一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法技术

本发明专利技术提供一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法，通过在线计算瞬时功率因数角，调整对应零序电压分量，实时修正三相调制电压信号，使得当负载电流为峰值时功率开关管不动作，从而在全功率因数角范围降低开关损耗、抑制三电平变流器功率器件结温波动，提升系统的效率与可靠性。升系统的效率与可靠性。升系统的效率与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法


[0001]本专利技术涉及变流器的脉宽调制策略，具体涉及一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法。

技术介绍

[0002]随着新能源领域的不断发展，三电平变流器在中、高压大功率系统中得到广泛的应用，随之而来的损耗问题影响变流器的效率和运行可靠性。降低功率器件损耗对中点钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平变流器功率器件使用寿命以及系统的热可靠性等方面至关重要。变流器常用的脉宽调制策略可分为连续脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)与断续脉宽调制(Discontinuous Pulse Width Modulation,DPWM)策略。SVPWM存在器件开关损耗大及结温高等缺点，而传统DPWM可以降低开关损耗，但仅能在特定的功率因数角下降低损耗。当变流器的负载功率因数角处于大范围波动的工况下，现有的脉宽调制策略难以有效地降低损耗，在不提升变流器系统散热能力的前提下，会导致局部温度升高，影响功率器件的使用寿命与系统的热可靠性。因此为了在宽功率因数角范围内都具有最低的损耗以及较低功率器件结温，亟需提出一种改进的DPWM策略。
[0003]系统容量等级不断增大，降低开关损耗十分必要，通过直接减小系统开关频率可降低损耗，但这种方式会明显影响输出波形质量，谐波含量过高无法达到并网的要求。因此，多采用DPWM策略降低逆变器损耗。三电平空间矢量调制合成规则遵循最近三矢量原则，SVPWM策略的开关序列以小矢量首发，且以小矢量结束属于七段式对称合成方式。对于DPWM而言，其开关序列为五段式，仅使用一种小矢量，某一相会被箝位至固定状态，而其余两相开关正常动作，合理分配箝位区间，可有效降低开关损耗。
[0004]传统的三电平DPWM策略可以在一定程度上降低系统开关损耗，但是受负载功率因数的限定，只能在固定的功率因数角时，才能实现最低开关损耗。当电力电子设备在宽功率因数范围内工作时，会存在系统损耗高、功率器件结温波动大等因素，影响设备运行可靠性。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法。通过在线计算瞬时功率因数角，调整对应零序电压分量，实时修正调制电压信号，从而在全功率因数角范围降低开关损耗，进而降低逆变器的整体损耗、抑制功率器件结温波动，提升系统的效率与可靠性。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、将负载侧的瞬时功率因数角引入零序电压分量中，改变调制电压信号，使得当负载电流为峰值时开关管不动作，输出相电压处于箝位的状态，在宽功率因数范围内降低功率器件的开关损耗；
[0009]步骤2、通过在线计算瞬时功率因数角调整对应零序电压分量，实时三相调制电压信号。
[0010]进一步地，所述步骤1包括：
[0011]采用标幺化处理，归一化的三相调制电压信号的数学表达式为：
[0012][0013]其中，u
a
表示经过标幺化处理后的三相电路中的A相电压，u
b
表示三相电路中B相电压，u
c
表示三相电路中C相电压；M表示调制度；ω表示角频率，t表示时间；
[0014]将瞬时负载功率因数角引入后的三相调制电压信号的数学表达式为：
[0015][0016]式中，u'
a
、u'
b
、u'
c
分别是经功率因数角后的三相调制电压信号；
[0017]在u'
a
、u'
b
、u'
c
的基础上，通过实时判断瞬时功率因数角的范围确定新的零序电压分量合成的规则，将新合成的零序分量注入公式(2)中，修正原始的调制电压信号，实现箝位区域随着瞬时功率因数角的变化而变化，进而调整对应相电压的箝位区域；其中，在不同的范围内，合成零序分量的表达式如下所示：
[0018][0019]其中，u
z
′
表示重新计算后的零序分量；U
dc
表示逆变器直流母线电压；sign()函数表示括号里的值大于零，则sign()＝1；反之，为sign()＝
‑
1；Max{}函数表示取括号内的最大值；u'
a
、u'
b
、u'
c
分别是经功率因数角后的三相调制电压；
[0020]计算修正后的三相调制电压信号数学表达式：
[0021][0022]其中，u
a*
、u
b*
、u
c*
表示新的三相调制电压信号；
[0023]将新的三相调制电压信号通过与三角载波信号比较实现开关管脉冲信号的合成。
[0024]进一步地，所述步骤2包括：
[0025]首先，经过双闭环控制策略得到输出电压和输出电流，分别对其进行等功率的Clarke变换公式得到αβ坐标系下的表达式：
[0026][0027][0028]变换矩阵为
[0029]其中，U
a
，U
b
，U
c
分别表示电路输出侧的A、B、C三相电压；I
a
，I
b
，I
c
分别表示电路输出侧的A、B、C三相电流；
[0030]计算αβ坐标系下的电压与电流，计算得到瞬时功率因数角为
[0031][0032]有益效果：
[0033]本专利技术采用改进的DPWM策略，通过追踪瞬时负载功率因数角，实时修改参考调制电压信号信号，进而改变输出电压的箝位区域，使得相电压箝位区域与电流峰值处尽可能的重合，对应的功率开关管不动作，从而可以降低开关损耗、抑制功率器件结温波动，同时，改进的DPWM策略还具有良好的谐波性能。在宽功率因数范围内，应用改进的DPWM策略，三电平变流器具有低损耗、低结温的优点，可有效地提升系统可靠性及功率器件的使用寿命。
附图说明
[0034]图1为本专利技术的改进DPWM策略的系统控制框图。
[0035]图2为本专利技术的改进DPWM策略在三电平变流器负载突变时的仿真结果。
[0036]图3为全功率因数范围内，三电平变流器在SVPWM策略、传统DPWM策略、改进的DPWM策略下系统总损耗对比图。
[0037]图4a，图4b为A相外侧功率开关管S
a1
在不同调制策略下的损耗分布情况图；其中，图4a为三电平变流器在SVPWM策略下的开关管S
a1
损耗分布图；图4b为三电平变流器在改进的DPWM策略下的开关管S
a1
损耗分布图。
[0038]图5为三电平变流器在传统SVPWM策略与改进DPW本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将负载侧的瞬时功率因数角引入零序电压分量中，改变调制电压信号，使得当负载电流为峰值时开关管不动作，输出相电压处于箝位的状态，在宽功率因数范围内降低功率器件的开关损耗；步骤2、通过在线计算瞬时功率因数角调整对应零序电压分量，实时三相调制电压信号。2.根据权利要求1所述的一种降低开关损耗及结温波动的非连续PWM调制方法，其特征在于，所述步骤1包括：采用标幺化处理，归一化的三相调制电压信号的数学表达式为：其中，u
a
表示经过标幺化处理后的三相电路中的A相电压，u
b
表示三相电路中B相电压，u
c
表示三相电路中C相电压；M表示调制度；ω表示角频率，t表示时间；将瞬时负载功率因数角引入后的三相调制电压信号的数学表达式为：式中，u'
a
、u'
b
、u'
c
分别是经功率因数角后的三相调制电压信号；在u'
a
、u'
b
、u'
c
的基础上，通过实时判断瞬时功率因数角的范围确定新的零序电压分量合成的规则，将新合成的零序分量注入公式(2)中，修正原始的调制电压信号，实现箝位区域随着瞬时功率因数角的变化而变化，进而调整对应相电压的箝位区域；其中，在不同的范围内，合成零序分量的表达式如下所示：其中，u
z

【专利技术属性】
技术研发人员：陈权，候书乐，徐斌，李国丽，王小明，仇茹嘉，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：