低成本三电平逆变器的高效安全调制方法、调制器及系统

本公开涉及电力电子功率变换相关，具体的说，是涉及一种低成本三电平逆变器的高效安全调制方法、调制器及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

2、三电平逆变器(three-level inverter)具有功率器件电压应力低、输出波形质量好、谐波含量低、滤波器体积小等显著优势，在可再生能源发电、电池储能、电能质量治理等领域应用广泛。二极管箝位型(diode clamped)和t型(t-type)三电平逆变器是最为常用的两种三电平逆变器拓扑，但两者需采用数量较多的功率器件，不可避免地增加了系统成本和体积。

3、为进一步减少功率器件数量、降低系统体积和成本，新西兰奥克兰理工大学学者t.ngo等提出了低成本(reduced switch count,rsc)三电平逆变器拓扑，其包含十只功率器件，且无需采用箝位二极管，即可获得多电平输出波形。

4、发明人在研究中发现，一方面，三电平逆变器系统输入端连接光伏阵等新能源发电部件，存在随机性、间歇性、波动性等固有局限性，导致功率波动大、输入电压变化范围宽，因此，减少三电平逆变器系统自身功率器件的损耗是提升系统发电效率和发电量的关键。另一方面，受制于拓扑结构自身的特点，低成本三电平逆变器三相输出电压最多仅能含有两种类型的状态，换言之，该电路拓扑无法产生中矢量，遂使得用于二极管箝位型和t型三电平逆变器的传统空间矢量调制方法无法直接适用。目前，国内外学者已提出适用于低成本三电平逆变器的空间矢量调制方法，但本质上均属于连续型脉宽调制方法，开关切换次数较多，增加了功率器件的开关损耗，降低了系统的运行效率。因此，适用于低成本三电平逆变器的高效安全调制方法亟待研究。

技术实现思路

1、本公开为了解决上述问题，提出了一种低成本三电平逆变器的高效安全调制方法、调制器及系统，能有效减少功率器件的开关损耗，提高系统运行效率，同时保证中点电压平衡，系统运行安全性明显提高。

2、为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

3、一个或多个实施例提供了低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，包括如下步骤：

4、确定参考电压矢量所处的扇区和区域，选取基本电压矢量合成参考电压矢量，并求解得到各基本电压矢量的占空比；

5、以实现开关损耗抑制和中点电压平衡控制为目的，限定小矢量对应的开关状态，得到基本电压矢量开关状态组合；

6、根据得到的基本电压矢量开关状态组合，分别设计具有对称性的箝位式p型开关序列和箝位式n型开关序列；

7、根据直流侧电容两端的电压差值，确定设置的滞环比较器的输出值；

8、根据参考电压矢量所处的区域以及滞环比较器的输出，优化选取箝位式开关序列；

9、根据优化后的开关序列生成相应pwm驱动信号，控制功率开关管的开通与关断。

10、一个或多个实施例提供了低成本三电平逆变器的高效安全调制器，包括：

11、基本电压矢量选取及占空比计算模块：被配置为用于确定参考电压矢量所处的扇区和区域，选取基本电压矢量合成参考电压矢量，并求解得到各基本电压矢量的占空比；

12、基本电压矢量开关状态组合限定模块：被配置为用于以实现开关损耗抑制和中点电压平衡控制为目的，限定小矢量对应的开关状态，得到基本电压矢量开关状态组合；

13、箝位式开关序列确定模块：被配置为用于根据得到的基本电压矢量开关状态组合，分别设计具有对称性的箝位式p型开关序列和箝位式n型开关序列；

14、滞环比较器控制模块：被配置为用于根据直流侧电容两端的电压差值，确定设置的滞环比较器的输出值；

15、开关序列优化选取模块：被配置为用于根据参考电压矢量所处的区域以及滞环比较器的输出，优化选取箝位式开关序列；

16、pwm驱动信号转换模块：被配置为用于根据优化后的开关序列生成相应pwm驱动信号，控制功率开关管的开通与关断。

17、一个或多个实施例提供了一种三电平逆变器的高效安全调制系统，采用上述的低成本三电平逆变器的高效安全调制器。

18、一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

19、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

20、(1)本公开方法能得到多电平输出电压波形，提高输出电压、电流波形质量。

21、(2)本公开方法设计的箝位式开关序列具备对称特性，能减少输出波形中的谐波含量。

22、(3)本公开方法通过箝位式开关序列设计，能有效减少低成本三电平逆变器系统功率器件的开关损耗，提高系统运行效率

23、(4)本公开方法通过滞环比较器实现中点平衡主动控制功能，当异常因素导致中点电压发生偏移时，本公开方法能实现中点电压平衡恢复，提高了系统运行安全性。

24、本公开的优点以及附加方面的优点将在下面的具体实施例中进行详细说明。

技术特征：

1.低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，其特征在于：基本电压矢量选取及占空比计算步骤中，当参考电压矢量位于每一扇区的外侧区域时，选取距离最近的四个基本电压矢量合成参考电压矢量，设计间接计算方法，求解得到各基本电压矢量的占空比；当参考电压矢量位于每一扇区的内侧区域时，选取距离最近的三个基本电压矢量合成参考电压矢量，设计直接计算方法，求解得到各基本电压矢量的占空比。

3.如权利要求1所述的低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，其特征在于：箝位式p型开关序列中，存在开关周期内箝位至p状态的一相；箝位式n型开关序列中，存在开关周期内箝位至n状态的一相。

4.如权利要求3所述的低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，其特征在于：基本电压矢量开关状态组合设计箝位式开关序列步骤中，当参考电压矢量位于每一扇区的外侧区域时，设计七段箝位式开关序列；当参考电压矢量位于每一扇区的内侧区域时，设计五段箝位式开关序列；

5.如权利要求1所述的低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，其特征在于，滞环比较器的输出值确定方法为：当电容电压偏差大于滞环比较器的阈值上限时，滞环比较器的输出值为1；当电容电压偏差小于滞环比较器的阈值下限时，滞环比较器的输出值为0；当电容电压偏差位于滞环比较器的阈值下限和阈值上限之间时，滞环比较器的输出值保持不变；

6.如权利要求1所述的低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，其特征在于，基本电压矢量开关状态组合的确定方法为：

7.如权利要求6所述的低成本三电平逆变器的高效安全调制方法，其特征在于，基本电压矢量开关状态组合的确定方法为：

8.低成本三电平逆变器的高效安全调制器，其特征在于，包括：

9.一种三电平逆变器的高效安全调制系统，其特征在于，采用权利要求8所述的低成本三电平逆变器的高效安全调制器。

10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。

技术总结
本公开涉及电力电子功率变换技术领域，提出了一种低成本三电平逆变器的高效安全调制方法、调制器及系统，当参考电压矢量位于每一扇区的外侧区域时，限定基本电压矢量开关状态组合，设计七段箝位式P型、N型开关序列；当参考电压矢量位于每一扇区的内侧区域时，限定基本电压矢量开关状态组合，设计五段箝位式P型、N型开关序列；将直流侧两个电容两端电压的偏差送入滞环比较器，设置滞环比较器的输出值，进一步优化选取开关序列，实现中点电压平衡控制功能。本发明方法能有效减少低成本三电平逆变器系统功率器件的开关损耗，当异常因素导致中点电压发生偏移时，能实现中点电压平衡恢复，提高系统运行效率和安全性。

技术研发人员：李晓艳,秦昌伟,白洪超,禹金标,梁栋,汪明,赵千川,褚志元
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12