一种单相多电平飞跨电容变换器及电压平衡调制方法

1.本发明涉及一种单相多电平飞跨电容变换器及电压平衡调制方法。


背景技术：

2.与传统的单相两电平变换器相比，单相多电平变换器可输出更多的电压电平数量，dv/dt更小，开关损耗更小，输出谐波含量更低，因而所需要无源滤波器体积将更小。随着人们对功率变换器高功率密度和高转换效率性能指标的持续追求，多电平变换器拓扑正逐渐在低压场合崭露头角。


技术实现要素：

3.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
4.一种单相多电平飞跨电容变换器，其特征在于，包括三对驱动信号互补的开关管和一个飞跨电容；其中第一对开关管和第二对开关管串联后与第三对开关管并联最后接直流母线，第一对开关管和第二对开关管工作在开关频率，第三对开关管工作在基波频率，飞跨电容跨接在第二对开关管上。
5.在上述的一种单相多电平飞跨电容变换器，每对开关管均包括两个串联的开关管，分别是由开关管s1，开关管s1'组成的第一对开关管；由开关管s2，开关管s2'组成的第二对开关管；由开关管s3，开关管s3'组成的第三对开关管，飞跨电容cf跨接在开关管s2和开关管s2'上。
6.一种单相多电平飞跨电容变换器的电压平衡调制方法，其特征在于，接收误差信号；
7.误差信号经pi调节器输出驱动信号；
8.驱动信号控制三对开关管平衡飞跨电容cf的端电压u
cf
，使其端电压u
cf
被控制为直流母线电压u
dc
的不同比例；
9.输出不同的电压电平u
ab
。
10.在上述的电压平衡调制方法，如果该单相多电平飞跨电容变换器工作在逆变模式，误差信号δu
ref
是飞跨电容电压u
cf
与参考电压u
ref
的差值：
11.δu
cf
＝u
cf-u
ref
12.如果该单相多电平飞跨电容变换器工作在整流模式，误差信号δu
ref
是参考电压u
ref
与飞跨电容电压u
cf
的差值：
13.δu
cf
＝u
ref-u
cf
14.在上述的电压平衡调制方法，定义a表示参考调制信号u
ref
通过过零比较器后的逻辑信号，b、c、d分别表示三个调制信号u
ref1
、u
ref2
、u
ref3
与载波信号c
ar
相比较后的输出逻辑信号，根据真值表，开关管s1、s2和s3驱动信号的逻辑表达式为：
[0015][0016]
其中，开关管s1'、s2'、s3'的驱动信号与开关管s1、s2、s3的驱动信号互补，其逻辑表达式分别是并且表示a、b、c取反。
[0017]
在上述的电压平衡调制方法，对应三个调制信号u
ref1
、u
ref2
、u
ref3
；
[0018][0019]
其中，k是δu
ref
经过一个pi调节器得到的输出变量。
[0020]
在上述的电压平衡调制方法，输出的不同电压电平u
ab
分别是：u
dc
、u
dc-u
cf
、u
cf
、0、-u
cf
、u
cf-u
dc
、-u
dc
。
[0021]
因此，本发明具有如下优点：本发明能够在不改变调制逻辑的情况下，通过改变参考电压u
ref
的大小，将飞跨电容电压控制在不同的电压值，可实现不同的电压电平数量输出，从而使得该变换器拓扑更加灵活多变。
附图说明
[0022]
图1为单相多电平飞跨电容变换器；
[0023]
图2为本发明所提出的电压平衡调制策略；
[0024]
图3(a)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝u
dc
)；
[0025]
图3(b)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝u
dc-u
cf
)；
[0026]
图3(c)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝u
cf
)；
[0027]
图3(d)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝0)；
[0028]
图3(e)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝0)；
[0029]
图3(f)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝-u
cf
)；
[0030]
图3(g)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝u
cf
–udc
)；
[0031]
图3(h)为单相多电平飞跨电容变换器的等效电路(u
ab
＝
–udc
)；
[0032]
图4(a)为开关管s1的卡诺图；
[0033]
图4(b)为开关管s2的卡诺图；
[0034]
图4(c)为开关管s3的卡诺图；
[0035]
图5(a)为当u
cf
＝1/2u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(滤波前电压u
ab
、滤波后电压uo和输出电流io)；
[0036]
图5(b)为当u
cf
＝1/2u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(飞跨电容电压ucf
、误差信号δu
cf
、pi调节器输出变量k)；
[0037]
图5(c)为当u
cf
＝1/2u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(各个开关管的端电压波形)。
[0038]
图6(a)为当u
cf
＝1/3u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(滤波前电压u
ab
、滤波后电压uo和输出电流io)。
[0039]
图6(b)为当u
cf
＝1/3u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(飞跨电容电压u
cf
、误差信号δu
cf
、pi调节器输出变量k)。
[0040]
图6(c)为当u
cf
＝1/3u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(各个开关管的端电压波形)。
[0041]
图7(a)为当u
cf
＝2/3u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(滤波前电压u
ab
、滤波后电压uo和输出电流io)。
[0042]
图7(b)为当u
cf
＝2/3u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(飞跨电容电压u
cf
、误差信号δu
cf
、pi调节器输出变量k)。
[0043]
图7(c)为当u
cf
＝2/3u
dc
时单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果(各个开关管的端电压波形)。
具体实施方式
[0044]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0045]
实施例：
[0046]
如图1所示的单相多电平飞跨电容变换器拓扑，由三对驱动信号互补的开关管(s1，s1')、(s2，s2')、(s3，s3')和一个飞跨电容cf组成。其中，开关管(s3，s3')工作在基波频率，因而其开关损耗几乎为零；开关管(s1，s1')、(s2，s2')工作在开关频率。针对该单相多电平飞跨电容变换器拓扑，本发明提出一种电压平衡调制策略平衡飞跨电容电压，在不改变调制逻辑的情况下，通过将飞跨电容电压控制在不同的电压值，可实现不同的电压电平数量输出，从而使得该变换器拓扑更加灵活多变。
[0047]
为了确保该单相多电平飞跨电容变换器的正常运行，需要平衡飞跨电容cf的端电压u
cf
。为了达到这个目的，本发明提出如图2所示的电压平衡调制策略，其中参考调制信号u
ref
的大小为：
[0048]uref
＝2msin(2πfmt)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0049]
其中m为调制比，fm为基波频率。
[0050]
在如图2所示的电压平衡调制策略中，如果该单相多电平飞跨电容变换器工作在逆变模式，飞跨电容电压u
cf
与参考电压u
ref
相减，得到误差信号δu
ref
，如(2)所示。
[0051]
δu
cf
＝u
cf-u
ref
ꢀꢀꢀ
(2)
[0052]
如果该单相多电平飞跨电容变换器工作在整流模式，飞跨电容电压u
ref
与参考电压u
cf
相减，得到误差信号δu
ref
，如(3)所示。
[0053]
δu
cf
＝u
ref-u
cf
ꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
δu
ref
经过一个pi调节器得到输出变量k。结合公式(1)，参考调制信号u
ref
可进一步演化为三个调制信号u
ref1
、u
ref2
、u
ref3
，如公式(4)所示。
[0055][0056]
根据如图3所示的单相多电平飞跨电容变换器等效电路，可建立如表1所示的单相多电平飞跨电容变换器的真值表。在表1中，a表示参考调制信号u
ref
通过过零比较器后的逻辑信号，b、c、d分别表示三个调制信号u
ref1
、u
ref2
、u
ref3
与载波信号c
ar
相比较后的输出逻辑信号。另外，表1中的x可为逻辑值1或者0。
[0057]
表1.单相多电平飞跨电容变换器的真值表
[0058][0059]
根据真值表，可以进一步建立该单相多电平飞跨电容变换器的卡诺图，如图4所示。根据该卡诺图，不难推导出开关管s1、s2和s3驱动信号的逻辑表达式为：
[0060][0061]
其中，开关管s1'、s2'、s3'与开关管s1、s2、s3互补，其逻辑表达式分别是并且表示a、b、c取反。
[0062]
基于所提电压平衡调制策略，该单相多电平飞跨电容变换器的输出电压u
ab
具有如下电压电平：u
dc
、u
dc-u
cf
、u
cf
、0、-u
cf
、u
cf-u
dc
、-u
dc
。根据飞跨电容电压u
cf
大小的不同，可使得该单相多电平飞跨电容变换器输出不同的电压电平数量。
[0063]
1)当飞跨电容电压u
cf
被控制为直流母线电压u
dc
的一半(即1/2u
dc
)时，该单相多电平飞跨电容变换器的输出电压u
ab
具有5个电压电平：u
dc
、1/2u
dc
、0、-1/2u
dc
、-u
dc
。
[0064]
2)当飞跨电容电压u
cf
被控制为直流母线电压u
dc
的三分之一(即1/3u
dc
)时，或u
cf
被控制为直流母线电压u
dc
的三分之二(即2/3u
dc
)时，该单相多电平飞跨电容变换器的输出电压u
ab
都具有7个电压电平：u
dc
、2/3u
dc
、1/3u
dc
、0、-1/3u
dc
、-2/3u
dc
、-u
dc
。
[0065]
为了论证所提电压平衡调制策略的可行性，本项目初步建立一个6.6kw的仿真模型，具体仿真参数如表2所示。
[0066]
表2.单相多电平飞跨电容变换器的仿真参数
[0067][0068]
1)当飞跨电容参考电压u
ref
＝1/2u
dc
时，该单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果如图5所示。不难看出，飞跨电容电压u
cf
成功稳定在直流母线电压的一半，也即是200v，pi调节器的输出变量k成功稳定在2附近，该单相多电平飞跨电容变换器的输出电压u
ab
呈现一个五电平输出波形，即u
dc
、1/2u
dc
、0、-1/2u
dc
、-u
dc
。
[0069]
2)当飞跨电容参考电压u
ref
＝1/3u
dc
时，该单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果如图6所示。不难看出，飞跨电容电压u
cf
成功稳定在直流母线电压的三分之一，也即是133.3v，pi调节器的输出变量k成功稳定在2附近，该单相多电平飞跨电容变换器的输出电压u
ab
呈现一个七电平输出波形，即u
dc
、2/3u
dc
、1/3u
dc
、0、-1/3u
dc
、-2/3u
dc
、-u
dc
。
[0070]
3)当飞跨电容参考电压u
ref
＝2/3u
dc
时，该单相多电平飞跨电容变换器的仿真结果如图7所示。不难看出，飞跨电容电压u
cf
成功稳定在直流母线电压的三分之二，也即是266.6v，pi调节器的输出变量k成功稳定在2附近，该单相多电平飞跨电容变换器的输出电压u
ab
呈现一个七电平输出波形，即u
dc
、2/3u
dc
、1/3u
dc
、0、-1/3u
dc
、-2/3u
dc
、-u
dc
。
[0071]
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。