ANPC型三电平变换器及其双调制波载波调制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种ANPC型三电平变换器及其双调制波载波调制方法。

背景技术：

ANPC(Active Neutral Point Clamped，有源中点箝位)型三电平变换器拓扑是目前应用较为广泛的三电平拓扑之一，如图1所示，其拓扑推衍自二极管箝位型三电平变换器拓扑；并且，类似于二极管箝位性三电平变换器拓扑，ANPC型三电平变换器拓扑同样存在直流母线中点电位波动问题。而直流母线中点电位波动会对输出电压电流THD、器件电压应力、共模电压、系统损耗等多方面造成影响，因此，需要相应的解决方案来抑制中点电位波动，尤其是抑制较难治理的低频波动。

目前，抑制二极管箝位型和ANPC型三电平拓扑中点电位低频波动的解决方案通常可以分成硬件方案和软件方案两大类。其中，软件方案因只需要通过对算法加以调整，不需要(或很少)增加额外的硬件成本，成为目前广为采用的主流方案。软件方案从调制方式可分成基于载波调制的方案和基于空间矢量调制的方案两类；由于空间矢量调制对于硬件中数字处理器的计算资源要求较高、算法较为复杂，因此对于抑制拓扑中点电位低频波动，现有技术通常采用往三相电压调制波中注入特定的零序分量，或进一步增加针对直流母线中点电压低频波动的闭环控制。

但是此类基于载波调制的方法受限于系统功率因数和调制度，只能在一定范围内起到一定的抑制作用，无法实现全功率因数范围内抑制低频波动。

技术实现要素：

本发明提供一种ANPC型三电平变换器及其双调制波载波调制方法，以解决现有技术中无法实现全功率因数范围内抑制低频波动的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法，应用于ANPC型三电平变换器中的控制器，所述ANPC型三电平变换器包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关管、第二开关管和第五开关管相连组成的上桥臂，以及由第三开关管、第四开关管和第六开关管相连组成的下桥臂，第五开关管和第六开关管的连接点与直流母线中点相连，第二开关管和第三开关管的连接点为对应相交流输出端；所述ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法包括：

确定三相调制波中的最大值和最小值；

计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与所述最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与所述最大值之差的一半；

根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号；

输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关管和第六开关管；输出各相的第一PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第四开关管和第五开关管；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关管；输出各相的第二PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第三开关管。

优选的，所述根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号，包括：

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；

将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号。

优选的，所述根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号，包括：

判断各相的第一调制波是否为零；

第一调制波为零的相，令第一PWM信号为0，将第二调制波与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

第一调制波不为零的相，判断第二调制波是否为零；

第一调制波不为零、第二调制波为零的相，令第一PWM信号为1，将第一调制波与上载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

第一调制波和第二调制波均不为零的相，将第一调制波与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将第二调制波与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号。

优选的，在所述确定三相调制波中的最大值和最小值之前，还包括：

计算得到所述三相调制波。

优选的，在所述根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号之前，还包括：

根据双载波上下层叠原理，计算得到上载波和下载波。

一种ANPC型三电平变换器，包括控制器和主电路；其中：

所述主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关管、第二开关管和第五开关管相连组成的上桥臂，以及由第三开关管、第四开关管和第六开关管相连组成的下桥臂，第五开关管和第六开关管的连接点与直流母线中点相连，第二开关管和第三开关管的连接点为对应相交流输出端；

所述控制器包括：

确定单元，用于确定三相调制波中的最大值和最小值；

第一计算单元，用于计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与所述最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与所述最大值之差的一半；

第二计算单元，用于根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号；

输出单元，用于输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关管和第六开关管；输出各相的第一PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第四开关管和第五开关管；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关管；输出各相的第二PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第三开关管。

优选的，所述第二计算单元用于根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号时，具体用于：

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；

将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号。

优选的，所述第二计算单元用于根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号时，具体用于：

判断各相的第一调制波是否为零；

第一调制波为零的相，令第一PWM信号为0，将第二调制波与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

第一调制波不为零的相，判断第二调制波是否为零；

第一调制波不为零、第二调制波为零的相，令第一PWM信号为1，将第一调制波与上载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

第一调制波和第二调制波均不为零的相，将第一调制波与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将第二调制波与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号。

优选的，还包括：

调制波生成单元，用于在所述确定单元确定三相调制波中的最大值和最小值之前，计算得到所述三相调制波。

优选的，还包括：

载波生成单元，用于在所述第二单元根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号之前，根据双载波上下层叠原理，计算得到上载波和下载波。

本发明提供的所述ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法，在确定三相调制波中的最大值和最小值之后，计算得到各相调制波与所述最小值之差的一半、作为各相的第一调制波，并计算得到各相调制波与所述最大值之差的一半、作为各相的第二调制波；然后根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号；最后输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关管和第六开关管；输出各相的第一PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第四开关管和第五开关管；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关管；输出各相的第二PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第三开关管；实现了对于各相开关管的控制，以能够实现全功率因数范围内抑制低频波动的双调制波载波调制方法实现对于所述ANPC型三电平变换器的调制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的ANPC型三电平变换器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法的流程图；

图3是本发明另一实施例提供的ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法的部分流程图；

图4是本发明另一实施例提供的ANPC型三电平变换器的开关管的驱动波形图；

图5是本发明另一实施例提供的ANPC型三电平变换器的开关管的驱动波形图；

图6是本发明另一实施例提供的ANPC型三电平变换器的输出波形图；

图7是本发明另一实施例提供的ANPC型三电平变换器的控制器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法，以解决现有技术中无法实现全功率因数范围内抑制低频波动的问题。

具体的，该ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法，应用于ANPC型三电平变换器中的控制器，该ANPC型三电平变换器如图1所示，包括三个桥臂，每个桥臂包括：由第一开关管、第二开关管和第五开关管相连组成的上桥臂，以及由第三开关管、第四开关管和第六开关管相连组成的下桥臂，第五开关管和第六开关管的连接点与直流母线中点相连，第二开关管和第三开关管的连接点为对应相交流输出端；参见图1，A相桥臂包括：由第一开关管AS1、第二开关管AS2和第五开关管AS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关管AS3、第四开关管AS4和第六开关管AS6相连组成的下桥臂，第五开关管AS5和第六开关管AS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关管AS2和第三开关管AS3的连接点为A相交流输出端；B相桥臂包括：由第一开关管BS1、第二开关管BS2和第五开关管BS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关管BS3、第四开关管BS4和第六开关管BS6相连组成的下桥臂，第五开关管BS5和第六开关管BS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关管BS2和第三开关管BS3的连接点为B相交流输出端；C相桥臂包括：由第一开关管CS1、第二开关管CS2和第五开关管CS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关管CS3、第四开关管CS4和第六开关管CS6相连组成的下桥臂，第五开关管CS5和第六开关管CS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关管CS2和第三开关管CS3的连接点为C相交流输出端。

该ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法，参见图2，包括：

S101、确定三相调制波中的最大值和最小值；

根据三相调制波(Ua，Ub，Uc)，确定其中的最大值Umax和最小值Umin。

S102、计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与最大值之差的一半；

求取各相调制波同最小值Umin之差的50％作为对应相的第一调制波U1，求取各相调制波同最大值Umax之差的50％作为对应相的第二调制波U2。

S103、根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号；

步骤S103可以通过两种方式来实现，第一种：

通过各相对应的第一调制波U1同上载波进行比较，求得对应相的第一PWM信号PWM1，通过各相对应的第二调制波U2同下载波进行比较，求得对应相的第二PWM信号PWM2；

第二种：

采用各相对应的第一调制波U1和第二调制波U2、上载波及下载波，根据相应规则获得对应相的第一PWM信号PWM1和第二PWM信号PWM2；

优选的，该规则参见图3，包括：

S201、判断各相的第一调制波U1是否为零；

S202、第一调制波U1为零的相，令第一PWM信号PWM1为0(低电平)，将第二调制波U2与下载波进行比价，得到对应相的第二PWM信号PWM2；

S203、第一调制波U1不为零的相，判断第二调制波U2是否为零；

S204、第一调制波U1不为零、第二调制波U2为零的相，令第一PWM信号PWM1为1(高电平)，将第一调制波U1与上载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号PWM2；

S205、第一调制波U1和第二调制波U2均不为零的相，将第一调制波U1与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号PWM1；将第二调制波U2与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号PWM2。

通过上述两种方式任意之一执行完步骤S103之后，执行步骤S104；

S104、输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关管和第六开关管；输出各相的第一PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第四开关管和第五开关管；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关管；输出各相的第二PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第三开关管。

当采用第一种方式执行步骤S103时，通过步骤S104之后，获得的各相桥臂内六个开关管(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)的驱动波形如图4所示。一个基波周期内，同一桥臂所有开关管的开关模式相同，即桥臂内每个开关管有2/3基波周期处于高频开通关断状态，另外1/3基波周期处于一直开通状态或关断状态。

且在高频开通关断状态中，第一开关管S1和第二开关管S2有两段1/6基波周期、总共1/3基波周期都处于开通关断状态中。由于第一开关管S1和第六开关管S6的驱动波形相同，第四开关管S4和第五开关管S5驱动波形相同，第一开关管S1和第四开关管S4驱动波形互补，第二开关管S2和第三开关管S3驱动波形互补，以上特征便不再次展开。

而当采用第二种方式执行步骤S103时，通过步骤S104之后，获得的各相桥臂内六个开关管(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)的驱动波形如图5所示。一个基波周期内，各个桥臂内的第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6均有1/3基波周期处于高频开通关断状态，另外2/3基波周期处于一直开通状态或关断状态；而第二开关管S2和第三开关管S3一直处于高频开通关断状态。

不论采用何种方式执行步骤S103时，通过步骤S104之后，使得ANPC型三电平变换器的各相交流输出端相当于直流母线中点的三相输出波形如图6所示，一个基波周期内，ANPC型三电平变换器的各相交流输出端相当于直流母线中点的三相输出波形，有1/3基波周期具有正50％总直流母线电压、0、负50％总直流母线电压三种状态，有1/3基波周期具有正50％总直流母线电压、0两种状态，有1/3基波周期具有0、负50％总直流母线电压两种状态。

本实施例提供的该ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法，实现了对于各相开关管的控制，以能够实现全功率因数范围内抑制低频波动的双调制波载波调制方法实现对于ANPC型三电平变换器的调制，解决了现有技术中无法实现全功率因数范围内抑制低频波动的问题，且简单易执行。

优选的，参见图6，该ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法的全部执行步骤包括：

S301、计算得到三相调制波。

S302、确定三相调制波中的最大值和最小值；

S303、计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与最大值之差的一半；

S304、根据双载波上下层叠原理，计算得到上载波和下载波。

S305、根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号；

S306、输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关管和第六开关管；输出各相的第一PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第四开关管和第五开关管；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关管；输出各相的第二PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第三开关管。

其中，步骤S301和S304均为现有技术中的成熟技术，此处不再赘述。

该ANPC型三电平变换器的双调制波载波调制方法，通过双载波上下层叠原理计算得到的上载波和下载波结合第一调制波和第二调制波进行调制，增加了“0”状态占空比分配的自由度，实现了在所有调制度和功率因数下完全消除中点电位直流不平衡和中点电位低频波动。

本发明另一实施例还提供了一种ANPC型三电平变换器，包括控制器和主电路；其中：

主电路如图1所示，包括三个桥臂，每个桥臂包括：第一开关管、第二开关管和第五开关管相连组成的上桥臂，以及由第三开关管、第四开关管和第六开关管相连组成的下桥臂，第五开关管和第六开关管的连接点与直流母线中点相连，第二开关管和第三开关管的连接点为对应相交流输出端；参见图1，A相桥臂包括：由第一开关管AS1、第二开关管AS2和第五开关管AS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关管AS3、第四开关管AS4和第六开关管AS6相连组成的下桥臂，第五开关管AS5和第六开关管AS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关管AS2和第三开关管AS3的连接点为A相交流输出端；B相桥臂包括：由第一开关管BS1、第二开关管BS2和第五开关管BS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关管BS3、第四开关管BS4和第六开关管BS6相连组成的下桥臂，第五开关管BS5和第六开关管BS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关管BS2和第三开关管BS3的连接点为B相交流输出端；C相桥臂包括：由第一开关管CS1、第二开关管CS2和第五开关管CS5相连组成的上桥臂，以及由第三开关管CS3、第四开关管CS4和第六开关管CS6相连组成的下桥臂，第五开关管CS5和第六开关管CS6的连接点与直流母线中点相连，第二开关管CS2和第三开关管CS3的连接点为C相交流输出端。

该控制器参见图7，包括：

确定单元101，用于确定三相调制波中的最大值和最小值；

第一计算单元102，用于计算得到各相的第一调制波和第二调制波；其中，各相的第一调制波为各相调制波与最小值之差的一半，各相的第二调制波为各相调制波与最大值之差的一半；

第二计算单元103，用于根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号；

输出单元104，用于输出各相的第一PWM信号控制对应桥臂中的第一开关管和第六开关管；输出各相的第一PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第四开关管和第五开关管；输出各相的第二PWM信号控制对应桥臂中的第二开关管；输出各相的第二PWM信号互补信号控制对应桥臂中的第三开关管。

优选的，第二计算单元103用于根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号时，具体用于：

将各相的第一调制波分别与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；

将各相的第二调制波分别与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号。

或者，第二计算单元103用于根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号时，具体用于：

判断各相的第一调制波是否为零；

第一调制波为零的相，将第二调制波与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号；

第一调制波不为零的相，判断第二调制波是否为零；

第二调制波为零的相，将第一调制波与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；

第一调制波和第二调制波均不为零的相，将第一调制波与上载波进行比较，得到对应相的第一PWM信号；将第二调制波与下载波进行比较，得到对应相的第二PWM信号。

优选的，该ANPC型三电平变换器，在图7的基础之上，还包括：

调制波生成单元，用于在确定单元确定三相调制波中的最大值和最小值之前，计算得到三相调制波；

载波生成单元，用于在第二单元根据各相的第一调制波、第二调制波、上载波和下载波，计算得到各相的第一PWM信号和第二PWM信号之前，根据双载波上下层叠原理，计算得到上载波和下载波。

其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。