提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法技术

一种提高半桥型模块化多电平变换器(half bridge modular multilevel converter,简称HBMMC)输出电平数的新型调制策略，HBMMC的每相上下桥臂都由半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块构成，对这两种子模块进行适当的投切，使得HBMMC交流输出的交流电平数增多。本发明专利技术提高交流输出电平数，显著改善了最近电平逼近法的效果，显著降低了HBMMC输出电压的谐波含量。而且，本发明专利技术不会导致子模块电容电压偏移、桥臂电感电压尖峰、HBMMC直流侧电压波动等问题。

Modulation method for increasing output level of half bridge modular multilevel converter

An improved half bridge type modular multilevel converter (half bridge modular multilevel converter, referred to as HBMMC) the new modulation strategy output level and the number of HBMMC on each bridge arm by half bridge type full voltage module and the half bridge type half voltage module, the two module of seed the appropriate switching the AC AC output increased the number of HBMMC flat. The invention improves the output level of AC output, remarkably improves the effect of the nearest level approximation method, and remarkably reduces the harmonic content of the HBMMC output voltage. Moreover, the present invention does not cause the capacitor voltage deviation of the submodule, the inductance voltage spike of the bridge arm, and the voltage fluctuation of the HBMMC DC side, etc..

【技术实现步骤摘要】
提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法
本专利技术属于电力电子领域，涉及一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法。
技术介绍
模块化多电平变换器具有高度模块化的电路，便于实现集成化设计，缩短项目周期，节约成本，具有广泛的应用前景。为了实现交流侧多电平输出，必须采用特定的调制方法。模块化多电平变换器的调制方式对其性能有着关键性的影响。目前已有的调制技术主要分为两类：多载波PWM调制技术及最近电平调制技术。当模块数较低时通常采用开关频率较高的PWM调制技术，开关频率过高就意味着开关损耗过大，而最近电平调制策略不仅可以降低电力电子器件的开关频率和开关损耗，而且实现简单、动态响应较快。但当电平数较低时若使用最近电平调制技术则输出波形谐波含量高，波形较差。目前已有的改进最近电平调制的文献如下：[1]LinL,LinY,HeZ,etal.ImprovedNearest-LevelModulationforaModularMultilevelConverterWithaLowerSubmoduleNumber[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2016,31(8):5369-5377.[2]HuP,JiangD.ALevel-IncreasedNearestLevelModulationMethodforModularMultilevelConverters[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2015,30(4):1836-1842.文献[1]和[2]均在不改变模块数的情况下使上下桥臂的调制波形相位不同来提高调制波的输出电平数的办法，但该方法会导致子模块电压的平均值偏低，且电容电压波动较大，桥臂电感电压波动较大，直流母线电压波动等问题。因此需要更加适当的改进措施在不影响电容电压波动的情况下对提高输出电平数。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，通过对拓扑和调制策略的改进，提高了输出波形质量。本专利技术采用以下技术方案：一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，半桥型模块化多电平变换器的每相上下桥臂均由N个半桥型全电压子模块和2个半桥型半电压子模块构成，其中，N为偶数，所述的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块需要投切的数量根据以下方法计算：当为奇数时，上下桥臂各投入1个半桥型半电压子模块，需要投入的半桥型全电压子模块的数量根据以下公式计算而得：其中，Us表示一相的调制信号，Uc表示全电压子模块电容的额定电压，round()表示取整函数；ndown表示下桥臂投入半桥型全电压子模块数量，nup表示上桥臂投入半桥型全电压子模块数量，N表示一个桥臂中半桥型全电压子模块的个数；当为偶数时，首先判断ΔU是否超过预设范围，其中，ΔU为半桥型半电压子模块电容电压与其额定电压之差的绝对值；如果ΔU没有超过预设范围，则不投入半桥型半电压子模块，而投入的全电压子模块数量根据以下公式计算：如果ΔU超过预设范围，而且满足半桥型半电压子模块电压调整条件，则投入2个半桥型半电压子模块，投入的半桥型全电压子模块数量根据以下公式计算：进一步，当为奇数时，选择投入的半桥型半电压子模块时，首先对半桥型半电压子模块的电容电压按照大小排序，当桥臂电流大于零时，投入电压较小的半桥型半电压子模块；当桥臂电流小于零时，投入模块电压较大的半桥型半电压子模块。进一步，半桥型半电压子模块电压调整条件是：当桥臂电流大于零时，至少有1个半桥型半电压子模块电容电压低于其额定电压超过预设范围；当桥臂电流小于零时，至少有1个半桥型半电压子模块电容电压高于其额定电压超过预设范围。进一步，计算每相上下桥臂的投切的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的个数时，首先将调制信号离散为阶梯波，阶梯波的阶梯高度为根据此阶梯波计算每相上下桥臂的投切的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的个数，其中，Udc为直流母线电压。进一步，半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块都为半桥结构。进一步，半桥型全电压子模块的电容额定电压为半桥型半电压子模块的电容额定电压为与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术半桥型模块化多电平变换器的每相上下桥臂均由N个半桥型全电压子模块和2个半桥型半电压子模块构成。调制时，根据的奇偶性及其与桥型半电压子模块电容电压与其额定电压之差的绝对值的情况决定投入半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的数量。本专利技术方法使得HBMMC交流输出的阶梯波的阶梯高度变为原来的一半，从而使HBMMC的交流侧输出电平数由N+1提高至2N+1。本专利技术不会导致子模块电容电压偏移、桥臂电感电压尖峰、HBMMC直流侧电压波动等问题。【附图说明】图1是本专利技术提出的新拓扑换流器结构原理图；图2是HBFVSM的拓扑结构；图3是HBHVSM的拓扑结构；图4是本专利技术提出的新的调制方法与传统最近电平调制策略的调制效果对比仿真图(以4个全电压子模块，2个半电压子模块为例)；图5是使用传统最近电平调制策略HBMMC输出一相电压波形；图6是使用本专利技术的新型调制策略HBMMC输出一相电压波形；图7是使用文献[1]中的改进最近电平调制策略桥臂电感电压波动图；图8是使用本专利技术调制方法的桥臂电感电压波动图；图9是使用本专利技术调制方法的子模块电容电压波动图。【具体实施方式】一种提高半桥型模块化多电平变换器(halfbridgemodularmultilevelconverter,简称HBMMC)输出电平数的混合拓扑调制方法，HBMMC的每相上下桥臂都由N个(N为偶数)半桥型全电平子模块HBFVSM和2个半桥型半电平子模块(halfbridgehalfvoltagesubmodule,简称HBHVSM)构成，通过对HBFVSM和HBHVSM进行适当的投切，使得HBMMC交流输出的阶梯波的阶梯高度变为原来的一半，从而使HBMMC的交流侧输出电平数由N+1提高至2N+1。本专利技术不会导致子模块电容电压偏移、桥臂电感电压尖峰、HBMMC直流侧电压波动等问题。本专利技术具体实现步骤如下：(1)上下桥臂均由N个HBFVSM和2个HBHVSM构成；(2)调制策略为：把调制信号离散为阶梯波，阶梯波的阶梯高度为根据此阶梯波，计算每相上下桥臂的投切的HBFVSM和HBHVSM的个数。最后由电压平衡策略产生HBFVSM和HBHVSM的触发信号，从而使HBMMC产生相应的输出。Udc为直流母线电压。其中，HBFVSM和HBHVSM都为半桥结构。HBFVSM的电容的额定电压为HBHVSM的电容的额定电压为计算每相上下桥臂的投切的HBFVSM和HBHVSM的个数的详细步骤为(为表述简明，以一相为例)：(1)当为奇数时，上下桥臂各投入一个HBHVSM(在选择具体HBHVSM时，首先对HBHVSM的电容电压按照大小排序，当桥臂电流大于零时，投入电压较小的HBHVSM；当桥臂电流小于零时，投入电压较大的HBHVSM)，投入的HBFVSM个数为：其中，ndown表示下桥臂投入HBFVSM数量，nup表示上桥臂投入HBFVSM数量，Us表示一相的调制信号，Uc表示HBFVSM本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：半桥型模块化多电平变换器的每相上下桥臂均由N个半桥型全电压子模块和2个半桥型半电压子模块构成，其中，N为偶数，所述的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块需要投切的数量根据以下方法计算：当

【技术特征摘要】
1.一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：半桥型模块化多电平变换器的每相上下桥臂均由N个半桥型全电压子模块和2个半桥型半电压子模块构成，其中，N为偶数，所述的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块需要投切的数量根据以下方法计算：当为奇数时，上下桥臂各投入1个半桥型半电压子模块，需要投入的半桥型全电压子模块的数量根据以下公式计算而得：其中，Us表示一相的调制信号，Uc表示全电压子模块电容的额定电压，round()表示取整函数；ndown表示下桥臂投入半桥型全电压子模块数量，nup表示上桥臂投入半桥型全电压子模块数量，N表示一个桥臂中半桥型全电压子模块的个数；当为偶数时，首先判断ΔU是否超过预设范围，其中，ΔU为半桥型半电压子模块电容电压与其额定电压之差的绝对值；如果ΔU没有超过预设范围，则不投入半桥型半电压子模块，而投入的全电压子模块数量根据以下公式计算：如果ΔU超过预设范围，而且满足半桥型半电压子模块电压调整条件，则投入2个半桥型半电压子模块，投入的半桥型全电压子模块数量根据以下公式计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：司刚全，朱建伟，雷妤航，张彦斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61