一种三电平载波调制方法与流程

本发明属于变频器控制技术领域，具体设计一种解决最小脉宽问题的三电平载波调制方法。

背景技术：

随着电力电子技术的迅速发展，三电平中点箝位型(neutral-point-clamped，npc)变频器在交流驱动、机车牵引、风力发电等大容量、中高电压领域的应用越来越广泛，并向低压领域不断发展。

电力电子功率器件存在最小开通时间和最小关断时间的限制，这就要求脉宽调制输出的脉冲宽度不能无限窄。当脉宽小于功率器件要求的最小开关时间时，器件不能正常工作。因此必须对过窄的脉冲进行处理，使其满足最小脉宽的要求。目前三电平npc变频器常用的脉宽调制方法主要为空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，svpwm)svpwm和载波脉宽调制。svpwm调制通常采用最近三矢量法(nearestthreevecotrs，n3v)，在特定区域内不可避免出现最小脉宽问题，一般采用将小于最小脉宽的脉冲滤除或扩展为最小脉宽的方法，但改变了一相的脉冲宽度，必然会造成输出的线电压畸变。一些文献中提出基于正弦脉宽调制(sinepulsewidthmodulation，spwm)的载波脉宽调制方法中，当某一相调制脉冲出现窄脉冲时，在消除或扩展该窄脉冲的同时，对其它两相脉冲进行相应的补偿，以确保输出的线电压保持不变。但该方法需要对三相脉冲同时进行改变，且在某些情况下，其它两相补偿后的脉冲可能出现新的窄脉冲，影响补偿效果。

技术实现要素：

本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出了一种解决最小脉宽问题的三电平载波调制方法，根据本开关周期内调制波幅值的大小，确定采用两种调制模式中的一种，确保解决最小脉宽问题的同时，输出相电压平均值不会产生畸变，从而保证输出线电压平均值不会畸变。

一种三电平载波调制方法，包括两种调制模式：

在一个开关周期内，当调制度小于vm时，或调制度大于vm但当前载波周期内调制波vrx幅值在[-vm，vm]之间时，采用模式1调制方式，将调制波vrx分解成正、负两个调制波vrx1和vrx2，与同一个三角载波vc比较，最终得到所有功率开关管的开关序列。

在一个开关周期内，当调制度较大于vm，并且当前载波周期内调制波vrx幅值在[-1，-vm]或[vm,1]之间时，采用模式2调制方式，将调制波与两个同相层叠载波vc1和vc2进行比较，最终得到所有功率开关管所有功率开关管的开关序列。

当调制波幅值等于vm时，可采用模式1或模式2该特定值根据所用功率开关管要求的最小脉宽和载波调制的开关周期确定一个合理范围。

上述调制波vrx为标幺值，幅值范围为[-1，1]；三角载波vc为标幺值，幅值范围为[-1，1]；x为变流器三相a，b，c；vm为根据所用功率开关管要求的最小脉宽和载波调制的开关周期确定的合理值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明三电平载波调制方法，根据本开关周期内调制波幅值的大小，采用不同的调制模式，解决可能出现的最小脉宽问题。

(2)本发明三电平载波调制方法，每相的调制相对独立，在解决最小脉宽问题的同时，能够保证输出相电压和线电压平均值没有畸变。

(3)本发明三电平载波调制方法，依据载波脉宽调制原理，调制方法简单清晰，易于实现，具有较强的可靠性，适用于采用高压大容量功率器件的三电平npc变频器。

附图说明

图1为典型的三电平npc变频器拓扑电路。

图2为本发明三电平载波调制方法的模式1调制方式原理示意图。

图3a为本发明三电平载波调制方法中调制波vx大于0时模式2调制方式原理示意图。

图3b为本发明三电平载波调制方法中调制波vx小于0时模式2调制方式原理示意图。

图4a为本发明三电平载波调制方法中调制度0.1时本发明仿真得到的相电压和线电压波形图。

图4b为本发明三电平载波调制方法中调制度0.4时本发明仿真得到的相电压和线电压波形图。

图4c为本发明三电平载波调制方法中调制度0.8时本发明仿真得到的相电压和线电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的详细说明。

以图1所示典型的三电平npc变频器拓扑电路，对本发明进行说明；图中，c1与c2为直流电容，sa1～sa4、sb1～sb4以及sc1～sc4分别为变频器a、b、c三相的功率开关器件及其反并联二极管。

本发明三电平载波调制方法，包括两种调制模式：

模式1：在一个开关周期内，当调制度小于vm时，或调制度大于vm但当前载波周期内调制波vrx幅值小于vm，即调制波vrx在[-vm，vm]之间时，采用模式1调制方式。

模式2：在一个开关周期内，当调制度较大于vm，并且当前载波周期内调制波vrx幅值大于vm，即调制波vrx在[-1，-vm]或[vm,1]之间时，采用模式2调制方式。

当调制波幅值等于vm时，采用模式1或模式2得到的功率开关管的开关序列都能满足最小脉宽要求。

上述调制波vrx为标幺值，幅值范围为[-1，1]；三角载波vc为标幺值，幅值范围为[-1，1]；x为变流器三相a，b，c。vm为特定值，根据所用功率开关管要求的最小脉宽和载波调制的开关周期确定一个合理范围取值。以正弦调制为例，假设变频器中的功率开关器件的最小脉宽为tmin，载波周期为ts，那么在调制度或当前载波周期内的调制波幅值小于tmin/ts时，采用模式2计算出功率开关器件的开通时间小于最小脉宽时间，所以vm不得小于tmin/ts。当前载波周期内调制波幅值大于0.5-2tmin/ts时，采用模式1计算出的功率器件的关断时间小于最小脉宽时间，所以vm不得大于0.5-2tmin/ts。综上所述，特定值vm的取值范围为[tmin/ts，0.5-2tmin/ts]。例如高压大功率器件igct，一般应用中最小脉宽设为100us，载波频率为500hz、周期2ms时，那么特定值vm的范围为[0.05，0.4]，该特定值就可以设定为0.2。

下面对模式1与模式2的调制方式进行说明：

a、模式1调制方式具体为：

首先，将调制波vrx分解成正、负两个调制波vrx1和vrx2，分解方式为：

随后，将两个调制波vrx1和vrx2与同一个三角载波vc比较，得到该相输出电平信号。比较方式为：

当vc＜vrx2，三电平变流器x相输出正电平；

当vc＞vrx1，三电平变流器x相输出负电平；

当vrx2＜vc＜vrx1，三电平变流器x相输出零电平。

最后，根据相输出电压波形得到所有功率开关管的开关序列。

如图2所示，在一个开关周期内x相调制波vx幅值为0.1且小于特定值0.2，按照上述调制波与载波比较原则，得到相输出电平信号uxo。同时，vrx2与载波vc进行比较得到1号功率开关管的开关序列pwm1，vrx1与载波vc进行比较得到2号功率开关管的开关序列pwm2；1号功率开关管和2号功率开关管的开关序列pwm1和pwm2经过逻辑处理后得到该相上四只功率开关管的开关序列。

b、模式2调制方式具体为：

首先，将调制波vrx与两个同相层叠的载波vc1和vc2进行比较，得到该相输出电平信号，比较方式为：

当vrx＞vc1，三电平变流器x相输出正电平；

当vrx＜vc2，三电平变流器x相输出负电平；

当vc2＜vrx＜vc1，三电平变流器x相输出零电平。

上述两个同相层叠的载波均采用标幺值，vc1的幅值范围为[0，1]，vc2的幅值范围为[-1，0]，且：

vc2＝vc1-1(2)

随后，根据相输出电压波形得到所有功率开关管的开关序列。

图3a和图3b分别是调制波幅值为0.6和-0.6时采用模式2调制方式的原理示意图。按照上述调制波与载波比较原则，得到相输出电平信号，同时vrx与载波vc1进行比较得到1号功率开关管脉冲驱动信号pwm1，vrx与载波vc2进行比较得到2号功率开关管脉冲驱动信号pwm2，控制信号pwm1和pwm2经过逻辑处理后得到该相上四只功率开关管的驱动信号。

为了验证本发明的有效性，利用电力电子仿真软件psim进行仿真的验证。模型中取基波频率fo＝50hz，开关频率fc＝600hz，直流电压5000v，上下组直流电容c1＝c2＝10mf，两种调制模式的切换特定值vm＝0.2，所用功率开关管要求的最小脉宽为100us。采用正弦脉宽载波调制模式，a相调制波vx＝sin(ωt)，ω为调制波角频率，t为时间，b、c相调制波分别超前和之后a相调制波120°。图4a、图4b和图4c分别为调制度为0.1、0.4和0.8时三电平npc变频器a相1号功率管和2号功率管驱动信号、a相电压和ab线电压波形。

图4a、4b、4c中分别可看出在调制度分别为0.1、0.4和0.8时，功率管的驱动脉冲宽度都大于100us，能够满足最小脉宽的要求。