单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法
【专利摘要】单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法，属于电能变换领域，本发明为解决混合不对称多电平逆变器输出电压过零点电压畸变问题。本发明方法为：监测逆变器输出电压的相角θ所处的区间，根据不同条件来执行相应的操作指令：1、当0°<θ≤△θ时，V3、V4、V5和V8导通，其余关断；2、当△θ<θ≤180°-△θ时，V1～V6的控制信号采用多电平调制策略控制，V8导通，V7关断；3、当180°-△θ<θ≤180°时，V2、V3和V4导通，其余关断；4、当180°<θ≤180°+△θ时，V2、V3、V4和V7导通，其余关断；5、当180°+△θ<θ≤360°-△θ时，V1～V6的控制信号采用多电平调制策略控制，V7导通，V8关断；6、当360°-△θ<θ≤360°时，V3、V4和V5导通，其余关断。
【专利说明】单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法，属于电能变换领域。
【背景技术】
[0002]多电平功率变换技术通过将直流电压转换为多种电平进而实现直流到交流的转换，与两电平直流-交流变换技术相比，具有更低的电压变化率应力和更小的电压谐波含量，进而只需更小的滤波器参数，滤波器的体积和成本亦将明显下降。随着全控型开关器件的成熟应用及IECT、IGCT等新型全控型器件的出现，以及以DSP、FPGA以核心的高性能数字控制技术的普及，多电平逆变器的研究与应用得到了迅猛发展，近年已经成为研究热点。
[0003]多电平逆变器在获得较低电压变化率应力，更低的电压谐波含量的同时，由于其使用的开关器件和储能器件数量较多，一方面造成其成本较高，体积较大，另一方面造成功率器件的总损耗明显提高，系统效率下降明显，同时也为系统散热带来较大难度。近些年提出了一些混合不对称多电平逆变器拓扑结构，与对称结构的多电平逆变器相比，在获得相同电平数的输出电压波形的同时，只使用较少数量的功率开关器件，由此其成本、体积和损耗均大幅下降，从而提高了多电平逆变器的实用价值。但是混合不对称多电平逆变器在实际使用过程中，输出电压存在过零点的电压畸变，造成输出电压存在较大谐波，用于交流逆变电源等系统中时，会出现较大的电磁和机械噪声，同时输出侧的滤波电感的损耗也会有所增加，输出交流电压的波形质量也有所恶化。
【发明内容】
[0004]本发明目的是为了解决现有混合不对称多电平逆变器在实际使用过程中，输出电压存在过零点的电压畸变的问题，提供了一种单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法。
[0005]本发明所述单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法，所述单相不对称七电平逆变器包括直流电源E、电容Cl、电容C2、电容C3、功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5、功率开关管V6、功率开关管V7、功率开关管V8、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4 ；
[0006]直流电源E的正极同时与电容Cl的一端、功率开关管Vl的功率输入端和功率开关管V7的功率输入端相连；
[0007]电容Cl、电容C2和电容C3依次串联后，电容C3连接直流电源E的负极；
[0008]功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5和功率开关管V6依次串联后，功率开关管V6的功率输出端连接直流电源E的负极；
[0009]功率开关管Vl和功率开关管V2的公共节点连接二极管Dl的阴极，二极管Dl的阳极连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接功率开关管V4和功率开关管V5的公共节点；[0010]二极管Dl和二极管D2的公共节点连接电容Cl和电容C2的公共节点；
[0011]功率开关管V2和功率开关管V3的公共节点连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接功率开关管V5和功率开关管V6的公共节点；
[0012]二极管D3和二极管D4的公共节点连接电容C2和电容C3的公共节点；
[0013]功率开关管V7的功率输出端连接功率开关管V8的功率输入端,功率开关管V8的功率输出端连接直流电源E的负极；
[0014]功率开关管V3和功率开关管V4的公共节点与功率开关管V7和功率开关管V8的公共节点分别作为单相不对称七电平逆变器的输出端的两个端；
[0015]单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法为:监测所述单相不对称七电平逆变器输出电压的相角Θ所处的区间，根据不同条件来执行相应的操作指令:
[0016]第I种情况:当0° <θ≤Λ Θ时，令功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5和功率开关管V8导通,其它功率开关管关断；
[0017]其中:Λ θ为相角区间，Λ θ =2° ;
[0018]第2种情况:当Λ θ〈 Θ≤180° -Λ Θ时，功率开关管Vl~V6的控制信号采用多电平调制策略控制，功率开关管V8导通，功率开关管V7关断；
[0019]第3种情况:当180° -Δ θ < Θ≤180°时，令功率开关管V2、功率开关管V3和功率开关管V4导通,其它功率开关管关断；
[0020]第4种情况:当180° < Θ ^ 180° + Λ Θ时，令功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4和功率开关管V7导通,其它功率开关管关断；
[0021]第5种情况:当180° +Δ θ < Θ ^ 360° - Λ Θ时，功率开关管Vl~V6的控制信号采用多电平调制策略控制，功率开关管V7导通，功率开关管V8关断；
[0022]第6种情况:当360° -Δ θ < Θ≤360°时，令功率开关管V3、功率开关管V4和功率开关管V5导通，其它功率开关管关断。
[0023]本发明的优点:
[0024]1、只需在过零点处对各个功率器件的开关状态进行控制，算法相对简单，易于数字化实现。
[0025]在输出电压的两个过零点附近，强制使逆变器中的开关器件处于某种特定的开关组合状态，从而使逆变器的输出电压在过零点附近被钳位在某种直流电平，从而消除过零点畸变，而在逆变器输出电压的其它相角区间，则仍然采用现有的多电平脉宽调制方法产生逆变器的控制信号。
[0026]2、本发明公开的方法通过修改原有逆变器中的软件即可实现，无需额外增加功率器件或者数字控制器，不增加逆变器的成本和体积。
[0027]3、能够有效消除单相不对称七电平逆变器输出电压的过零点畸变，提高其实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明涉及的单相不对称七电平逆变器原理图；；
[0029]图2是本发明涉及的单相不对称七电平逆变器的多电平调制策略原理图；
[0030]图3是本发明涉及的单相不对称七电平逆变器输出电压波形图；[0031]图4是图3的局部放大图；
[0032]图5是本发明所述单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法的流程图；
[0033]图6是采用本发明的方法后在O度角的电流流通路径；
[0034]图7是采用本发明的方法后在180度角的电流流通路径；
[0035]图8是采用本发明的方法后的单相不对称七电平逆变器输出电压波形图。 【具体实施方式】
[0036]【具体实施方式】一:下面结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式所述单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法，所述单相不对称七电平逆变器如图1所示，它包括直流电源E、电容Cl、电容C2、电容C3、功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5、功率开关管V6、功率开关管V7、功率开关管V8、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4 ；
[0037]直流电源E的正极同时与电容Cl的一端、功率开关管Vl的功率输入端和功率开关管V7的功率输入端相连；
[0038]电容Cl、电容C2和电容C3依次串联后，电容C3连接直流电源E的负极；
[0039]功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5和功率开关管V6依次串联后，功率开关管V6的功率输出端连接直流电源E的负极；
[0040]功率开关管Vl和功率开关管V2的公共节点连接二极管Dl的阴极，二极管Dl的阳极连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接功率开关管V4和功率开关管V5的公共节点；
[0041]二极管Dl和二极管D2的公共节点连接电容Cl和电容C2的公共节点；
[0042]功率开关管V2和功率开关管V3的公共节点连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接功率开关管V5和功率开关管V6的公共节点；
[0043]二极管D3和二极管D4的公共节点连接电容C2和电容C3的公共节点；
[0044]功率开关管V7的功率输出端连接功率开关管V8的功率输入端,功率开关管V8的功率输出端连接直流电源E的负极；
[0045]功率开关管V3和功率开关管V4的公共节点与功率开关管V7和功率开关管V8的公共节点分别作为单相不对称七电平逆变器的输出端的两个端；
[0046]单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法为(方法流程图如图5所示):监测所述单相不对称七电平逆变器输出电压的相角Θ所处的区间，根据不同条件来执行相应的操作指令:
[0047]第I种情况:当0° <θ≤Λ Θ时，令功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5和功率开关管V8导通,其它功率开关管关断；
[0048]其中:Λ Θ为相角区间，Λ θ=2° ;
[0049]第2种情况:当Λ θ〈 Θ≤180° -Λ Θ时，功率开关管Vl~V6的控制信号采用多电平调制策略控制，功率开关管V8导通，功率开关管V7关断；
[0050]第3种情况:当180° -Δ θ < Θ≤180°时，令功率开关管V2、功率开关管V3和功率开关管V4导通,其它功率开关管关断；[0051]第4种情况:当180° < Θ ≤ 180° + Λ Θ时，令功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4和功率开关管V7导通,其它功率开关管关断；
[0052]第5种情况:当180° +Δ θ < Θ ≤360° - Λ Θ时，功率开关管Vl~V6的控制信号采用多电平调制策略控制，功率开关管V7导通，功率开关管V8关断；
[0053]第6种情况:当360° -Δ θ < Θ≤360°时，令功率开关管V3、功率开关管V4和功率开关管V5导通，其它功率开关管关断。
[0054]在输出电压的两个过零点附近，强制使逆变器中的开关器件处于某种特定的开关组合状态，从而使逆变器的输出电压在过零点附近被钳位在某种直流电平，从而消除过零点畸变，而在逆变器输出电压的其它相角区间，则仍然采用现有的多电平脉宽调制策略产生逆变器的控制信号。
[0055]【具体实施方式】二:下面结合图2至图4、图6至图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，多电平调制策略为采用三个调制波urt，ur2, W3和一个三角载波进行比较，比较结果分别作为功率开关管Vl~V6的控制信号，
[0056]调制波Url 正半周 Urlp=UnomSin (ω st) _2Utr ；
[0057]其中，Um为正弦波幅值，是正弦波的角频率，Utr是所述三角载波的幅值；
[0058]调制波Url 负半周 urln=Utr+Ummsin (ω st)；
[0059]调制波Ur2 正半周 ur2p=Ummsin (ω st) -Utr ；
[0060]调制波Ur2 负半周 ur2n=2Utr+Ummsin (ω st)；
[0061]调制波ur3 的正半周 uM=Un(Msin (ω st)；
[0062]调制波Ur3 的负半周 ur3n=3Utr+Unomsin (ω st)；
[0063]三角载波
【权利要求】
1.单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法，所述单相不对称七电平逆变器包括直流电源E、电容Cl、电容C2、电容C3、功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5、功率开关管V6、功率开关管V7、功率开关管V8、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4 ； 直流电源E的正极同时与电容Cl的一端、功率开关管Vl的功率输入端和功率开关管V7的功率输入端相连； 电容Cl、电容C2和电容C3依次串联后，电容C3连接直流电源E的负极； 功率开关管V1、功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5和功率开关管V6依次串联后，功率开关管V6的功率输出端连接直流电源E的负极； 功率开关管Vl和功率开关管V2的公共节点连接二极管Dl的阴极，二极管Dl的阳极连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接功率开关管V4和功率开关管V5的公共节点；二极管Dl和二极管D2的公共节点连接电容Cl和电容C2的公共节点； 功率开关管V2和功率开关管V3的公共节点连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接功率开关管V5和功率开关管V6的公共节点； 二极管D3和二极管D4的公共节点连接电容C2和电容C3的公共节点； 功率开关管V7的功率输出端连接功率开关管V8的功率输入端，功率开关管V8的功率输出端连接直流电源E的负极； 功率开关管V3和功率开关管V4的公共节点与功率开关管V7和功率开关管V8的公共节点分别作为单相不对称七电平逆变器的输出端的两个端； 其特征在于，单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法为:监测所述单相不对称七电平逆变器输出电压的相角Θ所处的区间，根据不同条件来执行相应的操作指令: 第I种情况:当0°〈θ≤Δ θ时，令功率开关管V3、功率开关管V4、功率开关管V5和功率开关管V8导通,其它功率开关管关断； 其中:Λ Θ为相角区间，Λ θ=2° ; 第2种情况:当Δ θ < θ ^ 180° -Δ Θ时，功率开关管Vl~V6的控制信号采用多电平调制策略控制，功率开关管V8导通，功率开关管V7关断； 第3种情况:当180° -Δ θ < θ ≤180°时，令功率开关管V2、功率开关管V3和功率开关管V4导通，其它功率开关管关断； 第4种情况:当180° < θ ^ 180° +Δ θ时，令功率开关管V2、功率开关管V3、功率开关管V4和功率开关管V7导通，其它功率开关管关断； 第5种情况:当180° +Δ θ < θ ≤ 360° -Δ Θ时，功率开关管Vl~V6的控制信号采用多电平调制策略控制，功率开关管V7导通，功率开关管V8关断； 第6种情况:当360° -Δ θ < θ≤360°时，令功率开关管V3、功率开关管V4和功率开关管V5导通，其它功率开关管关断。
2.根据权利要求1所述单相不对称七电平逆变器输出电压过零点畸变的消除方法，其特征在于，多电平调制策略为采用三个调制波和一个三角载波进行比较，比较结果分别作为功率开关管Vl~V6的控制信号，
调制波 Url 正半周 urlp=UMsin (ω st) _2Utr ；其中，Unrail为正弦波幅值，ω3是正弦波的角频率，Utr是所述三角载波的幅值；调制波 U11 负半周 Urln=Utr+UMsin(cost)；调制波 Ur2 正半周 Ur2p=UnomSin (ω st) -Utr ；调制波 Ur2 负半周 Ur2n=2Utr+UMsin (ω st)；调制波Ur3的正半周Umi=UmSin (C0st)；调制波 Uri 的负半周 urin=3U&+UMmsin(cost)；
【文档编号】H02M1/12GK103532359SQ201310520139
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】骆素华, 吴凤江, 骆林松, 张陆捷, 冯帆 申请人:哈尔滨工业大学