双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法

本发明属于电流源逆变器，具体涉及双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法。

背景技术：

1、电流源逆变器(current source inverter,csi)是一种连接新能源和电网的接口装置，具有升压特性和良好的故障耐受能力，在光伏发电、风力发电等可再生能源发电系统中得到了应用。

2、在大功率应用场景中，为降低功率开关的电流应力，提高整体变流器的输出容量及电能质量，电流源逆变器经常采用多电平技术方案。传统三相五电平电流源逆变器的典型拓扑结构如图1所示，通常由2个三相三电平电流源型逆变器并联集成构造。在调制方面，大功率电流源逆变器通常以较低的开关频率运行，以降低开关损耗。然而，这也导致输出电流的谐波大量增加，影响了电能质量。特定谐波消除调制(selected harmonicelimination pulse width modulation,shepwm)技术，也简称为特定消谐调制技术，能够通过计算功率开关的切换时间消除低次谐波，是缓解逆变器在低开关频率下谐波问题的有效方法。

3、双级式五电平电流源逆变器是一种新颖的多电平csi拓扑结构，相较于传统五电平csi，它能够以较少的功率开关器件输出五电平电流，操控简便，具有较好的性价比。但至目前为止，其仍缺少实施shepwm调制方法的深入研究。(双级式五电平电流源逆变器的拓扑结构由文献[1]提出，前级电路加入双t型并联电路，后级电路保留原有的h6换流桥，通过仅有的八个功率开关管实现五电平的输出。)

4、此外，由于电感难以应对电流回路的突然开路，传统电流源逆变器调制技术需要在功率开关的驱动信号之间引入一段叠流时间，以确保电路始终处于闭合状态。然而，叠流时间的引入会导致交流侧输出电流的谐波含量增加，使电能质量发生恶化。因此，若能够采取适当的措施来减少或消除叠流时间带来的影响，将可以有效提升csi输出电流的电能质量。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法。

2、双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，采用双级式五电平电流源逆变器，其拓扑结构包括前级结构和后级结构，前级结构是双t型并联电路，由电压源udc，两个并联的功率开关管s7、s8，两个电气参数相同的电感l1、l2以及二极管d1、d2构成，后级结构是h6换流桥，由六个功率开关管s1～s6，滤波电容ca、cb、cc以及三相负载构成；该方法包括以下步骤：

3、s1、设定待消除的谐波次数和开关角个数；

4、s2、确定最小调制单元内开关切换模式；

5、s3、根据开关切换模式和功率开关管s1～s8的驱动脉冲限制条件，构建功率开关s1～s8的驱动脉冲模型并确定输出电流波形；

6、s4、将调制得到的输出电流波形ia进行傅里叶分解，得到输出电流的n次谐波表达式ia,n，令ia,n＝0，同时控制调制比m的大小，列写非线性方程组，解得不同调制比下的各开关角的大小，实现特定谐波消除调制；

7、s5、利用零电流状态，设定s1～s6的开通和关断时刻，以保证电流始终处于闭合状态。

8、进一步地，所述功率开关管s1～s6选取普通低速功率开关管，包括gto、反向阻断式igct和反向阻断式igbt模块。

9、进一步地，所述功率开关管s7和s8选取具备高速换流能力的全控型器件，包括反向阻断式高速igbt模块、基于碳化硅的反向阻断式mosfet；

10、进一步地，在s2中，最小调制单元为π/6，在t＝0时刻以及s1～s6开关切换的任一时刻均引入零电流状态；

11、开关切换模式有三种：模式一的非零电流状态由大电流状态和小电流状态交替分布构成，模式二在最小调制单元内的小电流状态数目大于大电流状态数目，模式三在最小调制单元内的大电流状态数目大于小电流状态数目；根据调制比的调节范围和输出电流的谐波畸变率选择一种合适的开关切换模式。

12、进一步地，当功率开关s7和s8共同导通时为零电流状态，当功率开关s7和s8均关断时为大电流状态，当功率开关s7和s8一个开通一个关断时为小电流状态。

13、进一步地，在s3中，功率开关管s1～s6的驱动脉冲需满足的条件为：以(0，2π)为一个周期，功率开关管s1在(π/3，2π/3)保持开通，功率开关管s1～s6的驱动脉冲之间依次相差π/3；功率开关管s7和s8的驱动脉冲周期为π/3。

14、进一步地，在s4中，傅里叶分解后输出电流i(ωt)的表达式为：

15、

16、输出电流的n次谐波表达式为：

17、

18、调制比m满足以下公式：

19、

20、其中，ia,1为基波幅值，idc为直流侧电流。

21、进一步地，设定s1～s6的开通和关断时刻的具体规则为：

22、对零电流状态导通时刻关断的功率开关管进行延迟关断，规则为：该功率开关管的关断时刻滞后于零电流状态的导通时刻并超前于零电流状态的关断时刻，滞后时间不得大于零电流状态的导通时间；

23、对在零电流状态关断时刻导通的功率开关管进行提前导通，规则为：该功率开关管的导通时刻滞后于零电流状态的导通时刻并超前于零电流状态的关断时刻，超前时间不得大于零电流状态的导通时间。

24、有益技术效果：

25、本发明采用双级式五电平电流源逆变器，提出了双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，本发明通过设计功率开关的脉冲序列，使后级h6换流桥中的功率开关s1～s6实现了零电流切换，降低了逆变器的开关损耗，同时消除了叠流时间效应，提高了电能质量。

技术特征：

1.双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，采用双级式五电平电流源逆变器，其拓扑结构包括前级结构和后级结构，前级结构是双t型并联电路，由电压源udc，两个并联的功率开关管s7、s8，两个电气参数相同的电感l1、l2以及二极管d1、d2构成，后级结构是h6换流桥，由六个功率开关管s1～s6，滤波电容ca、cb、cc以及三相负载构成；该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，所述功率开关管s1～s6选取普通低速功率开关管，包括gto、反向阻断式igct和反向阻断式igbt模块。

3.根据权利要求1所述的双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，所述功率开关管s7和s8选取具备高速换流能力的全控型器件，包括反向阻断式高速igbt模块、基于碳化硅的反向阻断式mosfet。

4.根据权利要求3所述的双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，在s2中，最小调制单元为π/6，在t＝0时刻以及s1～s6开关切换的任一时刻均引入零电流状态；

5.根据权利要求1所述的双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，当功率开关s7和s8共同导通时为零电流状态，当功率开关s7和s8均关断时为大电流状态，当功率开关s7和s8一个开通一个关断时为小电流状态。

6.根据权利要求2所述的双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，在s3中，功率开关管s1～s6的驱动脉冲需满足的条件为：以(0，2π)为一个周期，功率开关管s1在(π/3，2π/3)保持开通，功率开关管s1～s6的驱动脉冲之间依次相差π/3；功率开关管s7和s8的驱动脉冲周期为π/3。

7.根据权利要求4所述的双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，在s4中，傅里叶分解后输出电流i(ωt)的表达式为：

8.根据权利要求4所述的双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，其特征在于，设定s1～s6的开通和关断时刻的具体规则为：

技术总结
本发明公开了双级五电平电流源逆变器零电流切换的特定消谐调制方法，属于电流源逆变器领域，采用双级式五电平电流源逆变器，其步骤为：设定待消除的谐波次数和开关角个数；确定最小调制单元内开关切换模式；确定输出电流波形并构建功率开关S<subgt;1</subgt;～S<subgt;8</subgt;的驱动脉冲模型；求解得不同调制比下的各开关角的大小，实现特定谐波消除调制；设定S<subgt;1</subgt;～S<subgt;6</subgt;的开通和关断时刻，以保证电流始终处于闭合状态。本发明通过设计功率开关的脉冲序列，使后级H6换流桥中的功率开关S<subgt;1</subgt;～S<subgt;6</subgt;实现了零电流切换，降低了逆变器的开关损耗，同时消除了叠流时间效应，提高了电能质量。

技术研发人员：王伟琦,夏晓婷,东玉涛,房绪鹏,张玉曼,孟祥剑,张玉敏,樊英杰,叶平峰
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15