波、B相调制波/>、C相调制波和N相调制波/>的调制波组；
S202，确定A相调制波、B相调制波/>、C相调制波/>中的最小值/>；
S203，根据最小值，通过下式修正各相调制波，使最小值/>对应的相调制波为零，得到改进的调制波组：
其中，为修正后的A相调制波，/>为修正后的B相调制波，/>为修正后的C相调制波，/>为修正后的N相调制波。
如图3所示，为实施例二得到的改进的调制波组与采用现有SVPWM调制方法得到的对应调制波组中的调制波形对比图，图3的横坐标表示时间，纵坐标表示电压，实线表示改进的调制波组中的调制波形，虚线表示采用现有SVPWM调制方法得到的调制波组中的调制波形，图3中从上至下各行依次对应A相调制波修正前后的调制波形、B相调制波修正前后的调制波形、C相调制波修正前后的调制波形和N相调制波修正前后的调制波形。从图3能够看出，对于三相四桥臂变换器，采用本发明的两电平变换器SPWM调制方法，能够修正波形，在任意时刻均有某一相桥臂处于钳位状态，以极低的运算开销实现了与五段式空间矢量脉宽调制等同的效果。
如图4所示，为实施例二中三相四桥臂变换器SPWM调制的驱动示意图，图4中曲线表示各相电压，矩形块表示各相驱动，从上至下各行依次对应A相、B相、C相和N相。从图4可以看出，每隔120°基波周期，交替对A相、B相和C相三相桥臂的某一相桥臂进行关断操作，使得信号驱动单元对应控制功率开关交替关闭，并保持N相对应控制功率开关的开关次数不变。
对于三相四桥臂变换器，在一个工频周期(单位Hz)内，假设开关频率固定为(单位Hz)，现有SVPWM调制方法下，四桥臂的总开关次数/>为：
其中，表示三相四桥臂变换器在SVPWM调制方法下A相对应的开关次数，/>表示三相四桥臂变换器在SVPWM调制方法下B相对应的开关次数，/>表示三相四桥臂变换器在SVPWM调制方法下C相对应的开关次数，/>表示三相四桥臂变换器在SVPWM调制方法下N相对应的开关次数。
实施例二的两电平变换器SPWM调制方法下，四桥臂的总开关次数为：
其中，表示实施例二的SPWM调制方法下A相对应的开关次数，/>表示实施例二的SPWM调制方法下B相对应的开关次数，/>表示实施例二的SPWM调制方法下C相对应的开关次数，/>表示实施例二的SPWM调制方法下N相对应的开关次数。
通过上述计算可以，采用实施例二的SPWM调制方法，开关损耗降低至现有SVPWM调制方法的3/4。
实施例三
实施例三是本发明一种两电平变换器SPWM调制方法的另一个优选实施例，实施例三中，两电平变换器为三相三桥臂变换器，即信号驱动单元为三相三桥臂结构，具体包括以下步骤：
S301，根据AC侧信号和DC侧信号，生成包括A相调制波、B相调制波/>和C相调制波/>调制波组；
S302，确定A相调制波、B相调制波/>、C相调制波/>中的最小值/>；
S303，根据最小值，通过下式修正各相调制波，并使最小值/>对应的相调制波为零，得到改进的调制波组：
如图5所示，为实施例三得到的改进的调制波组与采用现有SVPWM调制方法得到的对应调制波组中的调制波形对比图，图5的横坐标表示时间，纵坐标表示电压，实线表示改进的调制波组中的调制波形，虚线表示采用现有SVPWM调制方法得到的调制波组中的调制波形，图5中从上至下各行依次对应A相调制波修正前后的调制波形、B相调制波修正前后的调制波形和C相调制波修正前后的调制波形。从图5能够看出，对于三相三桥臂变换器，采用本发明的两电平变换器SPWM调制方法，能够修正波形，在任意时刻均有某一相桥臂处于钳位状态，以极低的运算开销实现了与五段式空间矢量脉宽调制等同的效果。
如图6所示，为实施例三中三相三桥臂变换器SPWM调制的驱动示意图，图6中曲线表示各相电压，矩形块表示各相驱动，从上至下各行依次对应A相、B相和C相。从图6可以看出，每隔120°基波周期，交替对A相、B相和C相三相桥臂的某一相桥臂进行关断操作，使得信号驱动单元对应控制功率开关交替关闭。
对于三相三桥臂变换器，在一个工频周期(单位Hz)内，假设开关频率固定为(单位Hz)，现有SVPWM调制方法下，三桥臂的总开关次数/>为：
其中，表示三相三桥臂变换器在SVPWM调制方法下A相对应的开关次数，/>表示三相三桥臂变换器在SVPWM调制方法下B相对应的开关次数，/>表示三相三桥臂变换器在SVPWM调制方法下C相对应的开关次数。
实施例三的两电平变换器SPWM调制方法下，三桥臂的总开关次数为：
其中，表示实施例三的SPWM调制方法下A相对应的开关次数，/>表示实施例三的SPWM调制方法下B相对应的开关次数，/>表示实施例三的SPWM调制方法下C相对应的开关次数。
通过上述计算可以，采用实施例三的SPWM调制方法，开关损耗降低至现有SVPWM调制方法的2/3。
实施例四
为了实现上述两电平变换器SPWM调制方法，本发明还提出了一种两电平变换器SPWM调制系统，实施例四是两电平变换器SPWM调制系统的基础实施例，包括调制波组生成模块、最小值确定模块和改进模块。
所述调制波组生成模块，用于根据AC侧信号和DC侧信号，生成各相调制波；
所述最小值确定模块，用于在各相调制波中，确定A相调制波、B相调制波和C相调制波中的最小值；
所述改进模块，用于将A相调制波、B相调制波和C相调制波中，最小值对应的相调制波置零，并根据最小值/>，修正另外两相调制波，得到改进的调制波组。
在本发明的其他实施例中，两电平变换器SPWM调制系统中各模块的设置，还可以根据实际需要进行调整，可以将每个模块进一步拆分为多个子模块，或进行其他组合，只要能够实现整体功能即可。另外，模块化的实现方式，更有利于两电平变换器SPWM调制方法的实施和推广应用。
实施例五
一种两电平变换器控制方法，在生成调制波后，采用前述的两电平变换器SPWM调制方法，对调制波进行改进，具体步骤为：
S401，通过数据收集单元分别采集AC侧信号和DC侧信号；
S402，通过载波发生单元生成载波信号；同时，通过调制波发生单元得到与载波相对应的改进的调制波组
S403，信号驱动单元根据改进的调制波组和载波信号，生成驱动信号，并根据驱动信号通过执行开关动作AC-DC变换单元进行AC-DC变换。
另外，基于图1现有的AC-DC变换器，本发明还提出一种两电平变换器，仅对调制波发生单元进行改进，采用前述的两电平变换器SPWM调制方法，得到改进的调制波组。
本发明依据SPWM调制技术实现断续脉宽矢量调制，使得三相桥臂总有一个处在钳位状态，能够有效的将三相四桥臂变换器拓扑的开关损耗降至原有的3/4，三相三桥臂变换器拓扑的开关损耗降至原有的2/3。核心发明点在于利用SPWM技术实现桥臂钳位状态的判断，无需计算矢量，对数字处理器运算不造成额外的负担。
以下对本发明中出现的英文缩写进行解释：
AC：Alternating Current，交流电；
DC：Direct Current，直流电；
SPWM：Sine Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种两电平变换器SPWM调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1-1，根据AC侧信号和DC侧信号，生成各相调制波；
S1-2，在各相调制波中，确定A相调制波、B相调制波和C相调制波中的最小值；
S1-3，将A相调制波、B相调制波和C相调制波中，最小值对应的相调制波置零，使另外两相调制波减去最小值/>，得到改进的调制波组。
2.根据权利要求1所述两电平变换器SPWM调制方法，其特征在于，步骤S1-1中，所述生成各相调制波具体为：生成包括A相调制波、B相调制波和C相调制波；
或者，生成包括A相调制波、B相调制波、C相调制波和N相调制波。
3.一种两电平变换器SPWM调制系统，用于实现权利要求1或2所述两电平变换器SPWM调制方法，其特征在于：包括调制波组生成模块、最小值确定模块和改进模块；
所述调制波组生成模块，用于根据AC侧信号和DC侧信号，生成各相调制波；
所述最小值确定模块，用于在各相调制波中，确定A相调制波、B相调制波和C相调制波中的最小值；
所述改进模块，用于将A相调制波、B相调制波和C相调制波中，最小值对应的相调制波置零，使另外两相调制波减去最小值/>，得到改进的调制波组。
4.一种两电平变换器，包括载波发生单元，以及依次连接的数据收集单元、调制波发生单元、信号驱动单元和AC-DC变换单元；所述载波发生单元与信号驱动单元相连；
所述数据收集单元分别连接外部的AC侧和DC侧，用于分别采集AC侧信号和DC侧信号；所述载波发生单元，用于生成载波信号；
其特征在于：
所述调制波发生单元，用于采用权利要求1或2所述两电平变换器SPWM调制方法，得到改进的调制波组；
所述信号驱动单元，用于根据改进的调制波和载波信号，生成驱动信号，并根据驱动信号通过执行开关动作驱动AC-DC变换单元进行AC-DC变换。
5.根据权利要求4所述两电平变换器，其特征在于：
所述信号驱动单元为三相四桥臂结构，四桥臂的总开关次数为：
其中，表示三相四桥臂变换器的开关频率，/>表示三相四桥臂变换器的一个工频周期。
6.根据权利要求5所述两电平变换器，其特征在于：
所述两电平变换器拓扑的开关损耗为采用连续型SPWM调制方法的两电平变换器的3/4。
7.根据权利要求4所述两电平变换器，其特征在于：
所述信号驱动单元为三相三桥臂结构，三桥臂的总开关次数为：
其中，表示三相三桥臂变换器的开关频率，/>表示三相三桥臂变换器的一个工频周期。
8.根据权利要求7所述两电平变换器，其特征在于：
所述两电平变换器拓扑的开关损耗为采用连续型SPWM调制方法的两电平变换器的2/3。
9.一种权利要求4至8任一所述两电平变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S2-1，通过数据收集单元分别采集AC侧信号和DC侧信号；
S2-2，通过载波发生单元生成载波信号；同时，通过调制波发生单元得到与载波相对应的改进的调制波组；
S2-3，信号驱动单元根据改进的调制波组和载波信号，生成驱动信号，并根据驱动信号通过执行开关动作AC-DC变换单元进行AC-DC变换。
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