基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法，该方法通过在一个开关周期内轮流导通子模块的两个开关管，使得子模块相臂电感电流负半周截止。为了克服半周期调制下由于本拓扑环流的存在而导致的桥臂电流过零点畸变问题，通过理论分析将最大桥臂电流纹波的一半作为阈值与桥臂电流采样值作比较得到使能信号，再与双极性PWM调制信号经过逻辑与门得到开关信号，因而能在桥臂电流过零点附近形成最小的开关信号重叠通道用于同时开通或关断开关管。本发明专利技术提高了逆变器转换效率和功率密度，同时提高了拓扑可靠性，可调节不连续调制减小了子模块开关损耗，消除了电流过零点畸变，提高了输出电能质量。

【技术实现步骤摘要】
基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法
本专利技术属于高压大功率电力电子
，主要涉及一种基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法。
技术介绍
现有双降压型逆变器作为子模块的模块化多电平拓扑克服了传统的以半桥结构作为子模块的模块化多电平逆变器存在的直通和死区带来的输出畸变问题，提高了电能质量和功率转换效率以及运行可靠性。基于双降压型逆变器的模块化多电平变换器中常用的调制策略包括连续调制策略和不连续调制策略。现有连续调制策略即两个开关管在一个开关周期内同时工作于高频状态，电感电流处于连续导通模式，此时子模块会产生环流，同时这种调制方式下开关管电流应力也较大，电感利用率低，开关损耗较大。现有不连续调制策略使得双降压型子模块的两个开关在一个开关周期内互补导通工作，能够减小开关损耗，提高电感利用率；但是，由于双降压型逆变器单元电感电流的单向导通特性，其端口输出电流(即基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的桥臂电流)过零点时刻会产生畸变，这种畸变可能降低电能质量。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续载波移相调制方法。技术方案：本专利技术的基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法包括以下步骤：(1)基于上下桥臂调制波和上下桥臂载波组进行调制，得到不连续调制下的脉宽调制信号，使得双降压型子模块中的第一和第二开关管在一个开关周期内互补导通；其中，所述上下桥臂载波组各自包括N个载波；(2)根据不连续调制下第一和第二开关管在一个开关周期内互补导通时的各种开关状态组合，将所述模块化多电平拓扑在一个工频周期内分为四个工作阶段；(3)结合所述双降压型子模块在不连续调制下的四种运行模态对每一个工作阶段的所有开关模态进行分析，分别得到上下桥臂电流纹波，并基于上下桥臂电流纹波分别确定上下桥臂电流在过零点附近的最大纹波值；(4)基于上下桥臂的最大纹波值分别计算上下桥臂电流阈值；(5)通过采样保持环节对所述拓扑的上下桥臂瞬时电流进行实时采样，并将采样得到的上下桥臂瞬时电流分别与上下桥臂电流阈值进行比较以分别得到上下桥臂使能信号；(6)将步骤(1)中的脉宽调制信号分别与各自的使能信号经过逻辑与门，得到上下桥臂中每个子模块的开关信号。步骤(1)中，上下桥臂调制波是相位相反、频率为工频的正弦波调制信号，且分别被上下桥臂各自的N个子模块公用；上下桥臂载波组各自包括的N个载波均为三角波信号，且依次移相2π/N，上下桥臂中序号对应的两个子模块的载波移相角为θ，θ∈[0,π/N]。步骤(2)具体包括：当所述模块化多电平拓扑的上桥臂的N个子模块中的第二开关管和下桥臂N个子模块的第二开关管处于高频工作状态，上下桥臂的其余开关管均断开时，为第一工作阶段，此时il>iu>0,io<0；当所述模块化多电平拓扑的上桥臂N个子模块的第一开关管和下桥臂N个子模块的第二开关管处于高频工作状态，上下桥臂的其余开关管均断开时，为第二工作阶段，此时il>0>iu,io<0；当所述模块化多电平拓扑的上桥臂N个子模块的第二开关管和下桥臂N个子模块的第二开关管处于高频工作状态，上下桥臂的其余开关管均断开时，为第三工作阶段，此时iu>il>0,io>0；当所述模块化多电平拓扑的上桥臂N个子模块的第二开关管和下桥臂N个子模块的第一开关管处于高频工作状态，上下桥臂的其余开关管均断开时，为第四工作阶段，此时iu>0>il,io>0；其中，iu、il和io分别为所述模块化多电平拓扑中上桥臂电流、下桥臂电流和输出电流。步骤(3)具体包括：对每一个工作阶段的所有开关模态进行分析，确定相应开关模态下电流变化率dij’/dt和模态持续时间Δt，并基于dij’/dt和Δt得到桥臂电流纹波；其中，ij’为桥臂采样电流值，j＝u，l，下标j＝u时对应上桥臂采样电流值，下标j＝l时对应下桥臂采样电流值。步骤(4)具体包括：上下桥臂电流阈值为Ij_avg，j＝u，l，下标j＝u时对应上桥臂电流值，下标j＝l时对应下桥臂电流值；Iu_avg和Il_avg分别为上下桥臂电流最大纹波值的一半。步骤(5)中，将采样得到的上下桥臂电流分别与上下桥臂电流阈值进行比较以分别得到上下桥臂使能信号，具体包括：当ij’大于Ij_avg，上桥臂N个子模块的第一开关管使能信号Ejn_1为低电平，反之Ejn_1为高电平；当ij’大于-Ij_avg，上桥臂N个子模块的第二开关管使能信号Ejn_2为高电平，反之Ejn_2为低电平。步骤(5)中，使能信号为双极性脉宽调制PWM信号；将采样电流与所述阈值进行比较是通过阈值比较电路进行的。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、通过对模块化多电平拓扑中2N个双降压型子模块采用载波移相的不连续PWM调制减小了开关损耗，消除了电感偏置电流，提高了电感利用率，并提高了功率转换率。2、通过施加额外的桥臂电流阈值比较电路，并采用桥臂电流过零点比较电路在电流过零点时同时开通或关断开关管，有效抑制了桥臂电流过零点畸变问题，从而大大提高了基于双降压型子模块的模块化多电平逆变器的输出电能质量和效率，使其具有更高的可靠性。附图说明图1是本专利技术所用的基于双降压型子模块的模块化多电平变换器拓扑；图2是双降压型子模块半周期调制波形示意图；图3是基于双降压型子模块的模块化多电平变换器在一个工频周期内的四种工作阶段；图4(a)至4(h)分别是是移相角θ＝π/2，第一工作阶段下基于双降压型子模块的模块化多电平变换器第一至第八开关模态的电流流通路径示意图；图5是移相角θ＝π/2，第一工作阶段下基于双降压型子模块的模块化多电平变换器在一个开关周期内八个开关模态的开关门级信号和电流时序图；图6(a)和图6(b)分别是上下桥臂载波移相角θ＝π/2和θ＝0时，不加电流阈值比较电路下的上桥臂电流il和下桥臂电流iu、输出电流io，以及输出电压uo的波形图；图7(a)和图7(b)分别是上下桥臂载波移相角θ＝π/2和θ＝0时，施加可调节的电流阈值比较电路下的上桥臂电流il和下桥臂电流iu、输出电流io，以及输出电压uo的波形图；图8(a)和图8(b)分别是施加可调节的电流阈值比较电路时上下桥臂载波移相角为θ＝π/2和θ＝0时双降压型子模块电感电流iL1,iL2的仿真波形图；图8(c)和图8(d)分别是上下桥臂载波移相角θ＝π/2和θ＝0时本专利技术拓扑中共模电流icm的波形图；图9是基于可调节电流阈值的不连续调制开关信号逻辑示意图。具体实施方式如图1，现有技术已知，基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑具有上下两个桥臂，上下桥臂的中点经由电阻Rg、电感Lg和交流电源Ug后接地；上桥臂的首端和下桥臂的尾端分别经由直流电源Udc后接地。上下桥臂各自包括N个串联的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法，所述拓扑具有上桥臂和下桥臂，且上下桥臂各自具有N个串联的双降压型子模块，N为正整数，其特征在于，所述可调节不连续调制方法包括以下步骤：/n(1)基于上下桥臂调制波和上下桥臂载波组进行调制，得到不连续调制下的脉宽调制信号，使得双降压型子模块中的第一和第二开关管在一个开关周期内互补导通；其中，所述上下桥臂载波组各自包括N个载波；/n(2)根据不连续调制下第一和第二开关管在一个开关周期内互补导通时的各种开关状态组合，将所述模块化多电平拓扑在一个工频周期内分为四个工作阶段；/n(3)结合所述双降压型子模块在不连续调制下的四种运行模态对每一个工作阶段的所有开关模态进行分析，分别得到上下桥臂电流纹波，并基于上下桥臂电流纹波分别确定上下桥臂电流在过零点附近的最大纹波值；/n(4)基于上下桥臂的最大纹波值分别计算上下桥臂电流阈值；/n(5)通过采样保持环节对所述拓扑的上下桥臂瞬时电流进行实时采样，并将采样得到的上下桥臂瞬时电流分别与上下桥臂电流阈值进行比较以分别得到上下桥臂使能信号；/n(6)将步骤(1)中的脉宽调制信号分别与各自的使能信号经过逻辑与门，得到上下桥臂中每个子模块的开关信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法，所述拓扑具有上桥臂和下桥臂，且上下桥臂各自具有N个串联的双降压型子模块，N为正整数，其特征在于，所述可调节不连续调制方法包括以下步骤：
(1)基于上下桥臂调制波和上下桥臂载波组进行调制，得到不连续调制下的脉宽调制信号，使得双降压型子模块中的第一和第二开关管在一个开关周期内互补导通；其中，所述上下桥臂载波组各自包括N个载波；
(2)根据不连续调制下第一和第二开关管在一个开关周期内互补导通时的各种开关状态组合，将所述模块化多电平拓扑在一个工频周期内分为四个工作阶段；
(3)结合所述双降压型子模块在不连续调制下的四种运行模态对每一个工作阶段的所有开关模态进行分析，分别得到上下桥臂电流纹波，并基于上下桥臂电流纹波分别确定上下桥臂电流在过零点附近的最大纹波值；
(4)基于上下桥臂的最大纹波值分别计算上下桥臂电流阈值；
(5)通过采样保持环节对所述拓扑的上下桥臂瞬时电流进行实时采样，并将采样得到的上下桥臂瞬时电流分别与上下桥臂电流阈值进行比较以分别得到上下桥臂使能信号；
(6)将步骤(1)中的脉宽调制信号分别与各自的使能信号经过逻辑与门，得到上下桥臂中每个子模块的开关信号。


2.根据权利要求1所述的基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法，其特征在于，步骤(1)中，上下桥臂调制波是相位相反、频率为工频的正弦波调制信号，且分别被上下桥臂各自的N个子模块公用；上下桥臂载波组各自包括的N个载波均为三角波信号，且依次移相2π/N，上下桥臂中序号对应的两个子模块的载波移相角为θ，θ∈[0,π/N]。


3.根据权利要求1所述的一种基于双降压型子模块的模块化多电平拓扑的可调节不连续调制方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：
当所述模块化多电平拓扑的上桥臂的N个子模块中的第二开关管(Su1_2，Su2_2，…，SuN_2)和下桥臂N个子模块的第二开关管(Sl1_2，Sl2_2，…，SlN_2)处于高频工作状态，上下桥臂的其余开关管均断开时，为第一工作阶段，此时il>iu>0,io<0；
当所述模块化多电平拓扑的上桥臂N个子模块的第一开关管(Su1_1，Su2_1，…，SuN_1)和下桥臂N个子模块的第二开关管(Sl1_2，Sl2_2，…，SlN_2)处于高频工作状态，上下桥臂的其余开关管均断开时，为第二工作阶段，此时il>0>iu,io<0；
当...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙毅超，吕丹，丁楠木，王琦，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32