动态响应速度快的大功率阶梯波合成变流方法技术

一种动态响应速度快的大功率阶梯波合成变流方法，属电力电子变流方法。该变流方法主要运用相移补偿、顺序采样分配器、零阶保持器、坐标旋转、三相空间矢量调制、ＰＷＭ功率放大和移相变压器输出叠加来实现，其特点是采用顺序采样分配器对输入采样并按相位滞后通道至相位超前通道的顺序分配采样值，然后每个通道对分配到的采样序列采用空间矢量调制的方法产生阶梯波合成变流器的开关管驱动信号。该变流方法具有传统阶梯波合成变流器的低开关频率和优良的输出频谱，同时还具有较高的系统带宽，且可以实现有功无功独立控制。因此可以把阶梯波合成变流器应用于高性能大功率逆变电源、并网逆变和ＰＷＭ整流等应用场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的，属于电力电子变流方法。二、
技术介绍
在大功率应用场合下，由于功率开关器件的工作的电流和电压受到限制，两电平逆 变器已经不能满足要求。因此，研究学者们提出了各种解决方案，总体可以归纳为三种 解决方案1、 通过功率开关器件的简单串并联技术来扩充逆变器容量。 这种方法原理简单，但也有很多缺点(1)由于功率开关器件参数具有离散性，很难保证串联功率开关器件的电压均分以及并联功率开关器件的电流均分，需要加体积庞 大的缓冲电路抑制快速的电压电流变化，以减少功率开关器件开通和关断性能差异对电 压、电流均分的影响，这样就大大增加了变换器的损耗；(2)由于驱动电路对开关信号 的延迟也存在差异，很难保证功率开关器件的同时开通与关断，因此对驱动电路的设计有更高的要求，使驱动电路对开关信号的延迟尽量相同；(3)由于功率开关器件的开关频率不能提高，逆变器的输出谐波比较多，采用功率开关器件的简单串并联技术对逆变 器的输出谐波性能起不到改善作用。2、 通过多电平技术把传统的两电平逆变器改造成多电平逆变器，由多个功率开关器 件平均分担电压，适合于高压大功率场合。与解决方案1简单的功率开关器件串联相比， 解决方案2通过多电平电路机理和相应的控制方法可以保证功率器件的电压均分，且可 以适当提高开关频率，通常为几kHz，同时由于输出具有多电平，逆变器输出的谐波性 能可以得到改善。在功率比较大的应用场合，开关频率仍显偏高。典型的多电平逆变器有二极管箝位多电平逆变器、飞跨电容多电平逆变器和级联型多电平逆变器。二极管箝位多电平电路存在以下主要缺点(1)桥臂内外侧功率开关器件的开通时间不一致，导致开关管负荷不一致，热量在开关管间分布不均。(2)该电路需要增加二 极管，且随着电平数的增加，需要增加的二极管电压增加数目急剧增加，(3)直流测分压电容存在电压不均的问题。因此，二极管箝位电路在三电平以外的电平数应用极少。 与二极管箝位多电平电路相比，飞跨电容多电平逆变器(1)减少了大量的二极管，但同时增加了大量箝位电容；(2)由于电容的可靠性问题，整个电路的可靠性降低；(3)控制方法复杂，特别是四象限运行时；(4)多个电容的电压平衡控制复杂。因此，在实 际大功率场合很少应用。级联型多电平逆变器电路则不需要箝位二极管也不需要箝位电容，结构简单，易于 集成，且不存在电容电压均衡问题。但存在以下主要缺点(1)需要多个独立直流电源； (2)由于直流电源需要隔离的原因，不易实现四象限运行。该逆变器在不传递有功的 应用场合比较常用，如无功补偿、谐波补偿等。3、通过多个三相逆变单元串联或并联方式扩容。由于三相逆变单元一致，该方法便 于集成化，结构简单；但该方式需要输出隔离变压器来实现输出的串联和并联，因此在 输出需要隔离的场合特别合适；由于使用了隔离变压器，直流侧不需要隔离，方便逆变 器四象限运行。输出变压器通常有两种设计方法(1)各单元对应的绕组一致，便于变 压器制作，但是为了获得较好的输出波形质量，开关频率一般都为几千赫兹；(2)阶梯 波合成方式，各单元对应绕组产生不同相移，变压器结构复杂，但是各单元产生的谐波 互相抵消，逆变器输出的谐波含量小且谐波分布比较集中，滤波器体积小，可以在开关 频率很低的情况下获得较高的输出波形质量，特别适合大功率场合乃至特大功率场合应 用。为了保证输出的波形质量，传统的阶梯波合成逆变器输出电压有效值不可控，因此 实现有功功率的精确控制很困难，在不传递有功的应用场合如无功功率补偿，研究和应 用比较多。为了控制输出有功，应用于有功传递的场合，也有人提出了一些解决方法， 主要概括为以下两类(1)采用两组阶梯波合成逆变器串联，运用移相调压技术控制两 组逆变器的合成输出电压；(2)采用PWM (PULSE WIDTH MODULATION,脉冲宽度 调制)方式，调节逆变单元的输出电压基波分量，主要有单脉宽调节方式产生PWM波 和SVM (SPACE VECTOR MODULATION,空间矢量调制)调制技术产生PWM两种， 然后把产生的PWM波延迟叠加即可合成输出电压。受传统的阶梯波合成逆变器设计思想的约束，这些方法主要存在以下缺点(1)现 有的阶梯波合成逆变器的输出电压闭环只能控制输出电压的有效值和基波相位，不能实 现有功和无功的独立控制；(2)由于各逆变单元的驱动信号采用延迟的方法得到，逆变 器一个周期可控的开关点只有6个，系统带宽窄，为了使闭环系统稳定，闭环控制的动 态性能都不够理想，调节过渡时间需要几十个基波周期。三、
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种，克服传 统阶梯波合成变流器功率管驱动信号产生的延迟，提高系统的带宽，并且可以实现阶梯 波合成变流器有功和无功的独立控制，使大功率阶梯波合成变流器成功应用于高性能大 功率逆变电源、并网逆变和PWM整流。本专利技术提出的一种，其技术结构组成 主要包括相移补偿、顺序采样分配器、零阶保持器、坐标旋转、三相空间矢量调制(SVM)、 PWM功率放大电路和移相变压器叠加。参考电压空间矢量^经过相移补偿环节，把参 考电压空间矢量^逆时针旋转;r/6，补偿掉后面零阶保持器产生的基波相位滞后，输出 送至顺序采样分配器以采样间隔时间为7>7/(6" (r为交流基波周期，iV为阶梯波合成 变流器的通道数目)的速度采样，按从接有相位相对滞后的变压器的变流通道到接有相 位相对超前变压器的变流通道的顺序给变流通道从1到7V编号，则顺序采样分配器按从 变流通道1到变流通道7V顺序逐个分配采样序列，其中第/个变流通道分配到的采样序 列为t(7Vx+zWjr/T6iV人/为1到W整数，；c为自然数，分配出的组釆样序列分别输入 至W个变流通道的零阶保持器保持776时间，每个变流通道的零阶保持器输出连接至坐 标旋转环节，零阶保持器输出空间矢量所在坐标系的坐标轴被旋转的角度与对应的移相 变压器对空间电压矢量旋转的角度相反，逆变通道的坐标旋转环节输出连接至三相空间 矢量调制，三相空间矢量调制输出的PWM波连接至PWM功率放大电路，PWM功率 放大电路一端连接直流侧，另一端连接至移相变压器，移相变压器的副边叠加并连接至 交流侧。采用上述方法，对每个变流通道的PWM都采用SVM调制产生,使得可控制的参考 矢量从原来的6个变为6iV个，大大拓宽的阶梯波合成变流器的带宽，动态性能得以提 高。由于采用空间矢量的方法生成PWM，在同步旋转坐标系下，阶梯波合成变流器的 有功和无功可以独立控制。因此采用该方法的阶梯波合成变流器可用于大功率逆变电 源、并网逆变和大功率PWM整流领域。四附图说明图l本专利技术的iV通道阶梯波合成变流方法框图 图2A空间矢量扇区划分示意2B参考矢量位于各扇区时空间矢量输出顺序示意2C三相空间矢量调制输出PWM示意3本专利技术的4通道阶梯波合成变流方法框4 PWM功率放大和移相变压器移相叠加电路原理5阶梯波合成逆变电源瞬时值控制框6阶梯波合成双向可逆逆变/整流控制框7A24阶梯波合成逆变电源突加负载动态响应波形7B 24阶梯波合成逆变电源突卸负载动态响应波形图五、具体实施方法附图1示出了本专利技术的具有7V个变流通道的6iV阶梯波合成变流方法的实施原理框 图。参考电压空间矢量 经相移补偿环节后相位超前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态响应速度快的大功率阶梯波合成变流方法，其特征在于应用相移补偿、顺序采样分配器、零阶保持器、坐标旋转、三相空间矢量调制、ＰＷＭ功率放大电路和移相变压器叠加实现交流电变换到直流电或直流电变换到交流电，具体方法是，将参考电压空间矢量ｕ↓［ｒ］经过相移补偿环节，把参考电压空间矢量ｕ↓［ｒ］逆时针旋转π／６后，输出送至顺序采样分配器，顺序采样分配器以采样间隔时间为Ｔ↓［ｓ］＝Ｔ／（６Ｎ）的速度对输入进行采样，并按顺序逐个分配采样序列，其中第ｉ个变流通道分配到的采样序列为ｔ＝（Ｎｘ＋ｉ－１）Ｔ／（６Ｎ），分配出的Ｎ组采样序列分别输入至相应变流通道的零阶保持器保持Ｔ／６时间，每个变流通道的零阶保持器输出连接至坐标旋转环节，坐标旋转环节把零阶保持器输出坐标所在坐标系的坐标轴旋转并输出连接至三相空间矢量调制，三相空间矢量调制输出的ＰＷＭ波连接至ＰＷＭ功率放大电路，ＰＷＭ功率放大电路直流端联接直流电源，交流端联接至移相变压器，移相变压器的副边叠加然后联接至交流侧，所述的Ｔ为交流基波周期，Ｎ为阶梯波合成变流器的通道数，是整数，ｉ为１到Ｎ之间的任意整数，ｘ为自然数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许爱国，谢少军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]