CN107681913A

CN107681913A - 一种anpc型三电平逆变器调制方法

Info

Publication number: CN107681913A
Application number: CN201710912010.6A
Authority: CN
Inventors: 周洪伟; 张磊; 邓洋; 张辉; 支娜; 李宁; 王帆
Original assignee: TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd
Current assignee: TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd; TBEA Xian Electric Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-02-09

Abstract

本发明公开了一种ANPC型三电平逆变器调制方法，属于电力电子技术领域；包括以下步骤：1.在调制电压U_o正半周，输出电压由+U_dc/2到0变化时，共经过t₁、t₂两个开关状态变化时刻；t₁时刻关断T₂管，t₂时刻开通T₃管；输出电压由0到+U_dc/2变化时，共经过t₃、t₄两个开关状态变化时刻，t₃时刻关断T₃管，t₄时刻开通T₂管；在调制电压U_o负半周，调制方法与此对应；2.调制电压U_o由正半周到负半周过渡时，共经过t₅、t₆、t₇、t₈四个开关状态变化时刻；取调制电压U_o由正半周到负半周的过零点为t₅时刻，关断T₁管；t₆时刻，开通T₂、T₅管；t₇时刻，关断T₃、T₆管；t₈时刻，开通T₄管；调制电压U_o由负半周到正半周过渡时，调制方法与此对应；本发明提供的方法能够克服换流时母线电容短路问题，且避免在调制波U_o过零点附近出现长换流回路，具有一定的工程实用价值。

Description

一种ANPC型三电平逆变器调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种ANPC型三电平逆变器调制方法。

背景技术

ANPC(Active Neutral-point-clamped，有源中点箝位)型三电平逆变器是一种重要的电力电子电路，其主电路拓扑如图1所示。该拓扑包含2个直流母线电容C₁、C₂，6个开关管T₁～T₆，6个二极管D₁～D₆。其中，C₁、C₂分别接于DC+～0，0～DC-之间；D₁～D₆分别反并联于T₁～T₆；T₅、T₆、D₅、D₆为箝位管。定义ANPC型三电平逆变器输出电压为+U_dc/2时，其工作于P状态，此时电流路径为T₁、T₂或D₂、D₁；输出电压为0，且电流路径为T₆、D₃或T₃、D₆时，其工作于O^-状态；输出电压为0，且电流路径为T₅、D₂或T₂、D₅时，其工作于O⁺状态；输出电压为-U_dc/2时，其工作于N状态，此时电流路径为T₃、T₄或D₄、D₃；传统的ANPC型三电平逆变器具有两种调制方法：

1.T₁、T₅互补，T₄、T₆互补，且均工作在高频模式，T₂、T₃互补且工作在工频模式。当调制波U_o≥0，T₁、T₅互补导通，T₂保持导通，T₃、T₄、T₆保持关断；当调制波U_o<0时，T₄、T₆互补导通，T₃保持导通，T₁、T₂、T₅保持关断；

2.T₁、T₅互补，T₄、T₆互补，且均工作在工频模式，T₂、T₃互补且工作在高频模式。当调制波U_o≥0时，T₂、T₃互补导通，T₁、T₆保持导通，T₄、T₅保持关断；当调制波U_o<0时，T₂、T₃互补导通，T₄、T₅保持导通，T₁、T₆保持关断；

ANPC型三电平逆变器的调制策略普遍采用上述两种方法作为主要调制方法，但是在实际应用中，由于开关器件耐压限制以及换流时母线电容短路问题，需考虑各开关管导通与关断的时序，逆变器调制策略受到各开关管导通与关断时序影响。此外，换流时还应考虑换流路径：在调制波U_o过零点附近出现长换流回路不仅有可能改变逆变器工作状态的占空比，导致逆变器输出波形谐波增大，并且增加了开关器件所需承受的尖峰电压，若该尖峰电压超过开关器件耐压值，会使开关管损坏。因此，克服换流时母线电容短路问题，且避免在调制波U_o过零点附近出现长换流回路是确保ANPC型逆变器可靠工作的重要因素。

目前，国内外学者提出了诸多ANPC型三电平逆变器换流方式，如现有工程中使用的针对上述第1种调制策略的改进策略，但是，仍未有学者针对上述第2种调制策略提出较完善的换流方式。

发明内容

本发明针对上述第2种调制方式，主要目的是克服换流时母线电容短路问题，且避免在调制波U_o过零点附近出现长换流回路，提供一种ANPC型三电平逆变器调制方法，该方法具有易于实现、可靠性高的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种ANPC型三电平逆变器调制方法，包括如下步骤：

步骤1、在调制电压U_o正半周，输出电压由+U_dc/2到0变化时，共经过t₁、t₂两个开关状态变化时刻，t₁时刻为输出电压由+U_dc/2到0的变化时刻，此时关断T₂管，待T₂管完全关断后取该时刻为t₂时刻，开通T₃管；输出电压由0到+U_dc/2变化时，共经过t₃、t₄两个开关状态变化时刻，t₃时刻为输出电压由0到+U_dc/2的变化时刻，此时关断T₃管，待T₃管完全关断后取该时刻为t₄时刻，开通T₂管；

步骤2、调制电压U_o由正半周到负半周过渡过程即为换流过程，换流过程共经过t₅、t₆、t₇、t₈四个开关状态变化时刻；在调制电压U_o由正半周到负半周的过零点，取该过零点为t₅时刻，关断T₁管；待T₁管完全关断后取该时刻为t₆时刻，开通T₂、T₅管；待T₂、T₅管完全开通后取该时刻为t₇时刻，关断T₃、T₆管；待T₃、T₆管完全关断后取该时刻为t₈时刻，开通T₄管；

步骤3、在调制电压U_o负半周，输出电压由0到-U_dc/2变化时，共经过t₉、t₁₀两个开关状态变化时刻，t₉时刻为输出电压由0到-U_dc/2的变化时刻，此时关断T₂管，待T₂管完全关断后取该时刻为t₁₀时刻，开通T₃管；输出电压由-U_dc/2到0变化时，共经过t₁₁、t₁₂两个开关状态变化时刻。t₁₁时刻为输出电压由-U_dc/2到0的变化时刻，此时关断T₃管，待T₃管完全关断后取该时刻为t₁₂时刻，开通T₂管；

步骤4、调制电压U_o由负半周到正半周过渡过程即为换流过程，换流过程共经过t₁₃、t₁₄、t₁₅、t₁₆四个开关状态变化时刻。在调制电压U_o由负半周到正半周的过零点，取该过零点为t₁₃时刻，关断T₄管；待T₄管完全关断后取该时刻为t₁₄时刻，开通T₃、T₆管；待T₃、T₆管完全开通后取该时刻为t₁₅时刻，关断T₂、T₅管；待T₂、T₅管完全关断后取该时刻为t₁₆时刻，开通T₁管。

t₁～t₂、t₃～t₄为死区时间，时间间隔选取应保证T₂或T₃完全关断；t₅～t₆、t₇～t₈为死区时间，时间间隔选取应保证T₁或T₃和T₆完全关断；t₆～t₇为死区时间，时间间隔选取应保证T₂和T₅完全开通；t₉～t₁₀、t₁₁～t₁₂为死区时间，时间间隔选取应保证T₃或T₂完全关断；t₁₃～t₁₄、t₁₅～t₁₇为死区时间，时间间隔选取应保证T₄或T₂和T₅完全关断，t₁₄～t₁₅为死区时间，时间间隔选取应保证T₃和T₆完全开通。

所述的ANPC型三电平逆变器调制方法，适用于ANPC型三电平逆变器容性负载及感性负载。

本发明的有益效果是：1)换流时可避免上下桥臂直通，不会造成母线电容短路；2)可避免在调制波U_o过零点附近出现长换流回路，且不会改变逆变器各工作状态的占空比。

附图说明

图1是ANPC型三电平逆变器主电路拓扑图。

图2是本发明方法的调制策略原理图：调制波及载波波形图、各开关管的时序图以及对应的输出电压、电流波形图。

图3是调制电压U_o正半周，输出电压由+U_dc/2到0变化的换流路径图，其中，图3(a)为ANPC型三电平逆变器工作于P状态时的电流路径图，图3(b)为在P状态时开通T₃后的电流路径图，图3(c)为在P状态时关断T₂后的电流路径图。

图4是调制电压U_o正半周，输出电压由0到+U_dc/2变化的换流路径图，其中，图4(a)为ANPC型三电平逆变器工作于O^-状态时的电流路径图，图4(b)为在O^-状态时开通T₂后的电流路径图，图4(c)为在O^-状态时关断T₃后的电流路径图。

图5是调制电压U_o由正半周到负半周过渡时，采用本发明提供的ANPC型三电平逆变器调制策略且逆变器负载呈感性，逆变器工作状态由O^-变化到O⁺的换流路径图，其中，图5(a)为ANPC型三电平逆变器工作于O^-状态时的电流路径图，图5(b)为在O^-状态时关断T₁后的电流路径图，图5(c)为在图5(b)的情况下开通T₂、T₅后的电流路径图，图5(d)为在图5(c)的情况下关断T₃、T₆后的电流路径图，图5(e)为在图5(d)的情况下开通T₄后的电流路径图。

图6是调制电压U_o由正半周到负半周过渡时，采用ANPC型三电平逆变器第2种传统调制策略，逆变器工作状态由O^-变化到O⁺的换流路径图其中，图6(a)为ANPC型三电平逆变器工作于O^-状态时的电流路径图，图6(b)为在O^-状态时关断T₁、T₃、T₆后的电流路径图，图6(c)为在图6(b)的情况下开通T₂、T₄、T₅后的电流路径图。

图7是调制电压U_o由正半周到负半周过渡时，采用本发明提供的ANPC型三电平逆变器调制策略且逆变器负载呈容性，逆变器工作状态由O^-变化到O⁺的换流路径图，其中，图7(a)为ANPC型三电平逆变器工作于O^-状态时的电流路径图，图7(b)为在O^-状态时关断T₁后的电流路径图，图7(c)为在图7(b)的情况下开通T₂、T₅后的电流路径图，图7(d)为在图7(c)的情况下关断T₃、T₆后的电流路径图，图7(e)为在图7(d)的情况下开通T₄后的电流路径图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种ANPC型三电平逆变器调制方法，克服换流时母线电容短路问题，且避免在调制波U_o过零点附近出现长换流回路，参见图2，按照以下步骤实施：

步骤1、在调制电压U_o正半周，输出电压由+U_dc/2到0变化时，共经过t₁、t₂两个开关状态变化时刻，t₁时刻为输出电压由+U_dc/2到0的变化时刻，此时关断T₂管，待T₂管完全关断后取该时刻为t₂时刻，开通T₃管；输出电压由0到+U_dc/2变化时，共经过t₃、t₄两个开关状态变化时刻，t₃时刻为输出电压由0到+U_dc/2的变化时刻，此时关断T₃管，待T₃管完全关断后取该时刻为t₄时刻，开通T₂管；其中，t₁～t₂、t₃～t₄时间间隔选取应保证T₂或T₃完全关断；

步骤2、调制电压U_o由正半周到负半周过渡过程即为换流过程，换流过程共经过t₅、t₆、t₇、t₈四个开关状态变化时刻；在调制电压U_o由正半周到负半周的过零点，取该过零点为t₅时刻，关断T₁管；待T₁管完全关断后取该时刻为t₆时刻，开通T₂、T₅管；待T₂、T₅管完全开通后取该时刻为t₇时刻，关断T₃、T₆管；待T₃、T₆管完全关断后取该时刻为t₈时刻，开通T₄管；其中，t₅～t₆、t₇～t₈时间间隔选取应保证T₁或T₃、T₆完全关断，t₆～t₇时间间隔选取应保证T₂、T₅完全开通；

步骤3、在调制电压U_o负半周，输出电压由0到-U_dc/2变化时，共经过t₉、t₁₀两个开关状态变化时刻，t₉时刻为输出电压由0到-U_dc/2的变化时刻，此时关断T₂管，待T₂管完全关断后取该时刻为t₁₀时刻，开通T₃管；输出电压由-U_dc/2到0变化时，共经过t₁₁、t₁₂两个开关状态变化时刻。t₁₁时刻为输出电压由-U_dc/2到0的变化时刻，此时关断T₃管，待T₃管完全关断后取该时刻为t₁₂时刻，开通T₂管；其中，t₉～t₁₀、t₁₁～t₁₂时间间隔选取应保证T₃或T₂完全关断；

步骤4、调制电压U_o由负半周到正半周过渡过程即为换流过程，换流过程共经过t₁₃、t₁₄、t₁₅、t₁₆四个开关状态变化时刻。在调制电压U_o由负半周到正半周的过零点，取该过零点为t₁₃时刻，关断T₄管；待T₄管完全关断后取该时刻为t₁₄时刻，开通T₃、T₆管；待T₃、T₆管完全开通后取该时刻为t₁₅时刻，关断T₂、T₅管；待T₂、T₅管完全关断后取该时刻为t₁₆时刻，开通T₁管；其中，t₁₃～t₁₄、t₁₅～t₁₇时间间隔选取应保证T₄或T₂、T₅完全关断，t₁₄～t₁₅时间间隔选取应保证T₃、T₆完全开通。

本发明是在上述第2种传统ANPC型三电平逆变器调制方法基础上改进得到，下文以具体实施例详细说明所述技术方案，并说明其工作原理。

实施例：

当ANPC型三电平逆变器负载呈感性，输出电流I_o>0，调制电压U_o由正半周到负半周的调制方法为：

步骤1)在调制电压U_o正半周，输出电压由+U_dc/2到0变化前一刻，逆变器工作在P状态，此时T₁、T₂、T₆管导通，T₃、T₄、T₅管关断，I_o流经T₁、T₂输出，路径如图3(a)所示；

步骤2)在调制电压U_o正半周，输出电压由+U_dc/2到0变化时，逆变器工作状态由P状态变化为O^-状态，此时开关状态应由T₁、T₂、T₆管导通，T₃、T₄、T₅管关断变化为T₁、T₃、T₆管导通，T₂、T₄、T₅管关断。但是，若关断T₂管的同时开通T₃管或首先开通T₃管然后关断T₂管，均会造成电容C₁短路，如图3(b)所示。所以采取的开关器件导通与关断时序为：t₁时刻关断T₂管，t₂时刻开通T₃管，如图3(c)所示。其中，t₁～t₂为死区时间，时间间隔选取应保证T₂管完全关断；

步骤3)在调制电压U_o正半周，输出电压由0到+U_dc/2变化前一刻，逆变器工作在O^-状态，此时T₁、T₃、T₆管导通，T₂、T₄、T₅管关断，I_o流经T₆、D₃输出，路径如图4(a)所示；

步骤4)在调制电压U_o正半周，输出电压由0到+U_dc/2变化时，逆变器工作状态由O^-状态变化为P状态，此时开关状态应由T₁、T₃、T₆管导通，T₂、T₄、T₅管关断变化为T₁、T₂、T₆管导通，T₃、T₄、T₅管关断。但是，若关断T₃管的同时开通T₂管或首先开通T₂管然后关断T₃管，均会造成电容C₁短路，如图4(b)所示。所以采取的开关器件导通与关断时序为：t₃时刻关断T₃管，t₄时刻开通T₂管，如图4(c)所示。其中，t₃～t₄为死区时间，时间间隔选取应保证T₃管完全关断；

步骤5)在调制电压U_o正半周过零点前一刻，逆变器工作在O^-状态，与步骤3)相同，如图5(a)所示；

步骤6)在调制电压U_o由正半周向负半周过渡时，逆变器工作状态由O^-状态变化为O⁺状态，此时开关状态应由T₁、T₃、T₆管导通，T₂、T₄、T₅管关断变化为T₂、T₄、T₅管导通，T₁、T₃、T₆管关断。取调制电压U_o过零点为t₅时刻，关断T₁管。此时，I_o路径不变，流经T₆、D₃输出，逆变器仍工作在O^-状态，如图5(b)所示；t₆时刻，开通T₂、T₅管。此时，I_o分流有两条路径，流经T₆、D₃及D₅、T₂输出，逆变器工作在O^-状态及O⁺状态，如图5(c)所示；t₇时刻，关断T₃、T₆管。此时，I_o路径变化，流经D₅、T₂输出，逆变器工作状态由O^-状态变化为O⁺状态，如图5(d)所示；t₈时刻，开通T₄管。此时，I_o路径不变，流经D₅、T₂输出，逆变器仍工作在O⁺状态，如图5(e)所示。可见，调制电压U_o由正半周到负半周过渡过程共经过t₅、t₆、t₇、t₈四个开关状态变化时刻。其中，t₅～t₆、t₇～t₈为死区时间，时间间隔选取应保证T₁或T₃、T₆完全关断，t₆～t₇为死区时间，时间间隔选取应保证T₂、T₅完全开通。

在调制电压U_o由正半周向负半周过渡时，逆变器工作状态应由O^-状态变化为O⁺状态，若采用ANPC型三电平逆变器第2种传统调制方法，为避免上下桥臂直通导致母线电容短路，在调制电压U_o过零点，即t₅时刻，关断T₁、T₃、T₆管，留有一定死区时间，此时逆变器工作状态应由O^-状态变化为N状态，如图6(b)所示，出现长换流回路。然后开通T₂、T₄、T₅管，方可实现由O^-状态到O⁺状态的转变，如图6(c)所示。可见，该方法虽可克服换流时母线电容短路问题，但是难以避免调制波U_o过零点附近出现长换流回路，且工作状态变化过程中增加了N状态，改变逆变器各工作状态占空比；上述针对第2种传统调制策略的改进调制策略，在调制电压U_o过零点，即t₅时刻，关断T₁管，不改变逆变器工作状态，且避免了随后开通T₂、T₅管时母线电容C₁短路。然后开通T₂、T₅管，使逆变器同时工作在O^-、O⁺状态，避免了之后关断T₃、T₆管时逆变器工作在N状态。之后关断T₃、T₆管，逆变器工作在O⁺状态，此时，已经完成逆变器工作状态由O^-状态到O⁺状态的转变，且避免了在调制波U_o过零点附近出现长换流回路。最后，开通T₄管，O^-状态到O⁺状态转变完成。通过对比可以得出，本实施例提供的ANPC型三电平逆变器调制策略在调制电压U_o由正半周向负半周过渡时，通过在O^-状态未结束前添加O⁺状态，使逆变器工作状态可由O^-状态直接变化为O⁺状态，不会出现N状态。调制电压U_o由负半周向正半周过渡可同理实现。该策略在克服换流时母线电容短路问题的同时，避免了调制波U_o过零点附近出现长换流回路，且未改变逆变器各工作状态占空比。

当ANPC型三电平逆变器负载呈感性时，在调制电压U_o负半周，调制方法与调制电压U_o正半周相对应；在调制电压U_o由负半周向正半周过渡时，调制方法与调制电压U_o由正半周向负半周过渡时相对应。当ANPC型三电平逆变器负载呈容性时，在调制电压U_o正半周或负半周，调制方法与上述负载呈感性时方法相同。下述将详细说明容性负载下，调制电压U_o由正半周到负半周的过渡过程。

当ANPC型三电平逆变器负载呈容性，输出电流I_o<0，调制电压U_o由正半周到负半周过渡过程为：

步骤1)在调制电压U_o正半周过零点前一刻，逆变器工作在O^-状态，此时T₁、T₃、T₆管导通，T₂、T₄、T₅管关断，I_o流经T₃、D₆输出，路径如图7(a)所示；

步骤2)在调制电压U_o由正半周向负半周过渡时，逆变器工作状态由O^-状态变化为O⁺状态，此时开关状态应由T₁、T₃、T₆管导通，T₂、T₄、T₅管关断变化为T₂、T₄、T₅管导通，T₁、T₃、T₆管关断。取调制电压U_o过零点为t₅时刻，关断T₁管。此时，I_o路径不变，流经T₃、D₆，逆变器仍工作在O^-状态，如图7(b)所示；t₆时刻，开通T₂、T₅管。此时，I_o分流有两条路径，流经T₃、D₆及D₂、T₅，逆变器工作在O^-状态及O⁺状态，如图7(c)所示；t₇时刻，关断T₃、T₆管。此时，I_o路径变化，流经D₂、T₅，逆变器工作状态由O^-状态变化为O⁺状态，如图7(d)所示；t₈时刻，开通T₄管。此时，I_o路径不变，流经D₂、T₅输出，逆变器仍工作在O⁺状态，如图7(e)所示。可见，调制电压U_o由正半周到负半周过渡过程共经过t₅、t₆、t₇、t₈四个开关状态变化时刻。其中，t₅～t₆、t₇～t₈为死区时间，时间间隔选取应保证T₁或T₃、T₆完全关断，t₆～t₇为死区时间，时间间隔选取应保证T₂、T₅完全开通。

综上所述，对于ANPC型三电平逆变器第2种传统调制策略，若加入死区时间，虽可克服换流时母线电容短路问题，但是难以避免在调制波U_o过零点附近出现长换流回路，不但会改变逆变器各工作状态的占空比，且增大开关器件所需要承受的电压尖峰。为了解决该问题，本发明提供了一种针对第2种传统调制策略的改进调制策略，通过改变开关器件导通、关断时序，在克服换流时母线电容短路问题的同时，避免了调制波U_o过零点附近出现长换流回路：在调制电压U_o过零点关断T₁管，不改变逆变器工作状态；然后开通T₂、T₅管，使逆变器同时工作在O^-、O⁺状态；之后关断T₃、T₆管，逆变器工作在O⁺状态，此时，已经完成逆变器工作状态由O^-状态到O⁺状态的转变，且避免了在调制波U_o过零点附近出现长换流回路。最后，开通T₄管，O^-状态到O⁺状态转变完成。调制电压U_o由负半周向正半周过渡可同理实现。可见，本发明提供了一种ANPC型三电平逆变器有效、可靠的换流方法，十分具有工程实用价值。

Claims

1.一种ANPC型三电平逆变器调制方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的ANPC型三电平逆变器调制方法，其特点在于：t₁～t₂、t₃～t₄为死区时间，时间间隔选取应保证T₂或T₃完全关断；t₅～t₆、t₇～t₈为死区时间，时间间隔选取应保证T₁或T₃和T₆完全关断；t₆～t₇为死区时间，时间间隔选取应保证T₂和T₅完全开通；t₉～t₁₀、t₁₁～t₁₂为死区时间，时间间隔选取应保证T₃或T₂完全关断；t₁₃～t₁₄、t₁₅～t₁₇为死区时间，时间间隔选取应保证T₄或T₂和T₅完全关断，t₁₄～t₁₅为死区时间，时间间隔选取应保证T₃和T₆完全开通。

3.根据权利要求1所述的ANPC型三电平逆变器调制方法，其特点在于：适用于ANPC型三电平逆变器容性负载及感性负载。