基于类两电平调制的模块化多电平变换器的小电容控制及参数设计方法

本发明属于电力电子领域，尤其是涉及一种基于类两电平调制的模块化多电平变换器的小电容控制及参数设计方法。

背景技术：

1、随着社会发展和经济飞跃，工业与生活中对变频技术的需求越来越多要求也越来越高，传统变频技术已经不能满足当前社会与经济的需求。随着电力电子器件的发展，igbt等全控型开关器件的突破，多电平技术趋向成熟，多电平技术也逐渐应用到中低压电机驱动领域。多电平技术中模块化多电平变换器因其可扩展性、冗余性、故障容错能力强、稳定性强、输出波形质量好等诸多优点近些年来在中低压电机驱动领域已经开始发挥其优势。

2、但是目前模块化多电平变换器大规模应用于中低压电机驱动场合的瓶颈是中低频运行时模块化多电平变换器中的子模块电容容易产生较大的电压波动，而电压波动容易在桥臂中产生循环，从而影响整个系统的正常运行，选择子模块电容桥臂电感能很好地抑制桥臂循环电流。而合适的调制方法和桥臂电感的选取能很好的弥补目前模块化多电平变换器在中低压电机驱动应用中的缺点。

3、目前常见的调制方法主要分为两类：高开关频率调制和基波开关调制。常见的高开关频率调制有载波移相pwm调制和载波层叠pwm调制等，高开关频率频繁的切换子模块容易产生子模块电容电压波动不利于在中低压电机驱动领域中应用。基波开关调制方法包括有最近电平逼近调制和类两电平调制，最近电平调制方法对于精度的控制在实际应用中难以发挥其优势。而类两电平调制方法因其仅仅在高低电平切换过程中有子模块开关动作，很好地减小了子模块开关频率，很适合在中低压电机驱动领域应用。

4、为了让类两电平调制方法更适用于中低压电机驱动领域，考虑对类两电平调制方法进行改进，根据模块化多电平变换器的基本工作原理，考虑在高低电平切换过程中进行补偿电流的注入来实现上下桥臂能量平衡的同时来抑制上下桥臂产生的能量波动，保证能量平衡的前提下实现改进，实现小电容控制。

5、模块化多电平变换器中的数量较多的子模块影响了整个模块化多电平变换器的工作性能，而子模块主要由电容组成，电容的大小影响了整个模块化多电平变换器的成本、体积和工作性能，而桥臂电感能很好的抑制因子模块电容电压波动引起的桥臂环流，因此子模块电容和桥臂电感的设计对于模块化多电平变换器的稳定运行十分重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于类两电平调制的模块化多电平变换器的小电容控制及参数设计方法。

2、实现本发明目的技术解决方案为：基于类两电平调制的模块化多电平变换器的小电容控制及子模块电容和桥臂电感的设计方法，包括以下说明：

3、分析其模块化多电平变换器的拓扑结构，考虑中低压电机驱动场景下工作特点，考虑使用类两电平调制方法，并提出一种小电容控制方法，来实现上下桥臂能量平衡的同时来抑制上下桥臂产生的能量波动，实现选取更小的电容，并提出主电路中子模块电容和桥臂电感的设计方法。主要考虑以下步骤：

4、步骤1：结合上下桥臂能量平衡得到补偿电流的大小并实现小电容控制，具体的：

5、根据类两电平调制方法可知在当上桥臂输出电压为高电平或者低电平时，而此时上桥臂输出电流为低电平或高电平，桥臂的能量基本为0，但在子模块延迟过程中，上桥臂输出电压和上桥臂输出电流的积不为0，桥臂的功率不为0，当输出频率较低或子模块延迟时间占整个周期较大时会产生较大的能量波动，影响了子模块的正常运行或者需要较大的子模块电容，产生了能量波动，因此考虑补偿电流的注入来改进类两电平调制方法，根据能量平衡可得上下桥臂补偿电流的大小为：

6、

7、根据补偿电流的推导可知，补偿电流的确定与桥臂电感larm有关，因此下面对桥臂电感进行确定。

8、步骤2：根据小电容控制下子模块电容能量波动可得子模块电容选取方法，具体的：

9、小电容控制下类两电平调制方法下能量波动主要集中在高低电平切换过程，δe表示子模块延迟导通产生的能量波动，根据前面的分析可知单相上桥臂的子模块延迟导通或关断的总时间为(n-1)td，根据上下桥臂注入的补偿电流，子模块电容电压最大值和最小值分别为ucmax和ucmin，设在子模块切换过程中电容电压最大为ucmax，则可以得到子模块切换过程中最大能量波动为：

10、δe＝emax-emin＝pmax·(n-1)·td-0＝uc_max·(ix max+iicx_max)(n-1)·td

11、根据权利要求3可知增加补偿电流iicx后的桥臂最大能量波动为：

12、δei_max＝larm(ix+iicx)2

13、根据子模块电容上能量波动计算可得增加补偿电流注入的小电容控制的电容选取方法为：

14、

15、式中kc表示电容选取的一定安全裕量，根据实际工况确定安全裕量。

16、步骤3：根据补偿电流的大小来选取桥臂电感，具体的：

17、根据步骤一推导的补偿电流可得桥臂电感和补偿电流的关系，在确定注入桥臂补偿电流后实现桥臂能量平衡下减小高低电平延迟切换带来的能量波动的桥臂电感选取方法为：

18、

19、式中dmax表示根据实际运行工况所能取到最大占空比，iicx_max为权利要求3中所得补偿电流最大值，其中i表示上桥臂u或下桥臂l，x表示a，b，c三相，因此桥臂电感的选取具有三相普遍适用性。

20、本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明对类两电平调制方法进行改进，在中低压电机驱动领域能发挥其优势，因此该方法也充分考虑了模块化多电平变换器的安全运行与稳定运行；2)本发明考虑补偿电流的注入来实现能量平衡，在实现能量平衡条件下考虑了桥臂电感选取，更具有普遍适用性。

技术特征：

1.一种基于类两电平调制方法的小电容控制及设计方法，特征在于：分析其模块化多电平变换器的拓扑结构与基本工作原理，考虑中低压电机驱动场景下工作特点，根据类两电平调制方法的特点，提出一种能实现减小上下桥臂能量波动的小电容控制方法，并基于小电容控制方法进行主电路参数设计，简化了模块化多电平变换器的主电路参数设计。

2.根据权利要求1所述的对模块化多电平变换器应用于中低压电机驱动领域，其特征在于：当模块化多电平变换器作为中低压电机驱动器使用时，模块化多电平变换器的子模块电容波动在低频输出电压时会产生超过定子电流三倍的循环电流，考虑针对类两电平调制方法中高低电平切换过程中的能量波动，提出了一种通过在子模块延迟切换过程中增加补偿电流的小电容控制来实现为抑制子模块电容电压波动。

3.根据权利要求2所述的基于类两电平调制方法的通过在子模块延迟切换过程中增加补偿电流的小电容控制，小电容控制通过在高低电平切换过程中增加补偿电流来在实现能量平衡的同时抑制子模块电容电压波动，根据能量平衡可得上下桥臂注入的补偿电流的大小，其特征在于：

4.根据权利要求3所述在子模块延迟切换过程中增加补偿电流控制，小电容控制下类两电平调制方法下能量波动主要集中在高低电平切换过程，δe表示子模块延迟导通产生的能量波动，根据前面的分析可知单相上桥臂的子模块延迟导通或关断的总时间为(n-1)td，td表示子模块切换方式，根据上下桥臂注入的补偿电流，子模块电容电压最大值和最小值分别为ucmax和ucmin，设在子模块切换过程中电容电压最大为ucmax，则可以得到子模块切换过程中最大能量波动为：

5.根据权利要求3所述的类两电平调制方法的小电容控制，根据上下桥臂注入的补偿电流，以及根据与输出占空比得到一种桥臂电感的选取方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开一种基于类两电平调制方法的模块化多电平变换器的小电容控制及参数设计方法，其根据模块化多电平变换器拓扑结构与基本功能，考虑类两电平调制方法在中低压电机驱动场合下的优势，并进行改进提出一种抑制上下桥臂能量波动的小电容控制方法，并结合改进特点与模块化多电平变换器的工作原理，提出了一种子模块电容与桥臂电感的选取方法。本发明公开了针对于中低压电机驱动场合下类两电平调制方法的小电容控制方法，公开了子模块电容和桥臂电感一般性的选取方法，简化了对子模块电容和桥臂电感选取时的分析过程，该方法适用于不同的规格模块化多电平变换器，方法更具有一般适用性。

技术研发人员：季振东,饶睿,戎小虎
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13