一种多电平变换器调制策略转让专利
申请号 : CN202111006777.5
文献号 : CN113691156B
文献日 : 2022-03-29
发明人 : 郭小强 , 王凡 , 王晓明 , 卢志刚 , 华长春 , 马瑞斯·马利诺夫斯基 , 乔瑟夫·格莱罗
申请人 : 燕山大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种多电平变换器调制策略,其特征在于:包括如下步骤:S1、确定级联H桥个数N,电路的开关频率k,根据级联H桥个数N,确定三角载波Vc的移相角θ和所需要的三角载波Vc个数N,其中三角载波移相角θ的表达式为:S2、确定电路直流侧电压Vin,电路中阻感负载R和L;
S3、确定调制度m,得到旋转SPWM调制波,旋转SPWM调制波表达式为:其中,Vref是由正弦传统调制波变换而来的一种改进型调制波,Vsclamp表示一个钳位型调制波,正负半周幅值相同,且正负半周期内幅值保持恒定,用来钳位开关,使开关保持某种状态;
Vref表达式:
Vsclamp表达式:
在旋转SPWM调制波调制下生成相应电路拓扑的左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波,所述左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波均包括钳位部分和调制部分并分别与三角载波相比较,当左侧桥臂调制波或右侧桥臂调制波大于三角载波时,生成的驱动信号为高;当左侧桥臂调制波或右侧桥臂调制波小于三角载波时,生成的驱动信号为低,在钳位时间内,开关保持常通或者关断状态,在正常调制时间内,开关高频动作,进而驱动电路,从而完成相应调制过程;
左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波在一个周期内电路依次分为四个阶段,第一个阶段:左侧桥臂上侧开关常通,左侧桥臂下侧开关关断,右侧桥臂开关高频动作,第一个阶段结束后开启第二个阶段,所述第一个阶段具体电路状态过程为:左侧桥臂调制波处于钳位部分,左侧桥臂调制波VsL始终大于三角载波Vc,此时左侧桥臂上侧开关S11处于常通状态,左侧桥臂下侧开关S12处于关断状态;右侧桥臂调制波VsR处于调制部分,此时右侧桥臂开关高频导通和关断,当右侧桥臂调制波VsR大于三角载波Vc时,右侧桥臂下侧开关S14导通,同时右侧桥臂上侧开关S13关断;当右侧桥臂调制波VsR小于三角载波Vc时,右侧桥臂上侧开关S13导通,同时右侧桥臂下侧开关S14关断,此时第一阶段结束;
第二个阶段:右侧桥臂下侧开关常通,右侧桥臂上侧开关关断,同时左侧桥臂开关高频动作,第二个阶段结束后开启第三个阶段,所述第二个阶段具体电路状态过程为:右侧桥臂调制波处于钳位部分,右侧桥臂调制波VsR始终大于三角载波Vc,此时右侧桥臂下侧开关S14处于常通状态,右侧桥臂上侧开关S13处于关断状态;左侧桥臂调制波VsL处于调制部分,此时左侧桥臂开关高频导通和关断,当左侧桥臂调制波VsL大于三角载波Vc时,左侧桥臂上侧开关S11导通,同时左侧桥臂下侧开关S12关断;当左侧桥臂调制波VsL小于三角载波Vc,左侧桥臂下侧开关S12导通,同时左侧桥臂上侧开关S11关断,此时第二阶段结束;
第三个阶段:左侧桥臂下侧开关常通,左侧桥臂上侧开关关断,右侧桥臂开关高频动作,第三个阶段结束后开启第四个阶段,所述第三个阶段具体电路状态过程为:左侧桥臂调制波处于钳位部分,左侧桥臂调制波VsL始终小于三角载波Vc,此时左侧桥臂上侧开关S11处于关断状态,左侧桥臂下侧开关S12处于常通状态;右侧桥臂调制波VsR处于调制部分,此时右侧桥臂开关高频导通和关断,当右侧桥臂调制波VsR大于三角载波Vc时,右侧桥臂下侧开关S14导通,同时右侧桥臂上侧开关S13关断;当右侧桥臂调制波VsR小于三角载波Vc,右侧桥臂上侧开关S13导通,同时右侧桥臂下侧开关S14关断,此时第三阶段结束;
第四个阶段:右侧桥臂上侧开关常通,右侧桥臂下侧开关关断,同时左侧桥臂开关高频导通;第四阶段结束后,开始周期性循环,所述第四个阶段具体电路状态过程为:右侧桥臂调制波处于钳位部分,右侧桥臂调制波VsR始终小于三角载波Vc,右侧桥臂下侧开关S14处于关断状态,右桥臂上侧开关S13处于导通状态;左侧桥臂调制波VsL处于调制部分,此时左侧桥臂开关高频导通和关断,当左侧桥臂调制波VsL大于三角载波Vc时,左侧桥臂上侧开关S11导通,同时左侧桥臂下侧开关S12关断;当左侧桥臂调制波小于三角载波Vc,左侧桥臂下侧开关S12导通,同时左侧桥臂上侧开关S11关断,此时第四阶段结束。
说明书 :
一种多电平变换器调制策略
技术领域
背景技术
于高压直流输电系统和可再生能源系统。多电平逆变器有多种拓扑结构,其中级联H桥是应
用最广泛的拓扑结构之一。级联H桥的调制方式有很多种,包括载波移相、载波层叠、不连续
调制等。载波层叠调制下各模块功率分布不平衡。不连续调制下需要平衡开关次数和输出
波形之间的关系。载波移相调制技术具有很大的性能优势,既可以保证模块之间的功率平
衡,又可以保证输出波形的质量,因此被广泛应用于工业领域。但是,载波移相调制存在开
关频率高、电路损耗大、电路效率低等局限性。
经广泛应用在电力电子技术的各个领域。载波移相调制分为双极性和单极倍频。与双极性
PWM相比,单极倍频调制等效开关频率高,输出波形中谐波含量低,因此其性能更好。所以,
下面以单极倍频调制为代表介绍。图1是传统载波移相单极倍频调制控制原理图,单极倍频
调制是由幅值相同、相位相反的两个调制波Um1和Um2,N个相移角θ分别为2π/N的三角载波组
成。单极倍频调制的工作原理是当调制波Um1>Uc1时,第x个H桥单元的开关信号Sx1=1,Sx2=
0,否则Sx1=0,Sx2=1,当调制波Um2>Uc1,第x个H桥单元的开关信号Sx3=1,Sx4=0,否则Sx3=
0,Sx4=1。在这种调制下,电路中每个开关的频率是一致的,功率分配比较均衡,输出波形质
量好,THD小。但是,在正常状态下,开关始终处于高频状态,开关损耗大,会降低系统的效
率。
不利于电路稳定。
发明内容
可以使得模块间开关损耗接近一致,电路中开关管受热均匀,利于电路稳定性能的提高和
延长开关的使用寿命。
钳位部分和调制部分并分别与三角载波相比较,当左侧桥臂调制波或右侧桥臂调制波大于
三角载波时,生成的驱动信号为高;当左侧桥臂调制波或右侧桥臂调制波小于三角载波时,
生成的驱动信号为低,在钳位时间内,开关保持常通或者关断状态,在正常调制时间内,开
关高频动作,进而驱动电路,从而完成相应调制过程。
持某种状态;
侧开关关断,右侧桥臂开关高频动作,第一个阶段结束后开启第二个阶段;第二个阶段:右
侧桥臂下侧开关常通,右侧桥臂上侧开关关断,同时左侧桥臂开关高频动作,第二个阶段结
束后开启第三个阶段;第三个阶段:左侧桥臂下侧开关常通,左侧桥臂上侧开关关断,右侧
桥臂开关高频动作,第三个阶段结束后开启第四个阶段;第四个阶段:右侧桥臂上侧开关常
通,右侧桥臂下侧开关关断,同时左侧桥臂开关高频导通;第四阶段结束后,开始周期性循
环。
关S11处于常通状态,左侧桥臂下侧开关S12处于关断状态;右侧桥臂调制波VsR处于调制部
分,此时右侧桥臂开关高频导通和关断,当右侧桥臂调制波VsR大于三角载波Vc时,右侧桥臂
下侧开关S14导通,同时右侧桥臂上侧开关S13关断;当右侧桥臂调制波VsR小于三角载波Vc
时,右侧桥臂上侧开关S13导通,同时右侧桥臂下侧开关S14关断,此时第一阶段结束。
关S14处于常通状态,右侧桥臂上侧开关S13处于关断状态;左侧桥臂调制波VsL处于调制部
分,此时左侧桥臂开关高频导通和关断,当左侧桥臂调制波VsL大于三角载波Vc时,左侧桥臂
上侧开关S11导通,同时左侧桥臂下侧开关S12关断;当左侧桥臂调制波VsL小于三角载波Vc,
左侧桥臂下侧开关S12导通,同时左侧桥臂上侧开关S11关断,此时第二阶段结束。
关S11处于关断状态,左侧桥臂下侧开关S12处于常通状态;右侧桥臂调制波VsR处于调制部
分,此时右侧桥臂开关高频导通和关断,当右侧桥臂调制波VsR大于三角载波Vc时,右侧桥臂
下侧开关S14导通,同时右侧桥臂上侧开关S13关断;当右侧桥臂调制波VsR小于三角载波Vc,
右侧桥臂上侧开关S13导通,同时右侧桥臂下侧开关S14关断,此时第三阶段结束。
小于三角载波Vc,这个阶段右侧桥臂下侧开关S14处于关断状态,右桥臂上侧开关S13处于导
通状态;左侧桥臂调制波VsL处于调制部分,此时左侧桥臂开关高频导通和关断,当左侧桥臂
调制波VsL大于三角载波Vc时,左侧桥臂上侧开关S11导通,同时左侧桥臂下侧开关S12关断;
当左侧桥臂调制波小于三角载波Vc,左侧桥臂下侧开关S12导通,同时左侧桥臂上侧开关S11
关断,此时第四阶段结束。
左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波均包括钳位部分和调制部分,可以有效降低开关次数,
提升电路效率,左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波在一个周期内依次分为四个阶段,开关
以一种有序的方式开通和关断,在减少开关次数的同时还能保证输出波形质量;同时H桥单
元应用旋转SPWM调制方法可以使得模块间开关损耗接近一致,电路中开关管受热均匀,有
利于电路稳定运行,并能延长开关的使用寿命。
附图说明
具体实施方式
关并没有一直处于高频动作,而是高频和低频切换,在旋转SPWM调制波调制下生成电路拓
扑的左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波,左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波均包括钳位部
分和调制部分,可以有效降低开关次数,提升电路效率,左侧桥臂调制波和右侧桥臂调制波
在一个周期内电路依次分为四个阶段,开关以一种有序的方式开通和关断,在减少开关次
数的同时还能保证输出波形质量;同时H桥单元应用旋转SPWM调制方法可以使得模块间开
关损耗接近一致,电路中开关管受热均匀,有利于电路稳定运行,并能延长开关的使用寿
命。
持恒定,用来钳位开关,使开关保持某种状态;
相比较,当左侧桥臂调制波或右侧桥臂调制波大于三角载波时,生成的驱动信号为高;当左
侧桥臂调制波或右侧桥臂调制波小于三角载波时,生成的驱动信号为低,在钳位时间内,开
关保持常通或者关断状态,在正常调制时间内,开关高频动作,进而驱动电路,从而完成相
应调制过程。
左侧桥臂上侧开关S11的驱动信号g11,左侧桥臂只显示出右侧桥臂侧开关的驱动信号g14,图
中Vo为H桥交流侧输出电压,E为直流侧输入电压。
钳位部分,则左侧桥臂开关始终处于一种状态,开通或者关断,此时左侧桥臂开关处于低频
动作,左侧桥臂开关次数得到有效的降低。右侧桥臂调制波处于调制部分,则右侧桥臂开关
处于高频动作状态。具体分析如下:左侧桥臂调制波处于钳位部分,左侧桥臂调制波VsL始终
大于三角载波Vc,此时左侧桥臂上侧开关S11处于常通状态,左侧桥臂下侧开关S12处于关断
状态;右侧桥臂调制波VsR处于调制部分,此时右侧桥臂开关高频导通和关断,当右侧桥臂调
制波VsR大于三角载波Vc时,右侧桥臂下侧开关S14导通,同时右侧桥臂上侧开关S13关断;当
右侧桥臂调制波VsR小于三角载波Vc时,右侧桥臂上侧开关S13导通,同时右侧桥臂下侧开关
S14关断,此时第一阶段结束,第一个阶段结束后开启第二个阶段。
制波处于钳位部分,则右侧桥臂开关始终处于一种状态,开通或者关断,此时右侧桥臂开关
处于低频动作,右侧桥臂开关次数得到有效的降低。左侧桥臂调制波处于调制部分,则左侧
桥臂开关处于高频动作状态。具体说明如下,右侧桥臂调制波处于钳位部分,右侧桥臂调制
波VsR始终大于三角载波Vc,此时右侧桥臂下侧开关S14处于常通状态,右侧桥臂上侧开关S13
处于关断状态;左侧桥臂调制波VsL处于调制部分,此时左侧桥臂开关高频导通和关断,当左
侧桥臂调制波VsL大于三角载波Vc时,左侧桥臂上侧开关S11导通,同时左侧桥臂下侧开关S12
关断;当左侧桥臂调制波VsL小于三角载波Vc,左侧桥臂下侧开关S12导通,同时左侧桥臂上侧
开关S11关断,此时第二阶段结束,第二个阶段结束后开启第三个阶段。
上侧开关关断,右侧桥臂仍处于高频动作,具体分析如下:左侧桥臂调制波处于钳位部分,
左侧桥臂调制波VsL始终小于三角载波Vc,此时左侧桥臂上侧开关S11处于关断状态,左侧桥
臂下侧开关S12处于常通状态;右侧桥臂调制波VsR处于调制部分,此时右侧桥臂开关高频导
通和关断,当右侧桥臂调制波VsR大于三角载波Vc时,右侧桥臂下侧开关S14导通,同时右侧桥
臂上侧开关S13关断;当右侧桥臂调制波VsR小于三角载波Vc,右侧桥臂上侧开关S13导通,同
时右侧桥臂下侧开关S14关断,此时第三阶段结束,第三个阶段结束后开启第四个阶段;
侧桥臂下侧桥臂开关处于关断状态,左侧桥臂依然处于高频动作。具体分析如下:右侧桥臂
调制波处于钳位部分,右侧桥臂调制波VsR始终小于三角载波Vc,这个阶段右侧桥臂下侧开
关S14处于关断状态,右桥臂上侧开关S13处于导通状态;左侧桥臂调制波VsL处于调制部分,
此时左侧桥臂开关高频导通和关断,当左侧桥臂调制波VsL大于三角载波Vc时,左侧桥臂上
侧开关S11导通,同时左侧桥臂下侧开关S12关断;当左侧桥臂调制波小于三角载波Vc,左侧桥
臂下侧开关S12导通,同时左侧桥臂上侧开关S11关断,此时第四阶段结束,第四阶段结束后,
开始周期性循环。