一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法。优化电压矢量空间，进行扇区和调制度的划分，并在不同调制度区域以不同的矢量选取方式来选择基本电压矢量，最后通过谐波分析确定最优的发波顺序，按照发波顺序对同一扇区中的基本电压矢量进行合成后施加到线电压级联型三重化变流器上进行调制控制。本发明专利技术基于筛选过后的有限开关状态进行调制，通过去除冗余状态，保证了在不同调制度下应用不同的调制序列，降低了开关频率的同时兼顾了电流质量，解决了中高压大功率场合要求开关频率低，输出电能质量优和低开关频率运行要求下的控制难题。率运行要求下的控制难题。率运行要求下的控制难题。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法


[0001]本专利技术属于电力电子电路控制领域的一种变流器调制方法，涉及一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，该方法适用于大功率电机调速、新能源发电等领域。

技术介绍

[0002]随着电力电子技术的不断发展以及应用场合的不断完善，对功率器件的要求度越来越高，从普通晶闸管(Silicon Controlled Rectifier，简称SCR)发展到具有耐压等级高、承受电流大以及开关特性好的电力晶体管(Giant Transistor，简称GTR)；再到具有驱动电路简单、所需驱动功率小以及开关频率高的电力场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET)；最后到绝缘栅双极型晶体管(Insulated
‑
gate Bipolar Transistor，简称IGBT)、新一代基于碳化硅(Silicon Carbide，简称SiC)等电力电子器件的出现。IGBT自1986年投入使用后因其驱动简单、可靠性高、不用缓冲电路、开关频率高等优点迅速取代传统开关器件，获得最为广泛的使用。但是在一些高电压等级场合，对开关器件的电压承受等级要求很高，通常在数十千伏以上，更高可达十数兆伏，而IGBT目前单管耐压等级仅为6500V，远远不能满足实际应用。最新一代SiC因其具有较低开关损耗，功率密度高的特点虽然能够满足高电压、大功率场合的要求，但由于其成本过高，技术不够成熟无法推广使用，这也成为目前电力电子器件发展的一大难题。
[0003]现阶段在功率器件上面的研究难以取得重大突破，为了满足一些功率场合的需求，目前主要的解决方案是以现有功率器件为组成单元，从拓扑结构和控制方式上寻求创新，既可以提高功率变换器的容量，又可以提升其性能。以提升功率变换器的耐压等级和输出功率为目标，学者们提出了很多新的思路，如多路复用技术、变频器组合技术和多重化、多电平变换器技术等。
[0004]其中多重化变流技术大致内容是以传统两电平电压源型变换器为基本组成单元，通过串联、并联或级联的方式进行连接提升系统容量及电平数，每个单元以较低的开关频率动作，却能使系统整体开关频率很高，改变了系统输出的容量，最终实现更高的输出电流或电压，同时通过相应的调制方式改善其输出波形的质量。
[0005]因此，随着风力发电系统功率等级的不断提升，受器件性能的限制，传统拓扑结构构成的功率变换器，已难以满足大功率风力发电系统的需求。对于中压大功率场合而言，变流器中功率器件开关频率较低，通常限制在几百赫兹左右。线电压级联型变流器的传统调制方法存在大量冗余状态，简单地降低载波比则会造成控制性能严重下降，系统失稳。

技术实现思路

[0006]针对三重化拓扑传统调制方式开关状态复杂，模块间耦合严重而无法在中高压大功率场合取得良好的调制问题，本专利技术提出了一种可实现低开关频率下良好运行的调制方
法，该方法具有简单有效、可靠性高的优势，尤其适用于三重化变流器处于低开关频率运行要求的工况。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]对于电压矢量空间，进行扇区和调制度的划分，并在不同调制度区域以不同的矢量选取方式来选择作用在线电压级联型三重化变流器上的基本电压矢量，最后通过谐波分析确定最优的发波顺序，按照发波顺序对同一扇区中的基本电压矢量进行合成后施加到线电压级联型三重化变流器上进行调制控制，解决了中高压大功率场合下要求开关频率低电流质量高的难题。
[0009]所述的线电压级联型三重化变流器是由三个两电平电压源型变流器单元通过线电压级联的方式组合而成，三个两电平电压源型变流器单元通过限流电感L
x
连接。
[0010]以第一个两电平电压源型变流器单元的a相作为线电压级联型三重化变流器的A相，以第二个两电平电压源型变流器单元的b相作为线电压级联型三重化变流器的B相，以第三个两电平电压源型变流器单元的c相作为线电压级联型三重化变流器的C相。
[0011]所述的三个两电平电压源型变流器单元通过限流电感L
x
连接，具体连接方式为，第一个两电平电压源型变流器单元的b相通过限流电感L
x
连接至第二个两电平电压源型变流器单元的a相，第二个两电平电压源型变流器单元的c相通过限流电感L
x
连接至第三个两电平电压源型变流器单元的b相，第三个两电平电压源型变流器单元的a相通过限流电感L
x
连接至第一个两电平电压源型变流器单元的c相。
[0012]每个两电平电压源型变流器单元的交流侧都有a、b、c三相，设置第一个两电平电压源型变流器单元的三相为a1、b1和c1相，第二个两电平电压源型变流器单元的三相为a2、b2和c2相，第三个两电平电压源型变流器单元的三相为a3、b3和c3相，从而以a1相作为线电压级联型三重化变流器的A相，以b2相作为线电压级联型三重化变流器的B相，以c3相作为线电压级联型三重化变流器的C相；b1相通过限流电感L
x
连接至a2相，c2相通过限流电感L
x
连接至b3相，a3相通过限流电感L
x
连接至c1相。
[0013]所述方法具体包含以下步骤：
[0014]1)筛选优化并重构线电压级联型三重化变流器的电压矢量空间，获得无环流不短路的理想开关状态所构成的电压矢量空间，对电压矢量空间进行扇区划分，再将所有扇区划分到不同调制度下，构成不同的调制区域；
[0015]2)以三个两电平电压源型变流器单元整体的一种开关状态作为一种基本电压矢量，将基本电压矢量根据不同的调制区域优化赋予到各个扇区上；
[0016]3)确定能使电流波动最小的发波顺序，以此发波顺序进行合成获得所需的交流侧参考电压矢量进而实现调制，实现了在保证开关频率最小的同时兼顾电流品质。
[0017]所述1)中，从三个两电平电压源型变流器单元所有种可能的开关状态中，以模块间无环流、不短路、相邻矢量开关次数最少的处理方式从中筛选出部分开关状态优化电压矢量空间，具体为：每个开关状态对应一个电压矢量，根据电压矢量的长度，将其分为小矢量、中矢量、大矢量、零矢量，由所有电压矢量重新构成电压矢量空间，小矢量的矢量长度为2
×
U
dc
/3，中矢量的矢量长度为大矢量的矢量长度为4
×
U
dc
/3，零矢量的矢量长度为0，其中，U
dc
为每个两电平电压源型变流器单元的直流母线电压值。
[0018]每个两电平电压源型变流器单元均包括上、下桥臂，每个桥臂具有三个功率器件，共计具有六个功率器件，每个功率器件均有一个开关状态，且同一相上、下桥臂开关状态互补；单个两电平电压源型变流器单元的所有功率器件的所有可能开关状态进行排列组合，使得单个两电平电压源型变流器单元具有8种开关状态，并对8种开关状态进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，其特征在于：对于电压矢量空间，进行扇区和调制度的划分，并在不同调制度区域以不同的矢量选取方式来选择作用在线电压级联型三重化变流器上的基本电压矢量，最后通过谐波分析确定最优的发波顺序，按照发波顺序对同一扇区中的基本电压矢量进行合成后施加到线电压级联型三重化变流器上进行调制控制，解决了中高压大功率场合下要求开关频率低电流质量高的难题。2.根据权利要求1所述的一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，其特征在于：所述的线电压级联型三重化变流器是由三个两电平电压源型变流器单元通过线电压级联的方式组合而成，三个两电平电压源型变流器单元通过限流电感L
x
连接。3.根据权利要求2所述的一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，其特征在于：以第一个两电平电压源型变流器单元的a相作为线电压级联型三重化变流器的A相，以第二个两电平电压源型变流器单元的b相作为线电压级联型三重化变流器的B相，以第三个两电平电压源型变流器单元的c相作为线电压级联型三重化变流器的C相。4.根据权利要求2所述的一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，其特征在于：所述的三个两电平电压源型变流器单元通过限流电感L
x
连接，具体连接方式为，第一个两电平电压源型变流器单元的b相通过限流电感L
x
连接至第二个两电平电压源型变流器单元的a相，第二个两电平电压源型变流器单元的c相通过限流电感L
x
连接至第三个两电平电压源型变流器单元的b相，第三个两电平电压源型变流器单元的a相通过限流电感L
x
连接至第一个两电平电压源型变流器单元的c相。5.根据权利要求1所述的一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，其特征在于：所述方法具体包含以下步骤：1)筛选优化并重构线电压级联型三重化变流器的电压矢量空间，对电压矢量空间进行扇区划分，再将所有扇区划分到不同调制度下，构成不同的调制区域；2)以三个两电平电压源型变流器单元整体的一种开关状态作为一种基本电压矢量，将基本电压矢量根据不同的调制区域优化赋予到各个扇区上；3)确定能使电流波动最小的发波顺序，以此发波顺序进行合成获得所需的交流侧参考电压矢量进而实现调制。6.根据权利要求5所述的一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，其特征在于：所述1)中，从三个两电平电压源型变流器单元所有种可能的开关状态中，以模块间无环流、不短路、相邻矢量开关次数最少的处理方式从中筛选出部分开关状态优化电压矢量空间，具体为：每个开关状态对应一个电压矢量，根据电压矢量的长度，将其分为小矢量、中矢量、大矢量、零矢量，由所有电压矢量重新构成电压矢量空间，小矢量的矢量长度为2
×
U
dc
/3，中矢量的矢量长度为大矢量的矢量长度为4
×
U
dc
/3，零矢量的矢量长度为0，其中，Udc为每个两电平电压源型变流器单元的直流母线电压值。7.根据权利要求5所述的一种适用于线电压级联型三重化变流器的新型调制方法，其特征在于：所述1)中，根据其在αβ两相坐标系中分布位置，将电压矢量空间分为36个扇区，再将36个扇区按照调制度大小划分到不同的调制度区域，具体将整个电压矢量空间图中的36个扇区按照不同调制度分成以下三个区域：高调制度区、低调制度区、调制死区；
每个扇区的调制度按照以下公式计算获得：其中，m是调制度，V
s
是交流侧参考电压矢量，U
max
是线电压级联型三重化变流器最大输出电压，v
d
、v
q
为交流侧参考电压矢量V
s
在dq坐标系下分量，U
dc
表示三个两电平电压源型变流器单元对应的直流母线电压平均值；然后根据扇区的调制度进行以下判断：若扇区的调制度m≥0.577时，则扇区位于调制死区；若扇区的调制度0.5≤m≤0.577时，则扇区位于高调制度区；若扇区的调制度m≤0.5时，则扇区...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹彦飞，王志强，林治臣，阎彦，史婷娜，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：