H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào)制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及級聯(lián)多電平逆變器的調(diào)制領(lǐng)域，特指一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān) 次數(shù)最小化調(diào)制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)器件上的電壓應(yīng)力小、模塊化程度高、電平數(shù)多、易于 實現(xiàn)冗余性、易于擴展和控制、輸出電壓諧波特性好、故障容錯能力強等，用低壓電力電子 器件實現(xiàn)高壓大功率電能轉(zhuǎn)換，可應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止同步補償器和有源電力濾波 器、光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電等再生能源裝置以及大功率高燕變頻電機驅(qū)動等高壓大功率 裝置中。
[0003] 調(diào)制技術(shù)是H橋級聯(lián)型多電平逆變器的關(guān)鍵技術(shù)。H橋級聯(lián)型多電平逆變器采用 的調(diào)制方法主要包括階梯波調(diào)制、特定諧波消除PWM、載波相移SPWM以及多電平SVPWM等。 其中載波移相SPWM使目前級聯(lián)多電平逆變器普遍采用的一種調(diào)制技術(shù)。傳統(tǒng)的載波移相 SPWM-般采用倍頻SPWM調(diào)制方法，因而每個功率子模塊需要2個PWM發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信 號，對于H橋級聯(lián)多電平逆變器而言，必然需要占有大量的處理器資源。將單極性SPWM調(diào) 制方式引入到載波移相SPWM中，較傳統(tǒng)的采用倍頻SPWM調(diào)制方法可以減少一半的PWM發(fā) 生器，節(jié)約了大量處理器資源。
[0004] 常規(guī)單極性SPWM調(diào)制方式較雙極性SPWM調(diào)制方式具有開關(guān)損耗小、諧波失真低 等優(yōu)點；較倍頻式SPWM調(diào)制方式可以減少一半的PWM發(fā)生器，節(jié)約了處理器資源。然而，常 規(guī)單極性SPWM對H橋逆變器斬波臂上的功率開關(guān)器件會帶來不必要的開關(guān)次數(shù)，且隨著H 橋級聯(lián)多電平逆變器的級數(shù)增加這種不必要的開關(guān)次數(shù)將會更加明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對常規(guī)單極性SPWM對H橋逆變器斬波臂上的功率器件帶來不 必要開關(guān)次數(shù)的問題，提出了一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào)制的方法，旨 在減少H級聯(lián)多電平逆變器的開關(guān)次數(shù)。
[0006] 本發(fā)明提供了一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào)制的方法，設(shè)定H橋 級聯(lián)型多電平逆變器中，每個子模塊的三角載波信號變化范圍相同，且為-1~1之間變化， 相鄰兩個子模塊的三角載波相角差為360° /N，其中N為級聯(lián)子模塊個數(shù)；所述調(diào)制方法如 下：
[0007] (1)將幅值為-1至1的正弦波調(diào)制信號與零電平進(jìn)行比較后，得到方波信號，該 方波信號依次為H橋級聯(lián)多電平逆變器各個子模塊方向臂功率開關(guān)器件的一路驅(qū)動信號 Vgl;
[0008] (2)對步驟（1)獲得的方波信號邏輯取反，得到H橋級聯(lián)多電平逆變器各個子模塊 方向臂功率開關(guān)器件的另一路驅(qū)動信號Vg2 ;
[0009] (3)將步驟⑴中的正弦波調(diào)制信號與H橋級聯(lián)多電平逆變器各個子模塊對應(yīng)的 三角載波信號比較后得到一路與各個功率子模塊斬波臂功率開關(guān)器件相關(guān)聯(lián)的PWM脈沖 信號Vg3n' ；
[0010] (4)將步驟（3)得到的PWM脈沖信號邏輯取反，得到另一路與各個功率子模塊斬波 臂功率開關(guān)器件相關(guān)聯(lián)的PWM脈沖信號Vg4n'。
[0011] 進(jìn)一步地：H橋級聯(lián)多電平逆變器是由多個H橋單元結(jié)構(gòu)直接級聯(lián)構(gòu)成，所述單個 H橋單元方向臂和斬波臂驅(qū)動信號通過以下步驟獲得：
[0012] (5)采用步驟（1)和步驟（2)得到單個功率模塊方向臂功率器件的驅(qū)動信號Vgnl 和Vgn2 ;
[0013] (6)采用步驟（3)和步驟⑷得到兩路PWM信號Vgn3'和Vgn4'，n為第n個H橋 單元；
[0014] (7)在無源線性負(fù)載下，基波分量U滯后于基波電壓，且相位差公式為：
[0015] 妒=arctand()//?()，《為逆變角頻率，lq為負(fù)載電感，R。為負(fù)載電阻；
[0016] (8)在一個調(diào)制周期內(nèi)，當(dāng)步驟（5)得到的Vgnl信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，負(fù) 載電壓值為零，并通過步驟（7)相位差公式求出此時負(fù)載電流值I，并將此時刻定義為一個 零時刻，得到的電流為初始電流1〇;
[0017] (9)在步驟（8)基礎(chǔ)上，假設(shè)在Vgnl信號為低時對應(yīng)步驟（6)的Vgn3'信號為高， 此時單個功率模塊的工作模式是由負(fù)載、二極管D"2及開關(guān)管Sn3構(gòu)成放電回路1，回路方程 為：
[0018]
[0019] 可得：
[0020] R為負(fù)載電感，L為負(fù)載電阻； ^，
[0021] (10)在步驟（9)基礎(chǔ)上，當(dāng)Vgn3'信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時單個功率模塊的 工作模式是由Dn4、負(fù)載、電源構(gòu)成的放電回路2,回路方程為：
[0022]
，U為電源電壓；
[0023] 可得：
[0024]
[0025] 其中，L為經(jīng)過上一個放電回路后負(fù)載上輸出的電流值；
[0026] 可得：
[0027]
[0028] (11)步驟（9)和步驟（10)中的t,tb分別是放電回路1和放電回路2的放電 時間，采用不對稱規(guī)則采樣法的SPWM脈沖生成方法轉(zhuǎn)換為計算放電時間、和tb，直到通過 放電電路計算出步驟（9)或步驟（10)中負(fù)載輸出的電流值i= 0或i〈0 ;
[0029] (12)步驟⑶計算出的時間（與tb之和就為負(fù)載在一個調(diào)制周期內(nèi)，Vgnl信號 變低后放電到零所用總時間tx，設(shè)一個方波信號為Vgx，其占空比為：
[0030]
[0031] Tx為Vgx的周期；
[0032] (13)將步驟（6)得到的PWM信號Vgn3'與步驟（12)得到的方波信號Vgx進(jìn)行邏 輯與運算，得到單個功率模塊斬波臂上功率器件的一路驅(qū)動信號Vgn3 ;
[0033] (14)將步驟（12)的方波信號Vgx向前移180°，得到Vgx'信號；
[0034] (15)將步驟（6)得到的PWM信號Vgn4'與步驟（14)得到的方波信號Vgx'進(jìn)行邏 輯與運算，得到單個功率模塊斬波臂上功率器件的另一路驅(qū)動信號Vgn4。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的上述方案，采用載波移相SPWM調(diào)制方式可以使各個級 聯(lián)單元承受的有功功率相等；將改進(jìn)單極性SPWM調(diào)制方式引入到載波移相SPWM中較倍頻 式SPWM可以節(jié)省資源，本發(fā)明較常規(guī)單極性SPWM可以在輸出諧波含量不變的條件下減少 開關(guān)次數(shù)。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明單相H橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0037] 圖2為單相H橋逆變器采用一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào)制的方 法得到的PWM驅(qū)動信號；
[0038] 圖3為單相H橋逆變器采用一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào)制的方 法輸出的電壓波形；
[0039] 圖4為單相五電平逆變器采用一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào)制的 方法各個子模塊PWM驅(qū)動信號；
[0040] 圖5為單相五電平逆變器采用一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào)制的 方法輸出電壓波形。
【具體實施方式】
[0041] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實 施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。
[0042] 實施例一
[0043] 參考圖2,其示出了本發(fā)明提供的一種H橋級聯(lián)多電平逆變器開關(guān)次數(shù)最小化調(diào) 制的方法應(yīng)用到圖1中Celll得到的功率器件驅(qū)動信號，具體包括以下步驟：
[0044] 1)設(shè)定單相H橋逆變器，三角載波u。幅值變化范圍為-1到1之間；
[0045] 2)設(shè)定調(diào)制波信號為正弦波，調(diào)制波周期fs為50Hz，調(diào)制深度m為0. 8 ;
[0046] 3)將步驟2)中得到的正弦波調(diào)制信號與零電平比較，得到H橋逆變器方向臂上功 率器件SA1驅(qū)動信號Vgl;
[0047] 4)將步驟3)得到的驅(qū)動信號Vgl邏輯取反，得到H橋逆變器方向臂上功率器件 SA2的驅(qū)動信號Vg2 ;
[0048] 5)將步驟1)的三角載波u。與步驟2)的正弦波調(diào)制信號進(jìn)行比較得到脈沖信號 Vg3' ；
[0049] 6)將步驟5)的脈沖信號Vg3邏輯取反得到脈沖信號Vg4' ；
[0050] 7)在無源線性負(fù)載下，基波分量U滯后于基波電壓Ud，且相位差公式為：
[0051]
?為逆變角頻率，U為負(fù)載電感，為負(fù)載電阻；
[0052] 8)在一個調(diào)制周期內(nèi)，當(dāng)步驟3)得到的Vgl信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，負(fù)載 電壓值為零，并通過