一种适用于五电平变流器的调制方法与流程

本发明涉及智能电网领域，特别涉及一种适用于五电平变流器的调制方法。

背景技术：

现有的五电平变流器的电路中存在较多的开关管和电容，即电路存在较多的通流状态，而其中大部分会引起电容短路故障或主开关管电压应力的增大等问题。如何使得电路在换流过程中能尽可能保持在安全可靠的通流状态之下，并且减小换流时的开关损耗，是五电平变流器的电路研究与实际应用中亟需解决的问题。

同时，五电平变流器中采用的悬浮电容电压虽然在一个电网周期能保持自平衡，但是实际运行中悬浮电容电压在半个电网周期内产生的波动已经足以影响输出电压的质量，传统解决方案是增大悬浮电容的容值来减小其电压波动的幅值。但是悬浮电容容值的提高意味着电容体积的增大，功率密度的下降以及成本的上升。如何通过其他途径减小悬浮电容电压波动，也是五电平变流器的电路研究与实际应用中亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种适用于五电平变流器的调制方法，通过状态机的使用减小了换流时的开关损耗，同时能够在几个载波周期内实现悬浮电容电压的平衡，悬浮电容的容值可以大大减小，进而体积大大缩小，降低了变流器的成本。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种适用于五电平变流器的调制方法，其包括：

s11：将正弦调制波与从上至下依次层叠的四条三角载波进行比较，确定输出电平；四条所述三角载波的相位以及幅值相同，所述正弦调制波的幅值与四条三角载波层叠后的幅值相同；

s12：每个载波周期采样一次悬浮电容电压值和输出电流值；

s13：根据s11和s12得到的电平信号和采样信号，结合状态机的指示，得到开关管的驱动信号。

较佳地，所述s11具体包括：

s111：正弦调制波分别与四条从上之下依次层叠的同相位等幅值的三角载波进行比较，生成四个逻辑关系，若调制波高于载波，则生成1，若载波高于调制波，则生成0；

s112：对四个逻辑关系进行判断，若四者均为1，则输出+2电平；若三者为1，另一为0，则输出+1电平；若两者为1，另两者为0，则输出0电平；若三者为0，另一为1，则输出-1电平；若四者均为0，则输出-2电平。

较佳地，所述s12具体包括：

s121：采样悬浮电容电压值，与其额定电压值比较，判定该给悬浮电容充电或者放电；

s122，采样输出电流值，判定输出电流方向为正或者为负。

较佳地，所述s13具体包括：

s131：根据s12判定出的电流方向，在两个状态机中选出对应的一个状态机；

s132：根据s11得到的电平信号，在状态机中选出对应的开关状态组合。

较佳地，所述s132之后还包括：

s133：若存在冗余的开关状态组合，结合s12判定的悬浮电容电压状态和/或当前正弦调制波的相位，唯一确定一个与之对应的开关状态组合，最后产生驱动信号，控制开关管的导通和关断。

较佳地，所述s133中的结合s12判定的悬浮电容电压状态和/或当前正弦调制波的相位，唯一确定一个与之对应的开关状态组合具体为：

当采样的悬浮电容电压值大于额定电压值时选择其中一种开关状态组合，当采用的悬浮电容电压值小于额定电压值时选择另一种开关状态组合；和/或，

当当前正弦调制波处于正半周期时选择其中一种开关状态组合，当当前正弦调制波处于负半周期时选择另一种开关状态组合。

较佳地，采用此调制方法的五电平变流器包括：第一电容c1、第二电容c2、悬浮电容c3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8；其中，

直流侧包括：串联所述第一电容c1以及所述第二电容c2；

所述悬浮电容c3位于交流侧；所述悬浮电容c3的正极通过第一开关管s1与所述交流侧的输出端相连，所述悬浮电容c3的负极通过所述第二开关管s2与所述交流侧的输出端相连；

所述直流侧的正极与所述悬浮电容c3的正极通过所述第五开关管s5相连，所述直流侧的负极与所述悬浮电容c3的负极通过所述第七开关管s7相连；

所述直流侧的中点通过串联的所述第六开关管s6以及所述第一二极管d1与所述悬浮电容c3的正极相连；所述直流侧的中点通过串联的所述第六开关管s6以及所述第四开关管s4与所述悬浮电容c3的负极相连；

所述直流侧的中点还通过串联的所述第八开关管s8以及所述第三开关管s3与所述悬浮电容c3的正极相连；所述直流侧的中点还通过串联的所述第六开关管s6以及所述第二二极管d2与所述悬浮电容c3的负极相连。

较佳地，所述五电平变流器的开关状态组合包括十六种，其中八种的输出电流为正方向，该八种开关状态组合组成一个状态机；另外八种的输出电流为负方向，该八种开关状态组合组成另一个状态机。

较佳地，当输出电平对应的开关状态组合包括两种时，根据采样的悬浮电容电压值与额定电压值进行比较和/或根据当前正弦调制波的相位来选择；具体地为：

当采样的悬浮电容电压值大于额定电压值时选择其中一种开关状态组合，当采用的悬浮电容电压值小于额定电压值时选择另一种开关状态组合；和/或，

当当前正弦调制波处于正半周期时选择其中一种开关状态组合，当当前正弦调制波处于负半周期时选择另一种开关状态组合。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明的适用于五电平变流器的调制方法，通过状态机的使用，合理分配驱动信号，实现在每个状态机中相邻两个开关状态组合的切换不需要死区时间，避免了潜在的电压跳变和死区时间里的额外损耗；

(2)本发明的适用于五电平变流器的调制方法，能够在几个载波周期内实现悬浮电容电压的平衡，因此悬浮电容的容值可以大大减小，悬浮电容的体积大大缩小，所以变流器的成本得以降低，同时功率密度显著提高；

(3)本发明的适用于五电平变流器的调制方法，通过灵活运用冗余开关，减小了开关损耗，其中开关管s5、s7的开关频率可以降低至电网频率，s3、s4、s6、s8的开关频率可以降低至两倍的电网频率；

(4)本发明的适用于五电平变流器的调制方法，因为每相都可以按照该调制方法产生相应的驱动信号，彼此不会相互影响，因此本发明不仅适用于单相电路，而且适用于三相三线制、三相四线制的五电平变流器电路.。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1是本发明一实施例的适用于五电平变流器的调制方法的流程图；

图2是本发明一实施例的单相五电平变流器的电路结构示意图；

图3是本发明一实施例在调制过程中将单相主电路拆分为正电流通路和负电流通路的正电流通路等效电路图；

图4是本发明一实施例在调制过程中将单相主电路拆分为正电流通路和负电流通路的负电流通路等效电路图；

图5是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为a1的正电流等效电路图；

图6是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为b1的正电流等效电路图；

图7是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为c1的正电流等效电路图；

图8是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为d1的正电流等效电路图；

图9是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为e1的正电流等效电路图；

图10是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为f1的正电流等效电路图；

图11是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为g1的正电流等效电路图；

图12是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为h1的正电流等效电路图；

图13是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为a2的负电流等效电路图；

图14是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为b2的负电流等效电路图；

图15是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为c2的负电流等效电路图；

图16是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为d2的负电流等效电路图；

图17是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为e2的负电流等效电路图；

图18是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为f2的负电流等效电路图；

图19是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为g2的负电流等效电路图；

图20是本发明一实施例在调制过程中开关状态组合为h2的负电流等效电路图；

图21a是本发明一实施例的状态机m1的示意图；

图21b是本发明一实施例的状态机m2的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明一实施例的适用于五电平变流器的调制方法的流程图。

请参考图1，该调制方法包括：

s11：将正弦调制波与从上至下依次层叠的四条三角载波进行比较，确定输出电平；四条三角载波的相位以及幅值相同，正弦调制波的幅值与四条三角载波层叠后的幅值相同；

s12：每个载波周期采样一次悬浮电容电压值和输出电流值；

s13：根据步骤s11和步骤s12得到的电平信号和采样信号，结合状态机的指示，得到开关管的驱动信号。

一实施例中，步骤s11具体包括：

s111：正弦调制波分别与四条从上之下依次层叠的同相位等幅值的三角载波进行比较，生成四个逻辑关系，若调制波高于载波，则生成1，若载波高于调制波，则生成0；

s112：对四个逻辑关系进行判断，若四者均为1，则输出+2电平；若三者为1，另一为0，则输出+1电平；若两者为1，另两者为0，则输出0电平；若三者为0，另一为1，则输出-1电平；若四者均为0，则输出-2电平。

一实施例中，步骤s12具体包括：

s121：采样悬浮电容电压值，与其额定电压值比较，判定该给悬浮电容充电或者放电；

s122，采样输出电流值，判定输出电流方向为正或者为负。

一实施例中，步骤s13具体包括：

s131：根据步骤s12判定出的电流方向，在两个状态机中选出对应的一个状态机；

s132：根据步骤s11得到的电平信号，在状态机中选出对应的开关状态组合。

较佳实施例中，步骤s132之后还包括对冗余开关状态组合的处理，具体地为：

s133：若存在冗余的开关状态组合，结合步骤s12判定的悬浮电容电压状态和/或当前正弦调制波的相位，唯一确定一个与之对应的开关状态组合，最后产生驱动信号，控制开关管的导通和关断。如当出现两种开关状态组合时，可以采用如下方法：当采样的悬浮电容电压值大于额定电压值时选择其中一种开关状态组合，当采用的悬浮电容电压值小于额定电压值时选择另一种开关状态组合；和/或，当当前正弦调制波处于正半周期时选择其中一种开关状态组合，当当前正弦调制波处于负半周期时选择另一种开关状态组合。

下面以一种具体的五电平变流器对上述调制方法进行详细描述，如图2所示为该五电平变流器的电路结构示意图。其包括：第一电容c1、第二电容c2、悬浮电容c3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7以及第八开关管s8；其中，第一电容c1与第二电容c2串联，组成直流侧；悬浮电容c3位于交流侧；悬浮电容c3的正极通过第一开关管s1与交流侧的输出端相连，悬浮电容c3的负极通过所述第二开关管s2与交流侧的输出端相连；直流侧的正极与悬浮电容c3的正极通过第五开关管s5相连，直流侧的负极与悬浮电容c3的负极通过第七开关管s7相连；直流侧的中点通过串联的第六开关管s6以及第一二极管d1与悬浮电容c3的正极相连；直流侧的中点通过串联的第六开关管s6以及第四开关管s4与悬浮电容c3的负极相连；直流侧的中点还通过串联的第八开关管s8以及第三开关管s3与悬浮电容c3的正极相连；直流侧的中点还通过串联的第六开关管s6以及第二二极管d2与悬浮电容c3的负极相连。

该五电平变流器为单相电路，在调制过程中可以将单相主电路拆分为正电流通路和负电流通路，如图3所示为正电流通路等效电路图，如图4所示为负电流通路等效电路图。

该五电平变流器的电流状态包括16种开关状态组合，具体地，16种开关状态组合以及与之对应的输出电平分别为：

a1:开关管s1、s5、s6闭合，开关管s2、s3、s4、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电平为2e，如图5所示为开关状态组合为a1的正电流等效电路图；

b1:开关管s5、s6闭合，开关管s1、s2、s3、s4、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电平为e，如图6所示为开关状态组合为b1的正电流等效电路图；

c1:开关管s1、s4、s6闭合，开关管s2、s3、s5、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电平为e，如图7所示为开关状态组合为c1的正电流等效电路图；

d1:开关管s1、s6闭合，开关管s2、s3、s4、s5、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电平为0e，如图8所示为开关状态组合为d1的正电流等效电路图；

e1:开关管s4、s6闭合，开关管s1、s2、s3、s5、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电平为0e，如图9所示为开关状态组合为e1的正电流等效电路图；

f1:开关管s6闭合，开关管s1、s2、s3、s4、s5、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电平为-e，如图10所示为开关状态组合为f1的正电流等效电路图；

g1:开关管s1闭合，开关管s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电流为正方向时，输出电平为-e，如图11所示为开关状态组合为g1的正电流等效电路图；

h1:开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8断开的状态，输出电流为正方向时，输出电平为-2e，如图12所示为开关状态组合为h1的正电流等效电路图；

a2:开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为2e，如图13所示为开关状态组合为a2的负电流等效电路图；

b2:开关管s8闭合，开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为e，如图14所示为开关状态组合为b2的负电流等效电路图；

c2:开关管s2闭合，开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为e，如图15所示为开关状态组合为c2的负电流等效电路图；

d2:开关管s3、s8闭合，开关管s1、s2、s4、s5、s6、s7断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为0e，如图16所示为开关状态组合为d2的负电流等效电路图；

e2:开关管s2、s8闭合，开关管s1、s3、s4、s5、s6、s7断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为0e，如图17所示为开关状态组合为e2的负电流等效电路图；

f2:开关管s7、s8闭合，开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为-e，如图18所示为开关状态组合为f2的负电流等效电路图；

g2:开关管s2、s3、s8闭合，开关管s1、s4、s5、s6、s7断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为-e，如图19所示为开关状态组合为g2的负电流等效电路图；

h2:开关管s2、s7、s8闭合，开关管s1、s3、s4、s5、s6断开的状态，输出电流为负方向时，输出电平为-2e，如图20所示为开关状态组合h2的负电流等效电路图。

具体地，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、h1八种开关状态组合可以组成一个状态机m1，如图21a所示；a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2八种开关状态组合可以组成一个状态机m2，如图21b所示。当输出电流为正方向时，选择使用状态机m1；当输出电流为负方向时，选择使用状态机m2。

每个状态机中可以将八种开关状态组合按照输出电平分为五类，其中+-2e电平分别仅有一种开关状态组合与之对应，+-e和0e电平分别由两种开关状态组合与之对应，具体对应关系为：

m1状态机中：2e电平对应a1，e电平对应b1和c1，0e电平对应d1和e1，-e电平对应f1和g1，-2e电平对应h1；

m2状态机中：2e电平对应a2，e电平对应b2和c2，0e电平对应d2和e2，-e电平对应f2和g2，-2e电平对应h2。

较佳实施例中，为了实现对悬浮电容电压的控制，+-e和0e电平和与之对应的冗余开关状态组合的具体对应关系为：

m1状态机中：

当正弦调制波处于正半周期时，0e电平对应e1；当正弦调制波处于负半周期时，0e电平对应d1；

当采样电容电压值小于其额定电压值时，e电平对应b1；当采样电容电压值大于其额定电压值时，e电平对应c1；

当采样电容电压值小于其额定电压值时，-e电平对应f1；当采样电容电压值大于其额定电压值时，-e电平对应g1；

m2状态机中：

当正弦调制波处于正半周期时，0e电平对应e2；当正弦调制波处于负半周期时，0e电平对应d2；

当采样电容电压值小于其额定电压值时，e电平对应c2；当采样电容电压值大于其额定电压值时，e电平对应b2；

当采样电容电压值小于其额定电压值时，-e电平对应g2；当采样电容电压值大于其额定电压值时，-e电平对应f2。

步骤s13中所有可能出现的情况具体如下：

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为2e，则选择状态机m1中的a1；

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为e，且悬浮电容电压值低于额定电压值，则选择状态机m1中的b1；

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为e，且悬浮电容电压值高于额定电压值，则选择状态机m1中的c1；

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为0e，且正弦调制波处于负半周期，则选择状态机m1中的d1；

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为0e，且正弦调制波处于正半周期，则选择状态机m1中的e1；

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为-e，且悬浮电容电压值低于额定电压值，则选择状态机m1中的f1；

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为-e，且悬浮电容电压值高于额定电压值，则选择状态机m1中的g1；

当判定电流方向为正方向时，且电平信号为-2e，则选择状态机m1中的h1；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为2e，则选择状态机m2中的a2；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为e，且悬浮电容电压值高于额定电压值，则选择状态机m2中的b2；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为e，且悬浮电容电压值低于额定电压值，则选择状态机m2中的c2；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为0e，且正弦调制波处于负半周期，则选择状态机m2中的d2；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为0e，且正弦调制波处于正半周期，则选择状态机m2中的e2；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为-e，且悬浮电容电压值高于额定电压值，则选择状态机m2中的f2；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为-e，且悬浮电容电压值低于额定电压值，则选择状态机m2中的g2；

当判定电流方向为负方向时，且电平信号为-2e，则选择状态机m2中的h2。

上述实施例的五电平变流器为单相电路。因为每相都可以按照该调制方法产生相应的驱动信号，彼此不会相互影响，因此，不同实施例中，本发明的调制方法还可以适用于三相三线制、三相四线制的五电平变流器电路。

上述实施例状态机中的所有状态均使变流器电路工作在安全高效的电路模态，即该状态不会引起电容短路故障或主开关管电压应力的增大等问题，且该状态机将电压正弦波在一个周期内进行较平均的分配，以平衡各个主开关之间损耗的差异。

上述实施例通过对主开关管的驱动信号的合理安排，使得在同一个状态机中，在相邻两个开关状态组合的切换过程中不需要设置死区也可以可靠切换。

上述实施例使得开关管s5、s7的开关频率可以降低至电网频率，s3、s4、s6、s8的开关频率可以降低至两倍的电网频率，其他主开关管工作在载波频率，达到减小开关损耗的目的；通过对悬浮电容电压的控制，能够在几个载波周期内实现悬浮电容电压的平衡，因此悬浮电容的容值可以大大减小，悬浮电容的体积大大缩小，所以变流器的成本得以降低，同时功率密度显著提高。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。