一种基于动态载波偏置分配的PD-PWM调制方法与流程

本发明涉及一种电力电子领域的调制方法，具体讲涉及一种基于动态载波偏置分配的PD-PWM调制方法。
背景技术：
：全桥子单元级联结构(CascadedH-bridge)以其模块化结构，控制简单，多电平输出等特点，成为近年来的研究热点，并广泛应用于各种中高压大功率电力电子设备。与传统的多电平换流器相比，其主要控制难点在于各子单元直流母线悬浮电容的电压均衡问题。当其作为整流器带多路不同的直流负载时，各路直流输出电压的控制更加困难，甚至在负载相差太大时会导致系统稳定性问题。因此，子单元电容电压均衡策略一直是这类拓扑结构的研究重点。目前用于模块化多电平换流器的调制策略主要有最近电平逼近调制策略，载波移相调制策略(CPS-PWM)，多载波调制策略(PD-PWM)等。最近电平逼近控制策略通过电容电压排序算法，将各子单元电容按电压高低排序选择性的接入主电路充电或放电从而达到电压均衡，在大数量级子单元数量应用场合，例如MMC结构HVDC换流站中得到了广泛使用，但是当子单元数量不足够多时，由于其输出的是阶梯波形，谐波含量较大，通常需要额外的滤波装置。在中压应用场合，子单元数量较少时，通常采用载波移相控制策略，通过对每个子单元的控制单元增加独立的PI模块，实时调节每个子单元的参考波电压偏置，通过微调子单元电容接入主电路充放时间，调节各子单元直流母线电压的目的。控制系统中多个PI控制环节的加入将大大增加控制系统的复杂度和系统的不稳定度，并且在级数较多时，PI调节器的参数选择将比较困难。有文献将预测控制策略应用到这种拓扑结构的控制中，但是计算量较大，大幅增大了控制器的负担。与PS-PWM相比，采用相同载波频率的PD-PWM调制策略时输出电压波形谐波含量更低。但是由于PD-PWM传统的的自身特性，会使各子单元接入交流电路时间不相同，进一步增加能量分布的不均衡度，通常只适用于直流侧自带直流电源的逆变型CHB结构。目前一种循环规律分配偏置型PD-PWM，能够使功率在各子单元电容均衡分布，然而这种PD-PWM策略无法应对子单元电容参数不对称的情况。文献提出一种动态偏置分配的PD-PWM策略，用于半桥型MMC结构，对参数不对称的容忍度更高，但是仅适用于半桥型子单元结构，CHB 结构与半桥型MMC结构的充放电规律有着本质的不同，因此这种调制策略病不能直接移植到CHB结构的控制策略中。传统的PD-PWM，在每个周期各子单元对应的载波信号区域不会变动。例如第i个子单元的载波一直在第i个区间内波动。这样造成各子单元正向或负向接入电路的时间不均等，循环PD-PWM的各子单元载波遵循固定的变化规律，即当第第i个子单元的载波一直在第i个区间内波动，那么下一个周期就会在第i+1个区间内波动，如果上一个周期在第n个区间波动，那么下一个周期就会回到第1个周期波动，其他子单元载波均以此类推。这种PD-PWM在某种程度上可以均匀分配子单元正向或反向接入电流通路的时间，均匀分配子单元电容接入电路充电或放电的时间，从而均衡各子单元电容的能量波动，使子单元电容电压均衡。但是当子单元电容初始状态就不同，或者载波频率太低时，这种方法就无法有效均衡子单元电容电压。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于动态载波偏置分配的PD-PWM调制方法。本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种基于动态载波偏置分配的PD-PWM调制方法，所述方法用的装置为全桥子单元级联结构，包括级联的H桥子单元，每个H桥子单元均并联有直流电容器，所述H桥子单元包括四桥臂，每个桥臂由IGBT模块构成，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；其改进之处在于，所述调制方法将级联H桥子单元的输出电压Uo变换成正弦电压，且用于平衡H桥子单元电压，所述调制方法包括下述步骤：(1)获得双调制波信号；(2)分配H桥子单元对应的载波信号；(3)比较双调制波信号与H桥子单元对应的载波信号，得出H桥子单元的控制信号。所述步骤(1)中，采用单极性SPWM调制的双调制波产生策略；交流电流Uo给定值与调制波Utz1相位相同，对其幅值进行标幺值比例运算调制波Utz1，对调制波Utz1进行取反运算得到调制波Utz2；通过标幺值比例运算后的调制波的范围由-1到1。所述步骤(2)中，根据子单元数量，设置相当数量的载波，即子单元数量为n时，设置n个载波信号；分别为第1子单元对应载波信号，第2子单元对应载波信号至第n子单元载波信号；在初始状态时，在纵坐标轴将-1到1区间均匀分配成n个区域，分别为区域1至区 域n；根据频率在时间横轴上划分周期，在每个周期根据动态偏置分配方法将各子单元对应载波信号分配至各个载波区域。将双调制波按照时间刻度分为区域I和区域II，所述区域Ⅰ中，tz1<tz2，区域Ⅱ中，tz1>tz2；按照H桥子单元个数，将坐标图按照纵坐标进行区域划分，将纵坐标分为5个区域；根据PD-PWM调制原理，定义不同H桥子单元的控制单元叠加偏置信号bias1的三角载波在纵坐标I区间波动，叠加偏置信号bias2的三角载波在纵坐标II区间波动，叠加偏置信号bias3的三角载波在纵坐标III区间波动，叠加偏置信号bias4的三角载波在纵坐标IV区间波动，叠加偏置信号bias5的三角载波在纵坐标V区间波动；将H桥子单元的电容充放电规律表示为下述两种工况：工况I：当区域I和区域II的电流方向I<0时，叠加偏置信号bias3的子单元处于最快充电状态；叠加偏置信号bias3的子单元即为当前载波周期内载波信号处于坐标区域III的子单元；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元处于最慢充电状态；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元即为当前载波周期内载波信号处于坐标区域I和区域V的子单元工况II：当区域I和区域II的电流方向I>0时，叠加偏置信号bias3的子单元处于最快放电状态；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元处于最慢放电状态；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元即为当前载波周期内载波信号处于坐标区域I和区域V的子单元。所述步骤(3)中，在每一个载波周期内，通过比较各子单元对应载波信号与调制波Utz1和调制波Utz2信号的大小，确定子单元的输出电平，包括：当第i个子单元对应载波信号同时大于调制波Utz1和调制波Utz2时，或者当第i个子单元对应载波信号同时小于调制波Utz1和调制波Utz2时，子单元输出零电平；当电流方向为正时，当第i个子单元对应载波信号小于调制波Utz1大于调制波Utz2时，子单元输出正电平，当第i个子单元对应载波信号大于调制波Utz1小于调制波Utz2时，子单元输出负电平；当电流方向为负时，当第i个子单元对应载波信号小于调制波Utz1大于调制波Utz2时，子单元输出负电平，当第i个子单元对应载波信号大于调制波Utz1小于调制波Utz2时，子单元输出正电平。所述步骤(3)包括下述步骤：1)选择当前时刻最大子单元电容电压和最小子单元电容电压；2)根据当前实时检测的电流和上级控制器给出的参考波信号，判断换流阀中全桥子单元级联结构的工况：若处于工况I，将最小电容电压对应子单元的载波信号叠加偏置信号bias3；将最大电容电压对应子单元载波信号叠加偏置信号bias1或bias5，其余子单元三角载波与其余偏置信号一一对应，或按照循环载波偏置分配方法循环分配偏置信号，组成层叠多载波；若处于工况II，将最大电容电压对应子单元的载波信号叠加偏置信号bias3；将最小电容电压对应子单元载波信号叠加偏置信号bias1或bias5，其余子单元载波与其余偏置信号一一对应组成层叠多载波。本发明提供的技术方案具有的优异效果是：本发明在PD-PWM调制策略的基础上，提出一种基于工况的动态偏置划分方法，并根据这种策略设计出一种新型CHB结构调制方法。该调制方法在最大限度发挥全桥子单元多电平自由度，低谐波输出电压优势的同时，能够有效均衡各子单元电容电压，易于工程实现。仿真和实验结果验证了该调制策略的有效性与可行性。在每个周期根据工况和各子单元电容电压状态实时调整各子单元载波波动区间，在每个周期都对子单元电容能量波动进行调整，更具备灵活性和有效性。本发明对PD-PWM调制策略进行了改进，分析了采用双调制波PD-PWM调制策略时，CHB结构子单元电容电压的充放电规律，本发明能够在各电容参数不对称的情况下也同样具备子单元电容电压均衡能力和较好的动态特性。该方法不仅能够在对称稳态条件下均衡各子单元电压，而且具备容错机制和快速纠错能力，并且能使级联的H桥子单元的输出电压变成各种需要的正弦电压，提高直流输电系统稳定性。附图说明图1是本发明提供的H桥子单元级联型结构示意图；图2是本发明提供的交流电压指令与双调制波波形比较图；图3是本发明提供的载波调制波坐标图区域划分图；图4是本发明提供的调制策略总原理框图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。本发明一种基于动态载波偏置分配的PD-PWM调制方法，所述方法用的装置为全桥子单元级联结构，包括级联的H桥子单元，每个H桥子单元均并联有直流电容器，所述H桥子单元包括四桥臂，每个桥臂由IGBT模块构成，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；本发明提供的H桥子单元级联型结构示意图如图1所示。所述调制方法将级联H桥子单元的输出电压Uo变换成正弦电压，且用于平衡H桥子单元电压，本发明提供的调制策略总原理框图如图4所示，所述调制方法包括下述步骤：(1)获得双调制波信号；(2)分配H桥子单元对应的载波信号；(3)比较双调制波信号与H桥子单元对应的载波信号，得出H桥子单元的控制信号。所述步骤(1)中，采用单极性SPWM调制的双调制波产生策略；交流电流Uo给定值与调制波Utz1相位相同，对其幅值进行标幺值比例运算调制波Utz1，对调制波Utz1进行取反运算得到调制波Utz2；通过标幺值比例运算后的调制波的范围由-1到1。本发明提供的交流电压指令与双调制波波形比较图如图2所示。所述步骤(2)中，根据子单元数量，设置相当数量的载波，即子单元数量为n时，设置n个载波信号；分别为第1子单元对应载波信号，第2子单元对应载波信号至第n子单元载波信号；在初始状态时，在纵坐标轴将-1到1区间均匀分配成n个区域，分别为区域1至区域n；根据频率在时间横轴上划分周期，在每个周期根据动态偏置分配方法将各子单元对应载波信号分配至各个载波区域。载波调制波坐标图区域划分图如图3所示。将双调制波按照时间刻度分为区域I和区域II，所述区域Ⅰ中，tz1<tz2，区域Ⅱ中，tz1>tz2；按照H桥子单元个数，将坐标图按照纵坐标进行区域划分，将纵坐标分为5个区域；根据PD-PWM调制原理，定义不同H桥子单元的控制单元叠加偏置信号bias1的三角载波在纵坐标I区间波动，叠加偏置信号bias2的三角载波在纵坐标II区间波动，叠加偏置信号bias3的三角载波在纵坐标III区间波动，叠加偏置信号bias4的三角载波在纵坐标IV区间波动，叠加偏置信号bias5的三角载波在纵坐标V区间波动；将H桥子单元的电容充放电规律表示为下述两种工况：工况I：当区域I和区域II的电流方向I<0时，叠加偏置信号bias3的子单元处于最快充电状态；叠加偏置信号bias3的子单元即为当前载波周期内载波信号处于坐标区域III的子单元；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元处于最慢充电状态；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元即为当前载波周期内载波信号处于坐标区域I和区域V的子单元工况II：当区域I和区域II的电流方向I>0时，叠加偏置信号bias3的子单元处于最快放电状态；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元处于最慢放电状态；叠加偏置信号bias1和bias5的子单元即为当前载波周期内载波信号处于坐标区域I和区域V的子单元。所述步骤(3)中，在每一个载波周期内，通过比较各子单元对应载波信号与调制波Utz1和调制波Utz2信号的大小，确定子单元的输出电平，包括：当第i个子单元对应载波信号同时大于调制波Utz1和调制波Utz2时，或者当第i个子单元对应载波信号同时小于调制波Utz1和调制波Utz2时，子单元输出零电平；当电流方向为正时，当第i个子单元对应载波信号小于调制波Utz1大于调制波Utz2时，子单元输出正电平，当第i个子单元对应载波信号大于调制波Utz1小于调制波Utz2时，子单元输出负电平；当电流方向为负时，当第i个子单元对应载波信号小于调制波Utz1大于调制波Utz2时，子单元输出负电平，当第i个子单元对应载波信号大于调制波Utz1小于调制波Utz2时，子单元输出正电平。所述步骤(3)包括下述步骤：1)选择当前时刻最大子单元电容电压和最小子单元电容电压；2)根据当前实时检测的电流和上级控制器给出的参考波信号，判断换流阀中全桥子单元级联结构的工况：若处于工况I，将最小电容电压对应子单元的载波信号叠加偏置信号bias3；将最大电容电压对应子单元载波信号叠加偏置信号bias1或bias5，其余子单元三角载波与其余偏置信号一一对应，或按照循环载波偏置分配方法循环分配偏置信号，组成层叠多载波；若处于工况II，将最大电容电压对应子单元的载波信号叠加偏置信号bias3；将最小电容电压对应子单元载波信号叠加偏置信号bias1或bias5，其余子单元载波与其余偏置信号一一对应组成层叠多载波。实施例本发明在电磁暂态仿真软件PSIM中搭建了CHB并网模型的单相逆变模型，仿真参数如表4所示。表4仿真参数参数名称参数数值子单元电容电压100V额定值子单元数量5子单元电容值10mF并网电感10mH交流电压频率50Hz一、与传统循环载波偏置分配型PD-PWM对比为了测试本发明所述方法的动态电压均衡特性，并与传统的循环变换载波偏置型PD-PWM进行对比，本发明进行了如下仿真：系统首先将子单元直流母线电容参数选择为一致，采用循环变换载波偏置型PD-PWM调制策略，在0.7s时，在子单元1两端并联40欧电阻，在0.9s切换至本发明所提出的基于工况的动态载波分配策略。当单相换流器包括五个H桥子单元电容电压波形，直流母线电容参数相同，循环变换载波偏置型PD-PWM能够保证功率均匀分布，因此0.7s之前系统运行正常，子单元电容电压保持均衡。当子单元1电容两端并联40欧电阻之后，由于循环变换载波偏置型PD-PWM调制策略仅能保证各子单元输入输出功率相等，无法应对这种直流母线参数不平衡的情况，五个子单元电容电压无法保持均衡，子单元1电容电压出现明显跌落，0.9s启动本发明所提出的基于工况的动态载波偏置分配方法，0.1s之后子单元电容电压重新均衡，并且各子单元电容之间的电压差更小，说明本发明所述方法具备动态不平衡参数调节能力，并且调节更为精细。采用本发明所述方法与传统的循环载波偏置分配方法时载波分配的区别为：0.9s之前，各载波偏置每个周期循环分配，0.9s之后，为了获得动态调节性能，启用本发明所述的调制策略之后，H桥子单元不再遵循循环偏置分配的规律。本发明在PD-PWM调制策略的基础上，提出一种基于工况的动态偏置划分方法，并根据这种策略设计出一种新型CHB结构调制策略。该调制策略在最大限度发挥全桥子单元多电平自由度，低谐波输出电压优势的同时，能够有效均衡各子单元电容电压，易于工程实现。仿真和实验结果验证了该调制策略的有效性与可行性。最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页1 2 3