專利名稱：一種基于選擇性循環(huán)虛擬映射的載波層疊pwm調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及PWM調(diào)制，用于中高壓、大功率場合的模塊化多電平的調(diào)制輸出及電容電壓的動態(tài)平衡控制，為ー種選擇性循環(huán)虛擬映射的載波層疊PWM調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
模塊化多電平變換器，作為ー種典型的建立在半橋子模塊基礎(chǔ)上的模塊化多電平結(jié)構(gòu)，其拓?fù)渲袠虮?三相或単相)主要由子模塊單元(SM=Sub-Module)串聯(lián)構(gòu)成。每個子模塊單元內(nèi)部都會包含至少ー個電容，相當(dāng)于I個獨立的直流源。通過SM単元中開關(guān)器件的開通或關(guān)斷來控制SM輸出電平，通過電平的疊加與相減構(gòu)成系統(tǒng)實際輸出，達(dá)到調(diào)制輸出的目的。目前針對這種模塊化多電平的調(diào)制方法，主要有最近電平逼近法NLM，載波移相 法CPSPWM，載波層疊調(diào)制法roPWM，消除特定次諧波調(diào)制法SHEPWM，電壓空間矢量調(diào)制法SVPWM 等。最近電平逼近法使用于模塊數(shù)較高的場合，但其存在模塊的優(yōu)化排序和頻繁選擇問題；載波移相調(diào)制法是ー種相對成熟的調(diào)制方法，在實際研究中應(yīng)用較多，但載波移相往往需要在調(diào)制信號中通過疊加平衡控制信號來實現(xiàn)電容電壓的動態(tài)平衡，這樣不僅帶來輸出信號的失真，且有造成系統(tǒng)失穩(wěn)的可能，其通常采用的控制器設(shè)計由圖I所示；消除特定次諧波調(diào)制法，在計算開關(guān)點的時候需要解非線性超越方程，計算復(fù)雜，一般通過離線查表法完成控制，動態(tài)特性差；空間矢量調(diào)制法，其電平數(shù)與電壓空間矢量數(shù)目成三次方關(guān)系，隨著電平數(shù)的増加，矢量選擇的復(fù)雜度將會大幅提高。本發(fā)明是在載波層疊PWM調(diào)制方法的基礎(chǔ)上，通過采用選擇性循環(huán)虛擬映射的方法，解決傳統(tǒng)載波層疊PWM調(diào)制方法無法解決的電容電壓的動態(tài)均衡；控制方法簡單，能夠很好地抑制子模塊電容電壓相互的偏差，且不會存在失控的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有對模塊化多電平變換器的調(diào)制方法不能很好的控制電容電壓的動態(tài)平衡，控制方法復(fù)雜，需要一種控制方法簡單，能夠很好地抑制變換器的子模塊的電容電壓互相的偏差的調(diào)制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為ー種選擇性循環(huán)虛擬映射的載波層疊PWM調(diào)制方法，用于模塊化多電平變換器，模塊化多電平變換器的橋臂均由包含開關(guān)器件以及電容在內(nèi)的半橋或全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成，通過軟件編程對調(diào)制過程進(jìn)行控制，包括以下步驟I)建立與實際子模塊數(shù)量相同的虛擬子模塊，利用載波層疊PWM調(diào)制方法對虛擬子模塊進(jìn)行PWM調(diào)制，產(chǎn)生各虛擬子模塊相對應(yīng)的虛擬調(diào)制信號；2)對于系統(tǒng)平衡対稱的變換器，采用無差別循環(huán)映射建立虛擬子模塊與實際子模塊的循環(huán)映射對應(yīng)關(guān)系，通過循環(huán)映射在各子模塊間實現(xiàn)PWM信號無差別輪換，實現(xiàn)系統(tǒng)平衡對稱條件下實際子模塊的電容電壓平衡控制，利用一個值為I N的循環(huán)計數(shù)器指針來控制虛擬子模塊與實際子模塊之間映射次序，N為橋臂中的子模塊數(shù)量，并將虛擬調(diào)制信號按照映射次序傳輸給實際子模塊，實現(xiàn)對實際子模塊的驅(qū)動輸出；3)當(dāng)變換器系統(tǒng)失去平衡對稱，在步驟2)的基礎(chǔ)上獲取變換器實際子模塊的電容電壓反饋量，對所述反饋量進(jìn)行排序，獲得其中最大電壓以及最小電壓相對應(yīng)的實際子模塊編號，然后根據(jù)橋臂電流方向，進(jìn)行選擇性循環(huán)映射設(shè)實際子模塊的編號為I N，虛擬子模塊對應(yīng)的編號為I’ N’，將編號I’與N’的虛擬子模塊的虛擬調(diào)制信號分別映射到最太/最小電壓相對應(yīng)的實際子模塊中去，除去電容電壓最大/最小值相對應(yīng)的實際子模塊，剩下的實際子模塊的驅(qū)動信號依然按步驟2)所述的無差別循環(huán)進(jìn)行映射，根據(jù)所述選擇性 循環(huán)映射控制實際子模塊的電容電壓動態(tài)平衡，虛擬調(diào)制信號按照所述選擇性映射傳輸給實際子模塊，實現(xiàn)對實際子模塊的驅(qū)動輸出；4)實際子模塊在虛擬調(diào)制信號的驅(qū)動下完成調(diào)制，輸出調(diào)制后的信號。與現(xiàn)有常用的幾種調(diào)制算法相比，本發(fā)明的具有以下特點I、通過在虛擬子模塊與實際子模塊之間建立循環(huán)映射關(guān)系，從而保證了系統(tǒng)不改變調(diào)制信號的前提下，使模塊化多電平變換器具備動態(tài)電壓調(diào)節(jié)能力，避免了類似載波移相調(diào)制通過在參考信號上疊加平衡控制信號后，因參數(shù)選擇不當(dāng)可能引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，因而具有很強的魯棒性；2、控制方法簡單，不需要像載波移相PSPWM —樣為了平衡電壓要加獨立的控制器，只需在原有的DSP或FPGA中設(shè)置本發(fā)明的調(diào)制方法進(jìn)行控制即可；3、實現(xiàn)動態(tài)平衡控制，只需選擇性地改變虛擬子模塊與實際子模塊之間的對應(yīng)映射關(guān)系，即不存在系統(tǒng)參數(shù)選擇不當(dāng)而失穩(wěn)的情況，不會失控。


圖I模塊化多電平變換器載波移相調(diào)制平衡控制功能框圖。圖2是模塊化多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3為本發(fā)明實施例橋臂子模塊構(gòu)成及其編號，Ca)為上橋臂，(b)為下橋臂。圖4為本發(fā)明調(diào)制信號與載波信號比較后產(chǎn)生虛擬子模塊的調(diào)制信號，Ca)為上橋臂虛擬子模塊的調(diào)制信號，(b)為下橋臂虛擬子模塊的調(diào)制信號，(c)為對應(yīng)(a) (b)的電路原理圖。圖5為本發(fā)明所采用的無差別循環(huán)映射關(guān)系示意圖。圖6為本發(fā)明的選擇性循環(huán)映射關(guān)系示意圖，(a)為當(dāng)i>0時的選擇性映射關(guān)系，(b)為當(dāng)i〈0時的選擇性映射關(guān)系。圖7為本發(fā)明上橋臂電容電壓最小與最大值判斷方法示意圖，Ca)為電容電壓最小值判斷方法的示意圖，(b)為電容電壓最大值判斷方法的示意圖。圖8為本發(fā)明本發(fā)明實施例中，對電容電壓最小與最大值判斷后的Y數(shù)組指針內(nèi)容。圖9為本發(fā)明選擇性虛擬循環(huán)映射単元示意圖。圖10為本發(fā)明實施例上下橋臂電容電壓仿真波形。圖11為本發(fā)明實施例動態(tài)平衡性能測試實驗波形。
具體實施例方式本發(fā)明提出ー種基于選擇性循環(huán)虛擬映射的載波層疊調(diào)制方法，在不改變硬件的條件下，建立與實際子模塊數(shù)量相同的虛擬子模塊，利用載波層疊PWM調(diào)制方法對虛擬子模塊進(jìn)行PWM調(diào)制，產(chǎn)生各虛擬子模塊相對應(yīng)的虛擬調(diào)制信號，通過選擇性改變變換器橋臂(三相或単相)中虛擬子模塊與實際子模塊的信號映射關(guān)系，由虛擬調(diào)制信號驅(qū)動實際子模塊進(jìn)行調(diào)制，可以很好地對子模塊中電容電壓進(jìn)行平衡控制，且不會存在失控的情況。圖2展示了 MMC換流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相由一系列子模塊(submodule, SM)串聯(lián)得到，上橋臂和下橋臂各有N個子模塊，每個子模塊的結(jié)構(gòu)完全相同，上下橋臂的中間點電壓作為輸出電壓，而上下橋臂在出口處均有一個電感，可限制相間環(huán)流的作用。每個SM均為單臂半橋電路與電容并聯(lián)，相當(dāng)于I個獨立的直流源。通過SM単元開關(guān)器件開通或關(guān)斷來控制SM輸出電平，穩(wěn)態(tài)運行時SM存在2種電平輸出狀態(tài)當(dāng)每個SM單元的IGBTl導(dǎo)通時，SM輸出為UC，表示其接入電路，為接入狀態(tài)；當(dāng)IGBT2導(dǎo)通時，SM輸出為0，為短路狀態(tài)。因此，每個SM都可以輸出UC和0這2種電平。因此，通過調(diào)整上下橋臂子模塊的接入數(shù)目和方式，可以改變輸出電壓的電平，實現(xiàn)了多電平調(diào)制輸出。

為闡述原理方便，設(shè)橋臂分別由四個模塊組成，如圖3所示，上橋臂編號分別為#1、4，虛擬子模塊的編號分別為I’ 4’，下橋臂編號分別為#5、8，虛擬子模塊的編號分別為5， 8，，上下橋臂的參考信號與載波信號比較后產(chǎn)生將驅(qū)動虛擬子模塊的PWM信號，示意圖如圖4，由此會產(chǎn)生如表I的真值表。表I虛擬子模塊調(diào)制信號真值表
權(quán)利要求
1 一種選擇性循環(huán)虛擬映射的載波層疊PWM調(diào)制方法，用于模塊化多電平變換器，模塊化多電平變換器以及級聯(lián)H橋多電平變換器的橋臂均由包含開關(guān)器件以及電容在內(nèi)的半橋串聯(lián)構(gòu)成，其特征是通過軟件編程對調(diào)制過程進(jìn)行控制，包括以下步驟 1)建立與實際子模塊數(shù)量相同的虛擬子模塊，利用載波層疊PWM調(diào)制方法對虛擬子模塊進(jìn)行PWM調(diào)制，產(chǎn)生各虛擬子模塊相對應(yīng)的虛擬調(diào)制信號； 2)對于系統(tǒng)平衡對稱的變換器，采用無差別循環(huán)映射建立虛擬子模塊與實際子模塊的循環(huán)映射對應(yīng)關(guān)系，通過循環(huán)映射在各子模塊間實現(xiàn)PWM信號無差別輪換，實現(xiàn)系統(tǒng)平衡對稱條件下實際子模塊的電容電壓平衡控制，利用一個值為I N的循環(huán)計數(shù)器指針來控制虛擬子模塊與實際子模塊之間映射次序，N為橋臂中的子模塊數(shù)量，并將虛擬調(diào)制信號按照映射次序傳輸給實際子模塊，實現(xiàn)對實際子模塊的驅(qū)動輸出； 3)當(dāng)變換器系統(tǒng)失去平衡對稱，在步驟2)的基礎(chǔ)上獲取變換器實際子模塊的電容電壓反饋量，對所述反饋量進(jìn)行排序，獲得其中最大電壓以及最小電壓相對應(yīng)的實際子模塊編號，然后根據(jù)橋臂電流方向，進(jìn)行選擇性循環(huán)映射設(shè)實際子模塊的編號為I N，虛擬子模塊對應(yīng)的編號為I’ N’，將編號I’與N’的虛擬子模塊的虛擬調(diào)制信號分別映射到最大/最小電壓相對應(yīng)的實際子模塊中去，除去電容電壓最大/最小值相對應(yīng)的實際子模塊，剩下的實際子模塊的驅(qū)動信號依然按步驟2)所述的無差別循環(huán)進(jìn)行映射，根據(jù)所述選擇性循環(huán)映射控制實際子模塊的電容電壓動態(tài)平衡，虛擬調(diào)制信號按照所述選擇性映射傳輸給實際子模塊，實現(xiàn)對實際子模塊的驅(qū)動輸出； 4)實際子模塊在虛擬調(diào)制信號的驅(qū)動下完成調(diào)制，輸出調(diào)制后的信號。
全文摘要
一種基于選擇性循環(huán)虛擬映射的載波層疊PWM調(diào)制方法，涉及用于模塊化多電平變換器MMC的選擇性循環(huán)虛擬映射的載波層疊調(diào)制法，本發(fā)明方法是在傳統(tǒng)載波層疊循環(huán)映射平衡控制的基礎(chǔ)上，通過建立虛擬子模塊，然后根據(jù)控制系統(tǒng)反饋的橋臂電流方向以及實際子模塊電容電壓相互間的差異情況，通過選擇性改變虛擬子模塊與實際子模塊驅(qū)動信號的循環(huán)映射關(guān)系，達(dá)到子模塊電容電壓的動態(tài)平衡目的。本發(fā)明調(diào)制方法可用于中高壓、大功率場合的MMC的PWM信號調(diào)制以及電容電壓的動態(tài)平衡控制。
文檔編號H02M7/483GK102769403SQ20121027030
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者梅軍, 梅飛, 鄭建勇, 韓少華 申請人:東南大學(xué)