一种4N+1电平输出的单相MMC载波移相调制方法

一种4n+1电平输出的单相mmc载波移相调制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子换流器技术领域，具体涉及一种4n+1电平输出的单相mmc载波移相调制方法。


背景技术：

2.模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)具有模块化程度高、可使用低压器件、能量传输效率高、交流侧输出电压谐波含量低、可实现冗余控制等优越特性，目前已经迅速在各种中高压大功率的电能变换场景中得到了广泛应用，如中高压直流输电、交直流电网互联、智能变压器、中压电机驱动等领域。
3.目前的模块化多电平换流器技术研究主要集中应用在三相换流器控制方向上，对于单相mmc的研究较少。对于桥臂子模块数量为n、载波频率为fs的单相h桥型mmc来说，传统的调制方法仅能输出2n+1电平的交流侧电压，输出电压波形的最低谐波为2nfs，当子模块数量较少时，输出电压波形的阶梯数的过少会导致输出波形低频谐波含量大，波形畸变严重，这明显影响了系统的电能质量，并增加了滤波器的尺寸大小。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种4n+1电平输出的单相mmc载波移相调制方法，通过为每个桥臂上的不同子模块设置不同的载波移相角，在桥臂子模块数量n不变的同时，尽可能提高输出电压的阶梯电平数和等效开关频率，改善输出电压质量。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种4n+1电平输出的单相mmc载波移相调制方法，所述单相mmc采用h桥型结构，由a、b相上下共四个桥臂组成，每个桥臂由n个完全一致的子模块和一个桥臂电感构成，所述调制方法包括以下步骤：
7.s1：输入mmc的参考电压波信号u
ab
以及直流侧电压u
dc
和各桥臂的子模块数量n；
8.s2：根据步骤s1的参数，确定各桥臂的调制波信号为：
9.a相上桥臂：v
pa
＝0.5*(1-u
ab
/u
dc
)，a相下桥臂：v
na
＝0.5*(1+u
ab
/u
dc
)，
10.b相上桥臂：v
pb
＝0.5*(1+u
ab
/u
dc
)，b相下桥臂：v
nb
＝0.5*(1-u
ab
/u
dc
)；
11.s3：判断桥臂子模块数量的奇偶性，确定各桥臂中每个子模块的载波移相角，进行载波移相调制。
12.进一步的，所述步骤s3中，确定载波移相角的具体方法为：
13.s31：判断桥臂子模块数量n的奇偶性；
14.s32：若n为奇数，则桥臂中第i个子模块的载波移相角为：
15.a相上桥臂：θ
pa
(i)＝(i-1)*2π/n；
16.a相下桥臂：θ
na
(i)＝(i-1)*2π/n；
17.b相上桥臂：θ
pb
(i)＝π/2n+(i-1)*2π/n；
18.b相下桥臂：θ
nb
(i)＝π/2n+(i-1)*2π/n；其中i＝1,2,
…
,n；
19.s33：若n为偶数，则桥臂中第i个子模块的载波移相角为：
20.a相上桥臂：θ
pa
(i)＝(i-1)*2π/n；
21.a相下桥臂：θ
na
(i)＝π/n+(i-1)*2π/n；
22.b相上桥臂：θ
pb
(i)＝π/2n+(i-1)*2π/n；
23.b相下桥臂：θ
nb
(i)＝π/2n+π/n+(i-1)*2π/n；其中i＝1,2,
…
,n。
24.本发明的有益效果：
25.1、本发明针对单相h桥型mmc提供了一种新型载波移相调制方法，相比于传统调制方法的2n+1电平输出，本发明在相同的子模块数量下能够输出4n+1电平，具有更高的阶梯电平数和等效开关频率，输出电压质量和thd性能也更好。
26.2、本发明的输出电压波形的最低谐波为4nfs(fs为载波频率)，与传统调制方法相比，显著降低了输出电压的低次谐波含量，使得滤波器的尺寸大小得到了尽可能的减小。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明中所涉及的单相h桥型mmc电路图；
29.图2是本发明所述调制方法的实施流程图；
30.图3是mmc桥臂子模块数量n＝3(奇数)时，输出电压电平的仿真示意图；
31.图4是mmc桥臂子模块数量n＝3(奇数)时，电压波形频域分析的仿真示意图；
32.图5是mmc桥臂子模块数量n＝2(偶数)时，输出电压电平的仿真示意图；
33.图6是mmc桥臂子模块数量n＝2(偶数)时，电压波形频域分析的仿真示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.如图1所示，单相h桥型mmc由a、b相上下共四个桥臂组成，每个桥臂由n个完全一致的子模块1-1和一个桥臂电感1-2构成；每个子模块由一个储能电容、两个igbt及其反并联二极管组成，通过控制两个igbt的导通或者关断可以控制每个子模块的投入或切出；mmc的直流侧母线电压为u
dc
，输出电压为u
ab
。
36.如图2所示，所述的4n+1电平输出的单相mmc载波移相调制方法包括以下步骤：
37.s1：输入mmc的参考电压波信号u
ab
以及直流侧电压u
dc
和各桥臂的子模块数量n；
38.s2：根据步骤s1的参数，确定各桥臂的调制波信号为：
39.a相上桥臂：v
pa
＝0.5*(1-u
ab
/u
dc
)，a相下桥臂：v
na
＝0.5*(1+u
ab
/u
dc
)，
40.b相上桥臂：v
pb
＝0.5*(1+u
ab
/u
dc
)，b相下桥臂：v
nb
＝0.5*(1-u
ab
/u
dc
)；
41.s3：判断桥臂子模块数量的奇偶性，确定各桥臂中每个子模块的载波移相角，进行载波移相调制。
42.其中，步骤s3中，确定载波移相角的具体方法为：
43.s31：判断桥臂子模块数量n的奇偶性。
44.s32：若n为奇数，则桥臂中第i个子模块的载波移相角为
45.a相上桥臂：θ
pa
(i)＝(i-1)*2π/n；
46.a相下桥臂：θ
na
(i)＝(i-1)*2π/n；
47.b相上桥臂：θ
pb
(i)＝π/2n+(i-1)*2π/n；
48.b相下桥臂：θ
nb
(i)＝π/2n+(i-1)*2π/n；其中i＝1,2,
…
,n；
49.s33：若n为偶数，则桥臂中第i个子模块的载波移相角为
50.a相上桥臂：θ
pa
(i)＝(i-1)*2π/n；
51.a相下桥臂：θ
na
(i)＝π/n+(i-1)*2π/n；
52.b相上桥臂：θ
pb
(i)＝π/2n+(i-1)*2π/n；
53.b相下桥臂：θ
nb
(i)＝π/2n+π/n+(i-1)*2π/n；其中i＝1,2,
…
,n；
54.图3与图4为一个实施例，显示了当桥臂子模块数量n＝3(奇数)时，mmc输出电压电平(图3)和电压波形频域分析(图4)的仿真示意图；
55.图5与图6为一个实施例，显示了当桥臂子模块数量n＝2(偶数)时，mmc输出电压电平(图5)和电压波形频域分析(图6)的仿真示意图。
56.以上4n+1电平输出的单相mmc载波移相调制方法，能够在子模块数量不变的前提下明显提高输出电压的阶梯数，达到了高等效开关频率和低谐波的输出效果，与现有的调制方法相比，本发明在输出电能质量和所需滤波器尺寸方面拥有明显优势，可以有效提高系统运行性能。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
58.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。