具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换装置技术领域，是一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法。

背景技术

近年来双交流输出系统在电动汽车，轨道牵引，新能源发电等领域获得重要应用。双交流输出系统的核心为双输出逆变器。本发明涉及的具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的原调制方法没有考虑到输入电压变化和输出电压变化的情况，为拓宽该具有升压能力的三相三电平双输出逆变器应用场景，本发明提出了一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法，该方法可以使得两个直流电源电压幅值独立调节，且两组交流输出的输出电压幅值、相位、频率均可独立调节，并且使用升压模块控制电容电压，可以实现任意输入输出情况下的电容电压平衡。迄今未见有关具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明的目的是：针对一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器，为克服现有技术存在的不足，提供一种简单易行，灵活性高，调制范围宽，容易控制电容电压平衡，且两个直流电源电压幅值可独立调节，两组输出的输出电压幅值、相位、频率均可独立调节的载波调制方法。

实现本发明目的采用的技术方案是，一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法，包括：2个电容C

电容C

其特征是，还包括以下内容：

(1)所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器每相桥臂上同相上输出端输出电位与下输出端输出电位之间均存在约束关系，且相同，对于所述a相桥臂，上输出端a1输出电位v

开关状态1：开关模块A

开关状态2：开关模块A

开关状态3：开关模块A

开关状态4：开关模块A

开关状态5：开关模块A

开关状态6：开关模块A

所述a相桥臂开关状态、所述b相桥臂开关状态与所述a相桥臂开关状态同理；

(2)所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法为：

使用2条三角载波u

使用上组调制波u

上组调制波u

其中，ω

下组调制波u

其中，ω

将同相的2条调制波分别与2条三角载波比较大小，从而来确定该相桥臂中上、下输出端输出电位，以a相为例，具体比较方法为：①若u

绝缘栅双极晶体管S

(3)对直流升压单元T1、T2的分析得到：

仅当u

一个调制波周期内电感L

一个调制波周期内电感L

此时直流侧电压U

(4)进一步确定调制参数m

具体到一个明确电压输入与输出的应用场景，比如该场景中，两个直流输入电源电压幅值之间的关系为V

能够得到调制参数与输入输出间的等式约束集：

对于调制波，需要满足不等约束集：

将等式约束集带入到不等约束集中，能够得到新的不等约束集：

很显然，在新的不等约束集中，只有D

(5)生成各个绝缘栅双极晶体管驱动信号的逻辑运算：

对于所述a相桥臂6个绝缘栅双极晶体管S

将上调制波u

同理，将下调制波u

信号e

信号e

和/>

信号e

e

其中，符号“&”表示逻辑与运算；

信号e

信号e

和/>

信号e

e

通过对开关状态与输出端输出电位关系的分析可知，绝缘栅双极晶体管S

s

其中，符号“∨”表示逻辑或运算；

同理，绝缘栅双极晶体管S

s

此外，绝缘栅双极晶体管S

和/>

其中，

所述b相桥臂与所述c相桥臂的绝缘栅双极晶体管驱动信号的逻辑运算与所述a相桥臂相同。

本发明的一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法的有益效果是：能够获得该具有升压能力的三相三电平双输出逆变器16个绝缘栅双极晶体管的驱动信号，完成载波调制，使得具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的两个直流电源电压幅值可独立调节，且两个输出的输出电压幅值、相位、频率均可独立调节，能很好地控制中点电压平衡，使谐波畸变率低，效率高。该方法科学合理，适用性强，调制简单易行，灵活性高，调制范围宽，效果佳。

附图说明

图1为本发明的一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器；

图2为a相桥臂工作状态1的原理图；

图3为a相桥臂工作状态2的原理图；

图4为a相桥臂工作状态3的原理图；

图5为a相桥臂工作状态4的原理图；

图6为a相桥臂工作状态5的原理图；

图7为a相桥臂工作状态6的原理图；

图8为a相调制波与载波比较示意图；

图9为电感L

图10为电感L

图11为电感L

图12为电感L

图13为电感L

图14为电感L

图15为电感L

图16为电感L

图17为a相桥臂生成驱动信号的逻辑运算图；

图18为上组输出逆变级1输出线电压v

图19为上组输出逆变级1输出线电压v

图20为上组输出逆变级1输出三相电流波形图；

图21为下组输出逆变级2输出线电v

图22为下组输出逆变级2输出线电压v

图23为下组输出逆变级2输出三相电流波形图。

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的详细说明。

如图1所示，本发明的一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法，所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器包括：2个电容C

电容C

为避免产生不可用的开关状态，所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器每相桥臂上同相上输出端输出电位与下输出端输出电位之间均存在约束关系，且相同，对于所述a相桥臂，上输出端a1输出电位v

开关状态1：开关模块A

开关状态2：开关模块A

开关状态3：开关模块A

开关状态4：开关模块A

开关状态5：开关模块A

开关状态6：开关模块A

所述a相桥臂开关状态、所述b相桥臂开关状态与所述a相桥臂开关状态同理；

除此之外，上述6种开关状态的三相组合，还会对直流升压模块产生影响，所以上述6种状态只说明除直流升压模块之外的状态，对于直流升压模块的运作机理，在后面进行说明。

所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的载波调制方法，使用2条三角载波u

使用上组调制波u

上组调制波u

其中，ω

下组调制波u

其中，ω

a相的两条同频异相调制波波形如图8所示，b相和c相的调制波均可由a相调制波平移得到。

将同相的2条调制波分别与2条三角载波比较大小，从而来确定该相桥臂中上、下输出端输出电位，以a相为例，具体比较方法为：①若u

因为该具有升压能力的三相三电平双输出逆变器同相桥臂上下输出端存在输出电位约束关系，所以，对于同相调制波，需要时刻满足下组调制波≤上组调制波的条件，以a相调制波为例，如式(3)。

根据调制过程中各个环节输入输出的体现，可以将该具有升压能力的三相三电平双输出逆变器分为两个环节，分别为直流升压环节和逆变输出环节。

对于直流升压环节：

直流升压单元T1对电容C

其中，x∈{1，2}。

绝缘栅双极晶体管S

电感L

电感L

继而能够得到：

一个调制波周期内电感L

一个调制波周期内电感L

对于逆变输出环节：

定义上组输出逆变级1的输出线电压基波幅值为U

为进一步确定各调制参数间的关系，以及更广的适用范围，现定义两个直流输入电源幅值之间的关系如式(11)，两个输出端线电压幅值之间的关系如式(12)；

V

U

其中，n为所述逆变器两个直流输入电源电压幅值间的比例系数，k为两个输出端线电压基波幅值间的比例系数。

除此之外，对于调制波，还需要满足不等约束，如式(13)；

其中，x∈{A，B，C}。

进一步使用调制参数进行不等约束的描述，可以得到式(14)。

将式(7)～(12)代入到式(14)中，能够得新的不等约束集，如式(15)。

很显然，在式(15)中，只有D

以上说明了具有升压能力的三相三电平双输出逆变器载波调制方法，即通过调制波和载波的比较结果确定上组输出端电压和下组输出端电压的电平，结合以上分析的结论和每相6种合理开关状态，进一步分析生成各个绝缘栅双极晶体管驱动信号的逻辑运算。

对于所述a相桥臂6个绝缘栅双极晶体管S

将上调制波u

同理，将下调制波u

信号e

信号e

信号e

e

其中，符号“&”表示逻辑与运算；

信号e

信号e

信号e

e

通过对开关状态与输出端输出电位关系的分析可知，绝缘栅双极晶体管S

s

其中，符号“∨”表示逻辑或运算；

同理，绝缘栅双极晶体管S

s

此外，绝缘栅双极晶体管S

其中，

b相桥臂与c相桥臂的绝缘栅双极晶体管驱动信号的逻辑运算与a相桥臂同理。

根据以上分析，能够获得生成绝缘栅双极晶体管驱动信号的逻辑电路，如图17所示，图中符号

所述载波调制方法能够获得所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器18个绝缘栅双极晶体管的驱动信号，完成载波调制，使具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的两个直流电源电压幅值可独立调节，两组输出的输出电压幅值、相位、频率均可独立调节。

为了验证本发明的所述载波调制方法的有效性，通过MATLAB/Simulink搭建仿真电路。系统参数设置如下：开关频率10kHz，两个直流电源V

使用本发明的所述载波调制方法，确定上组调制波的调制度m

仿真结果如图18-23所示，图18为上组输出逆变级1输出的线电压v

以上仿真结果说明，本发明的一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器载波调制方法，能使得具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的两个直流电源电压幅值可独立调节，且两组输出的输出电压幅值、相位、频率均可独立调节。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。