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申请/专利权人：东北电力大学

摘要：本发明是一种交直流多端口三电平变换器的载波调制方法，涉及电力电子变换装置技术领域。为解决现有交直流多端口三电平变换器的分时调制方法计算复杂，直流电压的利用率低的问题，本发明的一种交直流多端口三电平变换器的载波调制方法，利用上、下组调制波分别与同相层叠载波相比较的调制方法，并根据开关状态和调制比较结果，推导出输出电压幅值与调制度的关系表达式，利用生成各个功率开关驱动信号的逻辑运算，实现将两个直流输入电压变换为一组频率、幅值皆可调的三相三电平交流电和3组幅值可控的直流电，该调制方法具有科学合理，适用性强，调制简单，效果佳的优点。

主权项：1.一种交直流多端口三电平变换器的载波调制方法，它包括：由2个直流输入电源VS1、VS2，15个绝缘栅双极晶体管、15个二极管构成的交直流多端口三电平变换器，所述交直流多端口三电平变换器有U相、V相和W相桥臂，所述U相、V相和W相桥臂的每相桥臂均由5个绝缘栅双极晶体管Sx1～Sx5和5个二极管Dx1～Dx5组成，其中，x∈{U，V，W}；每相桥臂有一个交流输出端x1和一个直流输出端x2，直流输出端输出直流电，三相桥臂的三个交流输出端共同输出三相对称交流电；3个交流输出端分别连接三相阻感负载Zx，3个直流输出端分别连接由电感Lx、电容Cx构成的低通滤波器，所述的低通滤波器连接电阻负载Rx，其中，x∈{U，V，W}；所述直流输入电源VS1与直流输入电源VS2电压相等，均为Vdc2；直流输入电源VS1的正极定义为正极点P，直流输入电源VS1的负极与直流输入电源VS2的正极相连，直流输入电源VS1的负极与电源VS2的正极相连接的点定义为中点O，电源VS2的负极定义为负极点N；正极点P与负极点N之间的电压为Vdc，中点O的电位为0，正极点P与中点O之间的电压为Vdc2，中点O与负极点N之间的电压为Vdc2；所述直流输入电源VS1的正极与正极点P相连，直流输入电源VS1的负极与中点O相连；所述直流输入电源VS2的正极与中点O相连，直流输入电源VS2的负极与负极点N相连；U相桥臂包括绝缘栅双极晶体管SU1、绝缘栅双极晶体管SU2、绝缘栅双极晶体管SU3、绝缘栅双极晶体管SU4和绝缘栅双极晶体管SU5；二极管DU1、二极管DU2、二极管DU3、二极管DU4、二极管DU5；绝缘栅双极晶体管SU1的集电极与二极管DU1的阴极相连并连接到正极点P，绝缘栅双极晶体管SU1的发射极与二极管DU1的阳极相连并连接到绝缘栅双极晶体管SU5的集电极和上输出端U1；绝缘栅双极晶体管SU5的集电极与二极管DU5的阴极相连，绝缘栅双极晶体管SU5的发射极与二极管DU5的阳极相连并连接到绝缘栅双极晶体管SU4的发射极；绝缘栅双极晶体管SU4的发射极与二极管DU4的阳极相连，绝缘栅双极晶体管SU4的集电极与二极管DU4的阴极相连并连接到中点O；绝缘栅双极晶体管SU2的集电极与二极管DU2的阴极相连并连接到上输出端U1，绝缘栅双极晶体管SU2的发射极与二极管DU2的阳极相连并连接到下输出端U2和绝缘栅双极晶体管SU3的集电极；绝缘栅双极晶体管SU3的集电极与二极管DU3的阴极连接，绝缘栅双极晶体管SU3的发射极与二极管DU3的阳极相连并连接到负极点N；V相桥臂包括绝缘栅双极晶体管SV1、绝缘栅双极晶体管SV2、绝缘栅双极晶体管SV3、绝缘栅双极晶体管SV4和绝缘栅双极晶体管SV5；二极管DV1、二极管DV2、二极管DV3、二极管DV4、二极管DV5；绝缘栅双极晶体管SV1的集电极与二极管DV1的阴极相连并连接到正极点P，绝缘栅双极晶体管SV1的发射极与二极管DV1的阳极相连并连接到绝缘栅双极晶体管SV5的集电极和上输出端V1；绝缘栅双极晶体管SV5的集电极与二极管DV5的阴极相连，绝缘栅双极晶体管SV5的发射极与二极管DV5的阳极相连并连接到绝缘栅双极晶体管SV4的发射极；绝缘栅双极晶体管SV4的发射极与二极管DV4的阳极相连，绝缘栅双极晶体管SV4的集电极与二极管DV4的阴极相连并连接到中点O；绝缘栅双极晶体管SV2的集电极与二极管DV2的阴极相连并连接到上输出端V1，绝缘栅双极晶体管SV2的发射极与二极管DV2的阳极相连并连接到下输出端V2和绝缘栅双极晶体管SV3的集电极；绝缘栅双极晶体管SV3的集电极与二极管DV3的阴极连接，绝缘栅双极晶体管SV3的发射极与二极管DV3的阳极相连并连接到负极点N；W相桥臂包括绝缘栅双极晶体管SW1、绝缘栅双极晶体管SW2、绝缘栅双极晶体管SW3、绝缘栅双极晶体管SW4和绝缘栅双极晶体管SW5；二极管DW1、二极管DW2、二极管DW3、二极管DW4、二极管DW5；绝缘栅双极晶体管SW1的集电极与二极管DW1的阴极相连并连接到正极点P，绝缘栅双极晶体管SW1的发射极与二极管DW1的阳极相连并连接到绝缘栅双极晶体管SW5的集电极和上输出端W1；绝缘栅双极晶体管SW5的集电极与二极管DW5的阴极相连，绝缘栅双极晶体管SW5的发射极与二极管DW5的阳极相连并连接到绝缘栅双极晶体管SW4的发射极；绝缘栅双极晶体管SW4的发射极与二极管DW4的阳极相连，绝缘栅双极晶体管SW4的集电极与二极管DW4的阴极相连并连接到中点O；绝缘栅双极晶体管SW2的集电极与二极管DW2的阴极相连并连接到上输出端W1，绝缘栅双极晶体管SW2的发射极与二极管DW2的阳极相连并连接到下输出端W2和绝缘栅双极晶体管SW3的集电极；绝缘栅双极晶体管SW3的集电极与二极管DW3的阴极连接，绝缘栅双极晶体管SW3的发射极与二极管DW3的阳极相连并连接到负极点N；所述交直流多端口三电平变换器的两组输出端分别为：上组交流输出端U1、V1、W1分别与三相负载ZU、ZV、ZW的相连；下组直流输出端U2、V2、W2分别与电感LU、LV、LW的一端相连，另一端分别连接电容CU、CV、CW的正极与电阻RU、RV、RW的正极，电容CU、CV、CW的负极分别与电阻RU、RV、RW的负极相连并连接到负极点N；其特征是，还包括以下内容：1所述交直流多端口三电平变换器的上组交流输出端x1电位与下组直流输出端x2电位的约束关系为：上组交流输出端x1的电位≥下组直流输出端x2的电位，致使交直流多端口三电平变换器的每相桥臂的5个绝缘栅双极晶体管共有5种合理开关状态：开关状态1：绝缘栅双极晶体管Sx1和Sx3开通，此时，上组交流输出相电压vx1O为Vdc2，下组直流输出端口电压vx2N为0；开关状态2：绝缘栅双极晶体管Sx3、Sx4和Sx5开通，此时，上组交流输出相电压vx1O为0，下组直流输出端口电压vx2N为0；开关状态3：绝缘栅双极晶体管Sx2和Sx3开通，此时，上组交流输出相电压vx1O为-Vdc2,下组直流输出端口电压vx2N为0；开关状态4：绝缘栅双极晶体管Sx1和Sx2开通，此时，上组交流输出相电压vx1O为Vdc2，下组直流输出端口电压vx2N为Vdc；开关状态5：绝缘栅双极晶体管Sx2、Sx4和Sx5开通，此时，上组交流输出相电压vx1O为0，下组直流输出端口电压vx2N为Vdc2；2所述交直流多端口三电平变换器的载波调制方法为：使用两条三角载波vc1和vc2，采用同相层叠方式，即两条三角载波vc1、vc2的相位和频率均相同，且vc1的变化范围为0～1，vc2的变化范围为-1～0；使用上组调制波vU1、vV1、vW1和下组调制波vU2、vV2、vW2分别控制上组三电平交流输出和下组直流输出；上组调制波vU1、vV1、vW1表达式为： 其中ω、φ、m和Voffset分别为上组调制波的角频率、初相角、调制度和直流偏移量，m取值范围为0到1，Voffset值为1-m，上组调制波周期设为T，即T＝2πω；下组调制波vU2、vV2、vW2表达式为： 其中，d为下组调制波vU2、vV2、vW2的调制度；再将上组调制波vU1、vV1、vW1简化定义为vx1，将下组调制波vU2、vV2、vW2简化定义为vx2，其中，x∈{U，V，W}；交直流多端口三电平变换器存在每相桥臂的电位约束条件，致使上组调制波vx1≥下组调制波vx2，这样推导出d取值范围是：0d21-m；调制波vx1、vx2分别与两条三角载波vc1、vc2比较大小，确定上、下组输出端电位，具体比较方法为：①若vx1＞vc1，上组交流输出相电压vx1O为Vdc2；若vx1＜vc2，上组交流输出相电压vx1O为-Vdc2；若vc2≤vx1≤vc1，上组交流输出相电压vx1O为0；②若vx1＞vc1且vx2＞vc2，下组直流输出端口电压vx2N为Vdc；若vc2≤vx1≤vc1且vx2＞vc2，下组直流输出端口电压vx2N为Vdc2；若vx2＜vc2，下组直流输出端口电压vx2N为0；3定义交流输出线电压幅值为Uac，定义直流输出电压幅值为Udc，交流输出线电压幅值Uac与上组正弦调制波的调制度m的关系为： 确定直流输出电压Udc与下组调制波的调制度d的关系方法为，将一个完整周期T的调制波vx1分成3段，即3个时间段T1、T2和T3，①调制波的时间段设为T1；②0≤vx1≤d的时间段设为T2，该时间段不是连续的，时间段T2由T21、T22和T23构成，即满足等式T2＝T21+T22+T23；③调制波的时间段设为T3；3个时间段满足等式T＝T1+T2+T3；①在T1时间段内，将下组直流输出端口电压vx2N为Vdc的时间记为TP1，即TP1＝d·T1；将下组直流输出端口电压vx2N为Vdc2的时间记为TO1，即TO1＝0；下组直流输出端口电压vx2N为0的时间记为TN1，即TN1＝1-d·T1；②在T2时间段内，将下组直流输出端口电压vx2N为Vdc的时间记为TP2，在T2时间段内求解时间TP2的公式为： 将下组直流输出端口电压vx2N为0的时间记为TN2，求解时间TN2的公式为：TN2＝1-d·T2下组直流输出端口电压vx2N为Vdc2的时间记为TO2，求解时间TO2的公式为：TO2＝T2-TP2-TN2＝d-0.5d2·T2③在T3时间段内，将下组直流输出端口电压vx2N为Vdc的时间记为TP3，即TP3＝0；将下组直流输出端口电压vx2N为Vdc2的时间记为TO3，即TO3＝d·T3；下组直流输出端口电压vx2N为0的时间记为TN3，即TN3＝1-d·T3；在一个调制波周期T内，将下组直流输出端口电压vx2N为Vdc的时间记为TP，则TP的表达式为：TP＝TP1+TP2+TP3＝d·T1+0.5·d2·T2在一个调制波周期T内，将下组直流输出端口电压vx2N为Vdc2的时间记为TO，则TO的表达式为：TO＝TO1+TO2+TO3＝d-0.5d2·T2+d·T3在一个调制波周期T内，将下组直流输出端口电压vx2N为0的时间记为TN，则TN的表达式为：TN＝TN1+TN2+TN3＝1-d·T根据伏秒平衡原理，定义直流输出等效开通时间为Ton，则Ton满足的公式为： 根据上式得出直流输出等效开通时间Ton的表达式为：Ton＝d·T1+0.5·d+0.25·d2·T2+0.5·d·T3进一步得出直流输出等效占空比Don的表达式为： 下组直流输出端口电压幅值Udc的表达式为：Udc＝Don·Vdc＝[2d·T1+0.5d2·T2+d·T2+d·T32T]·Vdc4进一步分析生成各个绝缘栅双极晶体管驱动信号的逻辑运算，交直流多端口三电平变换器每相桥臂的5个绝缘栅双极晶体管Sx1～Sx5的驱动信号为sx1～sx5；驱动信号的值为1，表示绝缘栅双极晶体管开通；驱动信号的值为0，表示绝缘栅双极晶体管关断；将上组调制波vx1与载波vc1相比较，根据比较结果，生成绝缘栅双极晶体管Sx1的驱动信号sx1，具体表达式为： 将下组调制波vx2与载波vc2相比较，根据比较结果，生成绝缘栅双极晶体管Sx3的驱动信号sx3，具体表达式为： 将上组调制波vx1与载波vc2相比较，生成信号e1，表达式为： 由信号sx1和信号e1生成信号e2，表达式为：e2＝NOTsx1ANDNOTe1其中，AND为逻辑“与”运算符号，NOT为逻辑“非”运算符号；由信号e1、信号e2、信号sx1和信号sx3生成绝缘栅双极晶体管Sx2的驱动信号sx2，表达式为：sx2＝[sx1ANDNOTsx3]OR[e2ANDNOTsx3]ORe1ANDsx3其中，OR为逻辑“或”运算符号。

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