多电平变换方法及其采用的多电平电路技术

本发明专利技术提供一种多电平变换方法，建立以选择性谐波控制为约束条件和剩余电压谐波含量为优化目标函数的优化ＰＷＭ数学模型；对优化ＰＷＭ数学模型进行优化求解，获得优化输出的电平幅度比ｋ和ＰＷＭ调制的开关角；根据电平幅度比ｋ设置多电平电路，根据开关角控制多电平电路输出。这种方法能大幅降低开关频率及与之相关的电磁干扰，而且涵盖多种电平拓扑结构，是一种具有通用性的ＰＷＭ电力提供方案。本发明专利技术还提供了一种采用双极性四阶不对称电平拓扑结构的多电平电路，可产生７阶电平的逆变器负载线电压输出，ＰＷＭ调制性能好，降低开关频率及与之相关的电磁干扰的效果更佳。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力半导体拓扑电路及PWM(脉冲宽度调制)控制领域，特别是大功率及超大功率应用中的多电平变换方法及其采用的多电平电路。
技术介绍
高电压和高开关频率电力电子应用系统所导致的电磁干扰、器件开关损耗等是当前大功率及超大功率应用的主要障碍(参见文献)，是当前必须解决的关键问题。为了降低相关的电磁干扰和开关损耗，可采用以改进电路拓扑结构方式为代表的软开关技术，但会导致电路结构复杂化。而采用现有的多电平变换(Multilevel Converter)方法也只能在一定程度上降低相关的电磁干扰问题。多电平技术发展至今，出现了以下三种类型的拓扑结构级联型、二极管钳位型、飞跃电容型多电平逆变器。将这三类多电平拓扑结构与选择性谐波消除法(Selective HarmonicElimination，SHE)的思想相结合已成为优化PWM方法研究的热点。相关的研究也反映于文献所提出的基于H-桥拓扑结构的不对称多电平输出，以及文献提出的将不对称五电平逆变器与传统的两电平全桥逆变器级联而获得的不对称多电平拓扑结构。以上不对称多电平输出的特点是输出电压幅度的调节模块化。针对逆变器输出电压比调节模块化的不足，文献提出理论上不对称电压比连续调节的通用拓扑结构，来实现电路输出电压波形的连续调幅。然而目前尚未出现应用不对称多电平技术来降低开关损耗及其相关电磁干扰的优化分析研究，这是当前大功率及超大功率应用领域亟待解决的技术问题。有关文献.Du Z.，Tolbert，L.M.；Chiasson，J.N.；Hui LiLow switching frequencyactive harmonic elimination in multilevel converters with unequal dc voltages.Industry Applications Conference，2005.Fourteenth IAS Annual Meeting.ConferenceRecord of the 200 Volume 1，2-6 Oct.2005 pp92-98.丁凯，邹云屏，吴智超，金红元，刘飞，王成智，张允新型三相混合不对称九电平逆变器研究，中国电机工程学报2005 Vol.25 No.1135-41.齐悦，杨耕，窦月轩，徐文立PWM控制下多电平混合逆变电路的脉宽调制及拓扑分析，电工技术学报，2003 Vol.18 No.213-26
技术实现思路
本专利技术目的是提出一种多电平变换方法，以降低高电压和高开关频率电力电子应用系统中的电磁干扰和开关损耗。为实现上述目的，建立以选择性谐波控制为约束条件和剩余电压谐波含量为优化目标函数的优化PWM数学模型；对优化PWM数学模型进行优化求解，获得优化输出的电平幅度比k和PWM调制的开关角；根据电平幅度比k设置多电平电路，根据开关角控制多电平电路输出。而且，建立优化PWM数学模型时，采用傅立叶分析方法建立PWM调制的独立开关角和电平幅度比k与选择性谐波控制的PWM关系。而且，采用选择性谐波消除法的初始值作为迭代初值，用MATHCAD计算程序的优化函数Block-Minimize函数对优化PWM数学模型进行优化求解。而且，当0＜k＜1时，多电平电路的拓扑结构为一种双极性四阶不对称电平拓扑结构，包括主直流电源组、辅助直流电源组及两个桥臂电路，每个桥臂电路包括第一开关器件、第二开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管和二极管，第一开关器件和第二开关器件串联，第一开关器件、第二开关器件分别与第一续流二极管、第二续流二极管并联，二极管和辅助电源组串联构成支路，该支路的二极管端与第一开关器件和第二开关器件的中点连接，支路的辅助电源端与主直流电源组的电压中性点连接，主直流电源组与辅助直流电源的容量比值采用对优化PWM数学模型进行优化求解得到的电平幅度比k；当k＝0时，多电平电路的拓扑结构为双极性三阶电平拓扑结构；当k＝1时，多电平电路的拓扑结构为双极性二阶电平拓扑结构。本专利技术还提供了多电平变换方法所采用的多电平电路，采用双极性四阶不对称电平拓扑结构，由主直流电源组、辅助直流电源组及两个桥臂电路构成，每个桥臂电路包括第一全控型器件、第二全控型器件、第一续流二极管、第二续流二极管和二极管，第一全控型器件和第二全控型器件串联，第一全控型器件、第二全控型器件分别与第一续流二极管、第二续流二极管并联，二极管和辅助电源组串联构成支路，该支路的二极管端与第一全控型器件和第二全控型器件的中点连接，支路的辅助电源端与主直流电源组的电压中性点连接，主直流电源组与辅助直流电源的容量比值采用对优化PWM数学模型进行优化求解得到的电平幅度比k。而且，具有两相或三相支路，每个支路采用相同的双极性四阶不对称电平拓扑结构，并且共用主直流电源组和辅助直流电源组。本专利技术提供的多电平变换方法改进了现有优化PWM方法的固有特性，从而大幅度地降低开关损耗及相关的电磁干扰，而且它涵盖了双极性二阶、双极性三阶和双极性四阶不对称电平拓扑结构，是一种具有通用性的PWM电力提供方案。本专利技术的电路拓扑结构开关频率只有传统二阶电平电路拓扑结构的一半，在具体电路应用中开关元件动作一次的电压变换率du/dt减小为二阶逆变器的一半，可大幅度降低与之相关电磁干扰问题，开关器件的效率高，因而更适合高压、大容量的应用场合。尤其是本专利技术提供的不对称四阶电平拓扑结构的多电平电路，与现有的基于H-桥结构的不对称多平逆变器电路相比，所需要的全控型器件减少50％；而且可产生7阶电平的逆变器负载线电压输出，与现有的双极性二阶、三阶逆变器能分别产生3阶和5阶逆变器线电压输出相比，本专利技术提供的不对称四阶电平拓扑结构的多电平电路能够产生更好的PWM调制效果。附图说明图1是本专利技术的双极性四阶不对称电平拓扑结构示意图；图2是四阶不对称电平输出三相逆变电路电路图；图3a是改进型SHE方法的输出波形图；图3b是改进型OPUS方法的输出波形图；图3c是改进型SHE方法的逆变器负载线电压7阶电平输出波形图；图4是本专利技术的优化PWM数学模型示意图；图5是优化PWM数学模型中电平幅度比k与不同拓扑电路的关系示意图；图6a是四阶不对称电平拓扑结构输出电压积分的复平面示意图；图6b是三阶电平拓扑结构输出电压积分的复平面示意图；图6c是二阶电平拓扑结构输出电压积分的复平面示意图；图7是本专利技术应用实施例原理示意图。具体实施例方式为了便于理解本专利技术，首先提供本专利技术的解决思路(1)本专利技术首先构造一种不对称四阶电平输出的逆变器电路拓扑结构，本文称为四阶不对称电平拓扑，以该拓扑为基础建立一个三相桥式不对称四阶电平输出的逆变器电路，用作分析基础；(2)为了达到降低开关损耗和电磁干扰的目的，需要对多电平输出进行优化，本专利技术选用了基于选择性谐波控制的优化PWM方法，以便最终产生不对称优化PWM输出电压；(3)因为选用了基于选择性谐波控制的优化PWM方法，所以建立选择性谐波控制与变量自由度数的分配关系，即进一步明确优化方案；(4)根据三相桥式不对称四阶电平输出的逆变器电路输出进行分析，获得优化PWM方法的数学模型，本专利技术称为优化PWM数学模型。进行多电平变换时，根据数学模型来获得控制参数，然后进行优化控制，即可达到本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多电平变换方法，其特征是：建立以选择性谐波控制为约束条件和剩余电压谐波含量为优化目标函数的优化ＰＷＭ数学模型；对优化ＰＷＭ数学模型进行优化求解，获得优化输出的电平幅度比ｋ和ＰＷＭ调制的开关角；根据电平幅度比ｋ设置多电平电路，根据开关角控制多电平电路输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧，程永光，张平，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]