CN102769403B - 一种基于选择性循环虚拟映射的载波层叠pwm调制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于选择性循环虚拟映射的载波层叠PWM调制方法，涉及用于模块化多电平变换器MMC的选择性循环虚拟映射的载波层叠调制法，本发明方法是在传统载波层叠循环映射平衡控制的基础上，通过建立虚拟子模块，然后根据控制***反馈的桥臂电流方向以及实际子模块电容电压相互间的差异情况，通过选择性改变虚拟子模块与实际子模块驱动信号的循环映射关系，达到子模块电容电压的动态平衡目的。本发明调制方法可用于中高压、大功率场合的MMC的PWM信号调制以及电容电压的动态平衡控制。

Description

一种基于选择性循环虚拟映射的载波层叠PWM调制方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及PWM调制，用于中高压、大功率场合的模块化多电平的调制输出及电容电压的动态平衡控制，为一种选择性循环虚拟映射的载波层叠PWM调制方法。

背景技术

模块化多电平变换器，作为一种典型的建立在半桥子模块基础上的模块化多电平结构，其拓扑中桥臂（三相或单相）主要由子模块单元（SM:Sub-Module）串联构成。每个子模块单元内部都会包含至少一个电容，相当于1个独立的直流源。通过SM单元中开关器件的开通或关断来控制SM输出电平，通过电平的叠加与相减构成***实际输出，达到调制输出的目的。

目前针对这种模块化多电平的调制方法，主要有最近电平逼近法NLM，载波移相法CPSPWM，载波层叠调制法PDPWM，消除特定次谐波调制法SHEPWM，电压空间矢量调制法SVPWM等。

最近电平逼近法使用于模块数较高的场合，但其存在模块的优化排序和频繁选择问题；载波移相调制法是一种相对成熟的调制方法，在实际研究中应用较多，但载波移相往往需要在调制信号中通过叠加平衡控制信号来实现电容电压的动态平衡，这样不仅带来输出信号的失真，且有造成***失稳的可能，其通常采用的控制器设计由图1所示；消除特定次谐波调制法，在计算开关点的时候需要解非线性超越方程，计算复杂，一般通过离线查表法完成控制，动态特性差；空间矢量调制法，其电平数与电压空间矢量数目成三次方关系，随着电平数的增加，矢量选择的复杂度将会大幅提高。本发明是在载波层叠PWM调制方法的基础上，通过采用选择性循环虚拟映射的方法，解决传统载波层叠PWM调制方法无法解决的电容电压的动态均衡；控制方法简单，能够很好地抑制子模块电容电压相互的偏差，且不会存在失控的情况。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有对模块化多电平变换器的调制方法不能很好的控制电容电压的动态平衡，控制方法复杂，需要一种控制方法简单，能够很好地抑制变换器的子模块的电容电压互相的偏差的调制方法。

本发明的技术方案为：一种选择性循环虚拟映射的载波层叠PWM调制方法，用于模块化多电平变换器，模块化多电平变换器的桥臂均由包含开关器件以及电容在内的半桥或全桥子模块串联构成，通过软件编程对调制过程进行控制，包括以下步骤：

1）建立与实际子模块数量相同的虚拟子模块，利用载波层叠PWM调制方法对虚拟子模块进行PWM调制，产生各虚拟子模块相对应的虚拟调制信号；

2）对于***平衡对称的变换器，采用无差别循环映射建立虚拟子模块与实际子模块的循环映射对应关系，通过循环映射在各子模块间实现PWM信号无差别轮换，实现***平衡对称条件下实际子模块的电容电压平衡控制，利用一个值为1～N的循环计数器指针来控制虚拟子模块与实际子模块之间映射次序，N为桥臂中的子模块数量，并将虚拟调制信号按照映射次序传输给实际子模块，实现对实际子模块的驱动输出；

3）当变换器***失去平衡对称，在步骤2）的基础上获取变换器实际子模块的电容电压反馈量，对所述反馈量进行排序，获得其中最大电压以及最小电压相对应的实际子模块编号，然后根据桥臂电流方向，进行选择性循环映射：设实际子模块的编号为1～N，虚拟子模块对应的编号为1’～N’，将编号1’与N’的虚拟子模块的虚拟调制信号分别映射到最大/最小电压相对应的实际子模块中去，除去电容电压最大/最小值相对应的实际子模块，剩下的实际子模块的驱动信号依然按步骤2）所述的无差别循环进行映射，根据所述选择性循环映射控制实际子模块的电容电压动态平衡，虚拟调制信号按照所述选择性映射传输给实际子模块，实现对实际子模块的驱动输出；

4）实际子模块在虚拟调制信号的驱动下完成调制，输出调制后的信号。

与现有常用的几种调制算法相比，本发明的具有以下特点：

1、通过在虚拟子模块与实际子模块之间建立循环映射关系，从而保证了***不改变调制信号的前提下，使模块化多电平变换器具备动态电压调节能力，避免了类似载波移相调制通过在参考信号上叠加平衡控制信号后，因参数选择不当可能引起的***稳定性问题，因而具有很强的鲁棒性；

2、控制方法简单，不需要像载波移相PSPWM一样为了平衡电压要加独立的控制器，只需在原有的DSP或FPGA中设置本发明的调制方法进行控制即可；

3、实现动态平衡控制，只需选择性地改变虚拟子模块与实际子模块之间的对应映射关系，即不存在***参数选择不当而失稳的情况，不会失控。

附图说明

图1模块化多电平变换器载波移相调制平衡控制功能框图。

图2是模块化多电平变换器拓扑结构。

图3为本发明实施例桥臂子模块构成及其编号，（a）为上桥臂，（b）为下桥臂。

图4为本发明调制信号与载波信号比较后产生虚拟子模块的调制信号，（a）为上桥臂虚拟子模块的调制信号，（b）为下桥臂虚拟子模块的调制信号，（c）为对应（a）（b）的电路原理图。

图5为本发明所采用的无差别循环映射关系示意图。

图6为本发明的选择性循环映射关系示意图，（a）为当i>0时的选择性映射关系，（b）为当i<0时的选择性映射关系。

图7为本发明上桥臂电容电压最小与最大值判断方法示意图，（a）为电容电压最小值判断方法的示意图，（b）为电容电压最大值判断方法的示意图。

图8为本发明本发明实施例中，对电容电压最小与最大值判断后的Y数组指针内容。

图9为本发明选择性虚拟循环映射单元示意图。

图10为本发明实施例上下桥臂电容电压仿真波形。

图11为本发明实施例动态平衡性能测试实验波形。

具体实施方式

本发明提出一种基于选择性循环虚拟映射的载波层叠调制方法，在不改***件的条件下，建立与实际子模块数量相同的虚拟子模块，利用载波层叠PWM调制方法对虚拟子模块进行PWM调制，产生各虚拟子模块相对应的虚拟调制信号，通过选择性改变变换器桥臂（三相或单相）中虚拟子模块与实际子模块的信号映射关系，由虚拟调制信号驱动实际子模块进行调制，可以很好地对子模块中电容电压进行平衡控制，且不会存在失控的情况。

图2展示了MMC换流器的电路拓扑结构，每相由一系列子模块(submodule,SM)串联得到，上桥臂和下桥臂各有N个子模块，每个子模块的结构完全相同，上下桥臂的中间点电压作为输出电压，而上下桥臂在出口处均有一个电感，可限制相间环流的作用。每个SM均为单臂半桥电路与电容并联，相当于1个独立的直流源。通过SM单元开关器件开通或关断来控制SM输出电平，稳态运行时SM存在2种电平输出状态：当每个SM单元的IGBT1导通时，SM输出为UC，表示其接入电路，为接入状态；当IGBT2导通时，SM输出为0，为短路状态。因此，每个SM都可以输出UC和0这2种电平。因此，通过调整上下桥臂子模块的接入数目和方式，可以改变输出电压的电平，实现了多电平调制输出。

为阐述原理方便，设桥臂分别由四个模块组成，如图3所示，上桥臂编号分别为#1~#4，虚拟子模块的编号分别为1’~4’，下桥臂编号分别为#5~#8，虚拟子模块的编号分别为5’~8’，上下桥臂的参考信号与载波信号比较后产生将驱动虚拟子模块的PWM信号，示意图如图4，由此会产生如表1的真值表。

表1虚拟子模块调制信号真值表

表中所述的“区域”是表示归一化的参考电压Umu和Umd在区域内时对应的电压范围，这里不用进行分区处理，如图4（a）（b）所示，由参考电压与三角载波自动比较完成。

结合传统载波层叠PWM通过载波轮换的调制方法，对虚拟子模块进行PWM调制，产生各虚拟子模块相对应的虚拟调制信号，并建立虚拟子模块与实际子模块之间映射关系，通过循环映射在各子模块间实现PWM信号无差别轮换，从而实现***平衡条件下的电容电压平衡控制。

本发明在前两点的基础上利用选择性循环映射，解决变换器失去对称的情况下，电容电压的动态平衡问题。经观察，在表1中，有两个虚拟子模块对应的调制信号是特殊的，即1’和4’，其中1’的驱动信号只有在信号区域I时输出PWM，其它三个域的驱动信号均为1，而4’的驱动信号只有在区域IV时为PWM，其它三个区域驱动信号均为0。这样，只需要检测出实际子模块#1~#4的电容电压最大值及最小值所对应的编号，然后在图6中，电流i>0时，即电流对电容处于充电状态时，将虚拟子模块1’的驱动信号选择性地映射到最小值编号对应的实际子模块，实现多充电，而将虚拟子模块4’的驱动信号选择性映射到最大值编号对应的实际子模块，实现少充电。电流i<0时，相应的映射关系发生改变，将虚拟子模块1’的驱动信号选择性映射到最大值编号对应的实际子模块，实现多放电，而将虚拟子模块4’的驱动信号选择性地映射到最小值编号对应的实际子模块，实现少放电。对于除最大/最小电压值的子模块仍按无差别循环进行映射。通过以上选择性循环映射，可以保证子模块电容电压的动态平衡。

下面通过具体说明实施例的调制方法。

具体实施例以上下桥臂各为四个模块为例，自上而下编号分别为#1~#8，如图3。虚拟上桥臂子模块的编号分别为1’~4’，虚拟下桥臂子模块的编号分别为5’~8’，参考电压信号与载波信号比较后产生将驱动虚拟子模块的调制信号，示意图4可见，由此产生如表1的真值表。图4中Umu和Umd分别为上下桥臂的参考电压信号，U₁~U₈分别为各自虚拟子模块的载波信号。

通过传统载波层叠PWM调制方法，对虚拟子模块进行PWM调制，产生各虚拟子模块相对应的虚拟调制信号，并建立虚拟子模块与实际子模块之间映射关系，通过循环映射在各子模块间实现PWM信号无差别轮换，从而实现***平衡条件下的电容电压平衡控制。如图5所示，具体实施方法是通过设立一个循环计数指针C_M，在不同的C_M时，把虚拟子模块的输出映射到相应的实际子模块，本实施例上下桥臂各四个模块，则循环计数指针C_M的计数值为4，图5的（a）～（d）分别显示了C_M=1～4的映射情况。

本发明前述基础上利用选择性循环映射，解决变换器失去对称的情况下，电容电压的动态平衡问题。具体表现见图6所示，仅以上桥臂为例，假设此时子模块1电容电压最大，子模块2电容电压最小。其中电容电压最小值和最大值判断方法如图7所示，Udc1~Udc8为实际子模块电容电压值，将判断的结果传递到一个数组指针Y，其中Y(1)中存放电容电压最小值对应的实际子模块编号，Y(2)中存放电容电压最大值对应的实际子模块编号，将最大和最小值判断后剩下的实际子模块的编号直接按顺序传递到Y数组指针，由此得到的数组指针可见图8所示。

建立选择性虚拟循环映射单元，如图9，这样，当上桥臂的电流I>0时，将虚拟子模块1’映射到Y(1)指向的实际子模块，而将虚拟子模块4’映射到Y(2)指向的实际子模块，具体如下：

N[Y(1)]=N[3]=1

N[Y(2)]=N[2]=4

当上桥臂I<0时，将虚拟子模块1’映射到Y(2)指向的实际子模块，而将虚拟子模块4’映射到Y(1)指向的实际子模块：

N[Y(1)]=N[3]=4

N[Y(2)]=N[2]=1

剩余的子模块依然按无差别轮换循环的方法进行循环映射，如C_M=1时,

N[Y(3)]=N[1]=2

N[Y(4)]=N[4]=3

当C_M=2时

N[Y(3)]=N[1]=3

N[Y(4)]=N[4]=2

仿真的电压动态平衡控制效果如图10，其中（a）（b）分别表示发生不平衡时的上下桥臂电容电压的波形，（c）（d）表示选择性循环虚拟映射功能投入后的上下桥臂电容电压波形。实验的电压动态平衡控制效果如图11，比较选择性循环虚拟映射功能投入前后的波形，可以看出，投入后的电压电流波形得到了极大的改善。

Claims (1)

1.一种选择性循环虚拟映射的载波层叠PWM调制方法，用于模块化多电平变换器，模块化多电平变换器以及级联H桥多电平变换器的桥臂均由包含开关器件以及电容在内的半桥串联构成，其特征是通过软件编程对调制过程进行控制，包括以下步骤：

1）建立与实际子模块数量相同的虚拟子模块，利用载波层叠PWM调制方法对虚拟子模块进行PWM调制，产生各虚拟子模块相对应的虚拟调制信号；

2）对于***平衡对称的变换器，采用无差别循环映射建立虚拟子模块与实际子模块的循环映射对应关系，通过循环映射在各子模块间实现PWM信号无差别轮换，实现***平衡对称条件下实际子模块的电容电压平衡控制，利用一个值为1～N的循环计数器指针来控制虚拟子模块与实际子模块之间映射次序，N为桥臂中的子模块数量，并将虚拟调制信号按照映射次序传输给实际子模块，实现对实际子模块的驱动输出；

3）当变换器***失去平衡对称，在步骤2）的基础上获取变换器实际子模块的电容电压反馈量，对所述反馈量进行排序，获得其中最大电压以及最小电压相对应的实际子模块编号，然后根据桥臂电流方向，进行选择性循环映射：设实际子模块的编号为1～N，虚拟子模块对应的编号为1’～N’，将编号1’与N’的虚拟子模块的虚拟调制信号分别映射到最大/最小电压相对应的实际子模块中去：

电流i>0时，即电流对电容处于充电状态时，将虚拟子模块1’的驱动信号选择性地映射到电压最小值编号对应的实际子模块，实现多充电，而将虚拟子模块N’的驱动信号选择性映射到电压最大值编号对应的实际子模块，实现少充电；电流i<0时，相应的映射关系发生改变，将虚拟子模块1’的驱动信号选择性映射到电压最大值编号对应的实际子模块，实现多放电，而将虚拟子模块N’的驱动信号选择性地映射到电压最小值编号对应的实际子模块，实现少放电；

除去电压最大/最小值相对应的实际子模块，剩下的实际子模块的驱动信号依然按步骤2）所述的无差别循环映射建立虚拟子模块与实际子模块的循环映射对应关系，根据所述选择性循环映射控制实际子模块的电容电压动态平衡，虚拟调制信号按照所述选择性循环映射传输给实际子模块，实现对实际子模块的驱动输出；

4）实际子模块在虚拟调制信号的驱动下完成调制，输出调制后的信号。

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