T型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法及装置

t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法及装置
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体地说，涉及多电平变换器的调制技术，更具体地说，是涉及t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法及装置。


背景技术：

2.多电平变换器作为发电、输电和配电等各领域实现电能变换的关键载体，利用多电平技术对拓扑结构进行改变，使得单个器件电压应力降低，并利用低压器件实现高压、多电平输出。多电平变换器具有较小的电压跃变幅度和较高的等效输出频率，具有较高的输出电压波形质量，降低了系统对滤波装置的要求。用较少的功率器件和电源实现更多电平的输出以提高变换器输出电能质量，一直是电力电子技术最活跃的研究方向之一。
3.现有技术中，两全桥级联型多电平变换器，仅由八只功率器件和两只直流电源构成；当两直流电源的额定电压之比是1:3时输出电压高达九电平。但是该拓扑的两电源规格不一致，功率输出失衡严重，而且若调制不当，易造成高压单元向低压单元功率倒灌。
4.如图1所示，t型单元与半桥单元组合(t-type cell and half-bridge cell combined,tchc)多电平变换器为另一种现有技术常用的拓扑结构，仅由八只功率器件s
1-s8和两只额定电压相等的直流电源构成，而其输出电压可高达九电平。tchc多电平变换器是一类极具有应用价值和市场竞争力的多电平拓扑结构。如图1所示，tchc多电平变换器包括一个t型单元和一个半桥单元，两个单元通过两个开关器件s5、s6交叉连接，形成串联连接结构。t型单元的直流侧电源电压v
dc1
与半桥单元的直流侧电源电压v
dc2
额定值相同，均为e。t型单元包括有三个端点，分别为x、p1、n1，端点x与端点p1之间连接有开关器件s1，端点x与端点n1之间连接有开关器件s4，位于端点p1与端点n1之间的直流电源上并联有两个电容c
11
、c
12
，端点x与两个电容之间的连接点之间串联有开关器件s2和s3。半桥单元包括有三个端点，分别为y、p2、n2，端点y与端点n2之间连接有开关器件s7，端点y与端点p2之间连接有开关器件s8。t型单元的端点x与半桥单元的端点y作为变换器的两个输出端点，连接负载。该结构的tchc多电平变换器工作时，在正半工频周期，始终使s6导通、s5关断，则变换器输出电压v
xy
＝v
xn1
+v
p2y
；在负半工频周期，始终使s5导通、s6关断，则变换器输出电压v
xy
＝v
xp1
+v
n2y
。在正半工频周期，通过改变v
xn1
、v
p2y
的值可实现多电平输出；而在负半工频周期，通过改变v
xp1
、v
n2y
的值可实现多电平输出。
5.对于tchc多电平变换器，传统的调制方法是对半桥单元采用阶梯波调制，半桥单元的导通角θ根据变换器输出的正弦电压与水平电压e的交点来确定，在调制比m满足0《m《0.5时，导通角θ＝π/2；在调制比m满足0.5≤m≤1时，导通角采用该传统调制方法，能够确保变换器输出电压为正弦波，达到变换器输出性能要求。但是，由于t型单元与半桥单元工作状态存在差异，采用传统的调制方法，在调制比大于0.5时，t型单元与半桥单元的两个直流电源输出功率不一致。若长时间运行，因两个直流电源功率失衡，会降低直流电源使用寿命，也会影响变换器输出电能质量，影响了变换器的长期稳定运行。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法及装置，在不影响变换器输出性能的前提下实现变换器中两个直流电源输出功率的均衡，提高变换器的长期稳定运行性能。
7.为实现上述发明目的，本发明提供的调制方法采用下述技术方案予以实现：
8.一种t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法，所述多电平变换器包括串联连接的一个t型单元和一个半桥单元，所述调制方法包括：
9.在调制比m满足0.556≤m≤1时，根据所述调制比m确定所述半桥单元的导通角θ：
10.根据所述导通角θ确定所述半桥单元的调制波v
h,ref
(t)和所述t型单元的调制波v
t，ref
(t)：
[0011][0012][0013]
根据所述调制波v
h,ref
(t)对所述半桥单元执行阶梯波调制，根据所述调制波v
t，ref
(t)对所述t型单元进行高频pwm调制。
[0014]
本技术的一些实施例中，所述调制方法还包括：
[0015]
在所述调制比m满足0《m《0.5时，确定所述导通角θ为：θ＝π/2；
[0016]
在所述调制比m满足0.5≤m《0.556时，确定所述导通角θ为：
[0017]
为实现前述发明目的，本发明提供的调制装置采用下述技术方案予以实现：
[0018]
一种t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制装置，所述多电平变换器包括串联连接的一个t型单元和一个半桥单元，所述调制装置包括：
[0019]
导通角确定单元，用于确定所述半桥单元的导通角，且在调制比m满足0.556≤m≤1时，根据所述调制比m确定所述半桥单元的导通角θ：
[0020]
半桥单元的调制波确定单元，用于根据下述公式确定所述半桥单元的调制波v
h,ref
(t)：
[0021]
t型单元的调制波确定单元，用于根据下述公式确定所述t型单元的调制波v
t，ref
(t)：
[0022]
调制单元，用于根据所述调制波v
h,ref
(t)对所述半桥单元执行阶梯波调制，还用于根据所述调制波v
t，ref
(t)对所述t型单元进行高频pwm调制。
[0023]
本技术的一些实施例中，所述导通角确定单元还用于在所述调制比m满足0《m《0.5时，确定所述导通角θ为：θ＝π/2；还用于在所述调制比m满足0.5≤m《0.556时，确定所述导通角θ为：
[0024]
本发明的再一目的在于提供一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上的计算机程序，所述处理器配置为执行所述计算机程序，实现上述的t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法。
[0025]
本发明的又一目的在于一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法。
[0026]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
[0027]
本发明提供的针对t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法及装置，在调制比在特定数值范围内时，根据特定的关系式及调制比调整确定半桥单元的导通角，再基于导通角确定半桥单元的调制波及t型单元的调制波，并根据调制波对半桥单元执行阶梯波调制和对t型单元进行高频pwm调制，使得半桥单元的输出电压基波幅值与t型单元的输出电压基波幅值相等，两个单元的输出功率相等，在忽略器件功率损耗时，两个单元的直流侧电源输出功率相等，实现了调制比在特定数值范围内时两电源输出功率的均衡调制；同时，不会影响变换器整体输出电能质量，达到了在不影响变换器输出性能的前提下实现变换器中两个直流电源输出功率的均衡，提高了变换器的长期稳定运行性能。
[0028]
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
[0030]
图1为现有技术中t型单元与半桥单元组合多电平变换器的一个拓扑结构示意图；
[0031]
图2为t型单元与半桥单元组合多电平变换器半桥单元期望输出电压波形图及t型单元期望输出电压波形图；
[0032]
图3为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的输出电压基波幅值与调制比的变化曲线图；
[0033]
图4为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的变换器输出电压与采用现有技术的调制方法获得的变换器输出电压的波形比较图；
[0034]
图5为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的半桥单元输出电压与采用现有技术的调制方法获得的半桥单元输出电压的波形比较图；
[0035]
图6为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的t型单元输出电压与采用现有技术的调制方法获得的t型单元输出电压的波形比较图；
[0036]
图7为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的变换器输出电压频谱图与采用现有技术的调制方法获得的变换器输出电压频谱图的比较图；
[0037]
图8为本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制装置一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
[0039]
现有技术中，对于t型单元与半桥单元组合多电平变换器，传统调制方法仅关注变换器的输出性能，未考虑两个单元的直流电源输出功率均衡问题，长时间运行后，会降低直流电源使用寿命，也会影响变换器输出电能质量，影响变换器的长期稳定运行。本发明对这种拓扑结构的变换器进行了充分的研究与分析，创造性地提出了一种新型的变换器调制方法及装置，在调制比属于特定数值范围内时，适当调整半桥单元的导通角，可实现当调制比为特定值时的两个直流电源输出功率的均衡，且不影响变换器整体输出电能质量，提高了变换器的长期稳定运行性能。
[0040]
首先，对本发明提出的变换器的调制方法的理论分析与推导过程作简要阐述。
[0041]
对于图1所示的t型单元与半桥单元组合多电平变换器，t型单元与半桥单元为串联关系，因此，变换器输出电压可看作是t型单元和半桥单元输出电压的叠加，即：
[0042]vxy
＝v
t
+vhꢀꢀꢀ
(1-1)。
[0043]
式中，v
xy
为变换器输出电压，v
t
为t型单元输出电压，vh为半桥单元输出电压。
[0044]
假设变换器的期望输出电压为：
[0045]vxy
＝m
×
2e sinωt
ꢀꢀꢀ
(1-2)。
[0046]
式中，m为调制比，ω为角频率，e为每个单元的电源电压。
[0047]
假设变换器的输出电流表达式为：
[0048]io
＝iosin(ωt-α)
ꢀꢀꢀ
(1-3)。
[0049]
式中，io为相电流幅值，α为功率因数角。
[0050]
由于t型单元和半桥单元为串联关系，所以流过两单元的电流等于输出电流io。忽略器件功率损耗，各电源输出功率等于其所在单元的平均功率。t型单元和半桥单元的平均功率p
t
、ph可表示为：
[0051][0052]
式中，ts为工频周期。
[0053]
各单元的输出电压包含基频分量和高次谐波分量，根据数学知识可知，高次谐波电压分量与基频电流分量在一个工频周期ts内的积分等于零。因此，式(1-4)可进一步化简为：
[0054][0055]
式中，v
t(1)
和v
h(1)
分别为t型单元和半桥单元的电压基波幅值。
[0056]
根据式(1-5)可得，t型单元和半桥单元的输出功率之比为：
[0057][0058]
由式(1-6)可看出：两电源输出功率之比等同于两单元的输出电压基波幅值之比。
[0059]
图2所示为t型单元与半桥单元组合多电平变换器半桥单元期望输出电压波形图及t型单元期望输出电压波形图。其中，图2(a)为半桥单元期望输出电压波形图，图2(b)为t型单元期望输出电压波形图。
[0060]
如图2(a)所示，半桥单元期望输出电压vh为三电平阶梯波，θ为半桥单元的导通角，0≤θ≤π/2，vh的傅里叶一般表达式为：
[0061][0062]
式中，a0、an、bn均为傅里叶系数。
[0063]
由于vh为奇函数，所以a0＝0、an＝0，而bn可表示为：
[0064][0065]
联立式(1-7)和(1-8)可得：
[0066][0067]
根据式(1-9)可求得半桥单元输出电压基波幅值为：
[0068][0069]
理论上可知，若半桥单元的电压基波幅值v
h(1)
始终为变换器输出电压基波幅值的v
xy(1)
的1/2，则可实现两电源的输出功率均衡。
[0070]
根据式(1-10)可知，v
h(1)
与半桥单元的导通角θ有关。若改变值θ，即可调节v
h(1)
的大小。在此约束条件下，可得：
[0071][0072]
进一步简化，可得导通角θ与调制比m的关系为：
[0073][0074]
在正半周期内，v
t
瞬时表达式为如下：
[0075]
[0076]
由于t型单元和半桥单元是同极性串联，即：在正半周期，两单元瞬时输出电压均为非负，在负半周期，输出电压均为非正。所以，在正半周期需满足v
t
≥0恒成立，等价于在θ《ωt《π-θ范围内需满足下式恒成立：
[0077]vt
＝(2em sinωt-e)≥0
ꢀꢀꢀ
(1-14)。
[0078]
根据三角函数知识可知，在θ《ωt《π-θ范围内，当ωt＝θ时v
t
取得最小值。所以，式(1-14)可进一步等效为下式恒成立：
[0079]
2m sinθ-1≥0
ꢀꢀꢀ
(1-15)。将式(1-12)代入式(1-15)并化简得：
[0080]
π2m
4-16m2+4≤0
ꢀꢀꢀ
(1-16)。
[0081]
求得m的取值范围为：
[0082]
0.556≤m≤1.15
ꢀꢀꢀ
(1-17)。
[0083]
为了避免过调制，m需满足：
[0084]
0.556≤m≤1.0
ꢀꢀꢀ
(1-18)。
[0085]
上式表明，当调制比m在[0.556,1.0]范围内，通过适当调整半桥单元的导通角，可实现两电源输出功率的均衡。
[0086]
基于上述分析与推导，本发明的实施例提出了一种t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法，多电平变换器包括串联连接的一个t型单元和一个半桥单元，调制方法包括：
[0087]
在调制比m满足0.556≤m≤1时，根据调制比m确定半桥单元的导通角θ：
[0088]
然后，根据导通角θ确定半桥单元的调制波v
h,ref
(t)和t型单元的调制波v
t，ref
(t)：
[0089][0090][0091]
最后，根据调制波v
h,ref
(t)对半桥单元执行阶梯波调制，根据调制波v
t，ref
(t)对t型单元进行高频pwm调制。
[0092]
为了保证变换器的输出性能，在调制比m满足0《m《0.5时，确定导通角θ为：θ＝π/2；而在调制比m满足0.5≤m《0.556时，确定导通角θ为：然后，再根据确定的导通角和上述的调制波计算公式确定出两个单元的调制波。
[0093]
图3示出了采用上述的调制方法获得的半桥单元输出电压基波幅值v
h(1)
、t型单元输出电压基波幅值v
t(1)
、变换器输出电压基波幅值v
xy(1)
与调制比的变化曲线图。从图3可看出，在调制比m满足0《m《0.5时，v
h(1)
恒等于零；在调制比满足0.556≤m≤1时，两电源的输出电压基波幅值v
h(1)
、v
t(1)
基本相等。
[0094]
采用matlab/simulink软件搭建图1所示结构的9l-tchc变换器仿真模型，根据仿
真模型进行仿真，具体的仿真电路参数如表1-1所示。
[0095]
表1-1仿真电路参数
[0096][0097]
采用前述的调制方法对所建立的模型进行调制仿真，在调制比m＝0.9时，获得调制波形图，并与现有技术的调制方法进行波形比较，获得图4、图5、图6及图7所示的波形比较图。
[0098]
图4所示为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的变换器输出电压(功率均衡后)与采用现有技术的调制方法获得的变换器输出电压(功率均衡前)的波形比较图。从图4可看出，采用功率均衡调制前后，变换器输出电压均为九电平阶梯波，且功率均衡前的变换器输出电压基波幅值为539v，功率均衡后的变换器输出电压基波幅值为533v，功率均衡前后电压基波幅值基本相当，从而说明采用功率均衡调制方法不影响变换器的输出。
[0099]
图5所示为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的半桥单元输出电压(功率均衡后)与采用现有技术的调制方法获得的半桥单元输出电压(功率均衡前)的波形比较图。图6所示为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的t型单元输出电压(功率均衡后)与采用现有技术的调制方法获得的t型单元输出电压(功率均衡前)的波形比较图。
[0100]
从图5可看出，功率均衡前半桥单元的输出电压基波幅值为317v，功率均衡后半桥单元的输出电压基波幅值为267v。从图6可看出，功率均衡前t型单元的输出电压基波幅值为221v，功率均衡后t型单元的输出电压基波幅值为265v。由此可得，功率均衡前，两个单元的输出电压基波幅值相差(317-221)＝96v。而功率均衡后，两个单元的输出电压基波幅值相差(267-265)＝2v。该结果说明，采用功率均衡调制方法实现了两个单元的输出电压基波幅值均衡，也意味着两电源输出功率的均衡。
[0101]
图7(a)和图7(b)所示分别为采用本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法获得的变换器输出电压频谱图与采用现有技术的调制方法获得的变换器输出电压频谱图的比较图。从图7可看出，采用功率均衡调制方法调制后，变换器输出电压频谱图中除了有一些低次谐波外，其余谐波分布情况与功率均衡调制前基本一致；而且功率均衡调制前后，两者的thd值(谐波含量值)相差不大。从而，进一步说明采用功率均衡调制方法实现两直流电源的输出功率均衡且不影响变换器输出电能质量。
[0102]
图8所示为本发明t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制装置一个实施例的结构示意图。
[0103]
如图8所示意，该实施例的调制装置包括的结构单元、结构单元的功能及相互之间的关系，具体如下：
[0104]
调制装置包括：
[0105]
导通角确定单元81，用于确定半桥单元的导通角，且在调制比m满足0.556≤m≤1时，根据调制比m确定半桥单元的导通角θ：
[0106]
半桥单元的调制波确定单元82，用于根据下述公式确定半桥单元的调制波v
h,ref
(t)：
[0107]
t型单元的调制波确定单元83，用于根据下述公式确定t型单元的调制波v
t，ref
(t)：
[0108]
调制单元84，用于根据调制波v
h,ref
(t)对半桥单元执行阶梯波调制，还用于根据调制波v
t，ref
(t)对t型单元进行高频pwm调制。
[0109]
在其他一些实施例中，为了保证变换器的输出性能，导通角确定单元还用于在调制比m满足0《m《0.5时，确定导通角θ为：θ＝π/2；还用于在调制比m满足0.5≤m《0.556时，确定导通角θ为：半桥单元的调制波确定单元和t型单元的调制波确定单元根据确定后的导通角确定相应的调制波。
[0110]
采用上述的针对t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法及装置，在调制比在特定数值范围内时，根据特定的关系式及调制比调整确定半桥单元的导通角，再基于导通角确定半桥单元的调制波及t型单元的调制波，并根据调制波对半桥单元执行阶梯波调制和对t型单元进行高频pwm调制，使得半桥单元的输出电压基波幅值与t型单元的输出电压基波幅值相等，两个单元的输出功率相等，在忽略器件功率损耗时，两个单元的直流侧电源输出功率相等，实现了调制比在特定数值范围内时两电源输出功率的均衡调制，延长了电源使用寿命；同时，不会影响变换器整体输出电能质量，达到了在不影响变换器输出性能的前提下实现变换器中两个直流电压输出功率的均衡，提高了变换器的长期稳定运行性能。
[0111]
本发明的一些实施例还提供一种电子设备。该电子设备包括处理器、存储器及存储在存储器上的计算机程序，处理器配置为执行计算机程序，实现上述实施例的t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法，并实现相应实施例的技术效果。
[0112]
本发明的其他实施例还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例的t型单元与半桥单元组合多电平变换器的调制方法，并实现相应实施例的技术效果。
[0113]
上述的计算机存储介质，可以是由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(sram)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。计算机存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用存
储介质。
[0114]
在一些实施例中，计算机存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于专用集成电路(application specific integrated circuits，简称：asic)中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于设备中。
[0115]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。