SiC器件分裂逆变器双调制波调制方法及系统
- 国知局
- 2024-07-31 17:25:21
本发明属于电力电子,涉及逆变器调制技术,具体地说,涉及一种sic器件分裂逆变器双调制波调制方法及系统。
背景技术:
1、逆变器将直流电变换为交流电,被广泛应用于光伏发电、风力发电等新能源发电系统。传统逆变器采用硅材料功率半导体开关器件。由于硅材料的特性,若要进一步提高新能源逆变器的性能,需要采用新型功率半导体开关器件。碳化硅材料金属氧化物半导体场效应晶体管(以下简称:sic mosfet)是近年来新兴的功率半导体开关器件。相比于传统的硅材料功率半导体开关器件,sic mosfet具有多方面的优异特性,例如,耐压高、工作温度高、开关速度快、开关损耗低等。sic mosfet应用于分裂逆变器,能够使其工作于更高的开关频率,减小无源滤波器的重量和体积,创建比以往更高效、更紧凑的新能源发电系统。
2、sic器件分裂输出逆变器的直流母线通过直流源或电容形成三组电源,参见图1,直流电压源udc为直流母线提供总体电压,直流母线从上往下依次串联模拟母线变化的交流电压源v1、直流母线电容c1、模拟母线变化的交流电压源v2。当逆变器工作时,电源电压会产生波动。当母线电压波动时,传统固定层叠三角载波加死区的调制方法无法满足冲量等效原理,将使sic器件分裂逆变器产生大量电流谐波,输出电流严重畸变。其次,为避免sic器件分裂逆变器,互补sic器件之间需要添加死区,但是会带来死区效应,增加了输出电流谐波。并且,若要在母线波动时满足冲量等效原理,需要使传统调制方法中的层叠三角载波幅值跟随母线电压波动,但在数字控制器中难以实现变化幅值的三角波。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术存在的问题,提供一种sic器件分裂逆变器双调制波调制方法及系统,使用双调制波消除死区效应,减小电流输出谐波,降低电流畸变;使用固定幅值的三角载波,其幅值无需随母线电压波动而变化,在数字控制器中易于实现,使sic器件分裂逆变器在波动母线条件下输出良好的电流波形,提升电能质量。
2、本发明第一方面,提供了一种sic器件分裂逆变器双调制波调制方法,其具体步骤为:
3、载波生成步骤:根据交流电压源v1的电压udc1、直流母线电容c1的电压udc2、原始载波uc得到跟随电容电压变化的层叠载波uc1,根据电压udc2、原始载波uc得到跟随电容电压变化的层叠载波uc2,根据电压udc2、交流电压源v2的电压udc3、原始载波uc得到跟随电容电压变化的层叠载波uc3;
4、单载波生成步骤:根据电压udc1、电压udc2、层叠载波uc1得到层叠载波uc1对应的单载波uc1*,根据电压udc2、层叠载波uc2得到层叠载波uc2对应的单载波uc2*,根据电压udc2、电压udc3、层叠载波uc3得到层叠载波uc3对应的单载波uc3*;将单载波uc1*、单载波uc2*、单载波uc3*相加后乘以0.5,再减100得到单载波ucc;
5、辅助调制波生成步骤:依据k相参考电流ik的极性、k相原始调制波uk、设定幅值δu生成辅助调制波usar,k=a,b,c,若ik>0,辅助调制波usar等于uk+δu,若ik<0,辅助调制波usar等于uk-δu;
6、双调制波生成步骤:根据电压udc1、电压udc2、电压udc3、k相原始调制波uk生成第一调制波ma,根据电压udc1、电压udc2、电压udc3、辅助调制波usar生成第二调制波msar;
7、双调制波选择步骤:k相原始调制波uk减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_1,电压udc2的0.5倍减k相原始调制波uk得到比较信号ucom_2,k相原始调制波uk减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_3,电压udc2的-0.5倍减k相原始调制波uk得到比较信号ucom_4;若ucom_1>0,得到信号ma1等于第一调制波ma,否则得到信号ma1等于-200;若ucom_2>0,得到信号usel_2等于第一调制波ma,否则得到信号usel_2为0;若ucom_3>0,得到信号ma2等于信号usel_2,否则得到信号ma2等于-200;若ucom_4>0,得到信号ma3等于第一调制波ma,否则得到信号ma3为0;辅助调制波usar减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_5,电压udc2的0.5倍减辅助调制波usar得到比较信号ucom_6,辅助调制波usar减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_7,电压udc2的-0.5倍减辅助调制波usar得到比较信号ucom_8;若ucom_5>0,得到信号msar1等于第二调制波msar,否则得到信号msar1等于-200;若ucom_6>0,得到信号usar_sel2等于第二调制波msar,否则得到信号usar_sel2为0;若ucom_7>0,得到信号msar2等于信号usar_sel2,否则得到信号msar2等于-200;若ucom_8>0,得到信号msar3等于第二调制波msar,否则得到信号msar3为0;
8、驱动信号生成步骤:根据参考电流ik、信号ma1、信号msar1、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk1、sk4,根据参考电流ik、信号ma2、信号msar2、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk2、sk5,根据参考电流ik、信号ma3、信号msar3、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk3、sk6。
9、在一些实施例中,在所述载波生成步骤中,得到层叠载波uc1、层叠载波uc2、层叠载波uc3的方法为:
10、电压udc1与原始载波uc相乘,再加上电压udc2的0.5倍得到层叠载波uc1;
11、电压udc2的0.5倍与原始载波uc相乘得到层叠载波uc2;
12、电压udc3与原始载波uc相乘,再减电压udc2的0.5倍得到层叠载波uc3。
13、在一些实施例中,在所述单载波生成步骤中,得到单载波uc1*、单载波uc2*、单载波uc3*的方法为:
14、将层叠载波uc1减电压udc2的0.5倍后,除以电压udc1再乘100,再加100得到单载波uc1*;
15、将层叠载波uc2除以电压udc2的0.5倍后,乘以100得到单载波uc2*;
16、将层叠载波uc3加电压udc2的0.5倍后,除以电压udc3再乘100,再减100得到单载波uc3*。
17、在一些实施例中,在所述双调制波生成步骤中,根据电压udc1、电压udc2、电压udc3、k相原始调制波uk生成第一调制波ma的方法为:
18、将k相原始调制波uk减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_1*;将k相原始调制波uk减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_2*;
19、将k相原始调制波uk减电压udc2的0.5倍后,除以电压udc1再乘以200,之后再减100得到跟随电压udc1变化的信号u1*;将k相原始调制波uk除以电压udc2的0.5倍后,再乘以100得到跟随电压udc2变化的信号u2*;将k相原始调制波uk加电压udc2的0.5倍后,除以电压udc3再乘以200得到跟随电压udc3变化的信号u3*;
20、根据比较信号ucom_1*的大小、信号u1*、信号u2*得到信号u1_2*,若信号ucom_1*>0,信号u1_2*为信号u1*,否则信号u1_2*为信号u2*;
21、根据比较信号ucom_2*的大小、信号u1_2*、信号u3*得到第一调制波ma,若信号ucom_2*>0,第一调制波ma等于信号u1_2*,否则第一调制波ma等于信号u3*。在一些实施例中,在所述双调制波生成步骤中,根据电压udc1、电压udc2、电压udc3、辅助调制波usar生成第二调制波msar的方法为:
22、将辅助调制波usar减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_3*;将辅助调制波usar减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_4*;
23、将辅助调制波usar减电压udc2的0.5倍后,除以电压udc1再乘以200,之后再减100得到跟随电压udc1变化的信号usar1*;将辅助调制波usar除以电压udc2的0.5倍后,再乘以100得到跟随电压udc2变化的信号usar2*;将辅助调制波usar加电压udc2的0.5倍后,除以电压udc3再乘以200得到跟随电压udc3变化的信号usar3*;根据比较信号ucom_3*的大小、信号usar1*、信号usar2*得到信号usar1_2*,若信号ucom_3*>0,信号usar1_4*为信号usar1*,否则信号usar1_2*为信号usar2*;
24、根据比较信号ucom_4*的大小、信号usar1_2*、信号usar3*得到第二调制波msar,若信号ucom_2*>0,第一调制波msar等于信号usar1_2*,否则第二调制波msar等于信号usar3*。
25、在一些实施例中,在所述驱动信号生成步骤中,根据参考电流ik、信号ma1、信号msar1、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk1、sk4的方法为:
26、信号ma1与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当ma1>ucc时,得到信号sa_11=1,信号sa_10=0,否则信号sa_11=0,信号sa_10=1;
27、信号msar1与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当msar1>ucc时,得到信号ssar_11=1,信号ssar_10=0,否则信号ssar_11=0,信号ssar_10=1;
28、当ik>0时,k相驱动信号sk1=sa_11、k相驱动信号sk4=ssar_10,当ik≤0时,k相驱动信号sk1=ssar_11、k相驱动信号sk4=sa_10。
29、在一些实施例中,在所述驱动信号生成步骤中,根据参考电流ik、信号ma2、信号msar2、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk2、sk5的方法为:
30、信号ma2与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当ma2>ucc时,得到信号sa_21=1,信号sa_20=0,否则信号sa_21=0,信号sa_20=1;
31、信号msar2与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当msar2>ucc时,得到信号ssar_21=1,信号ssar_20=0,否则信号ssar_21=0,信号ssar_20=1;
32、当ik>0时,k相驱动信号sk2=sa_21、k相驱动信号sk5=ssar_20,当ik≤0时,k相驱动信号sk2=ssar_21、k相驱动信号sk5=sa_20。
33、在一些实施例中,在所述驱动信号生成步骤中,根据参考电流ik、信号ma3、信号msar3、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk3、sk6的方法为:
34、信号ma3与单载波ucc通过“≥”进行逻辑运算,当ma3≥ucc时,得到信号sa_31=1,信号sa_30=0,否则信号sa_31=0,信号sa_30=1;
35、信号msar3与单载波ucc通过“≥”进行逻辑运算,当msar3≥ucc时,得到信号ssar_31=1,信号ssar_30=0,否则信号ssar_31=0,信号ssar_30=1;
36、当ik>0时,k相驱动信号sk3=sa_31、k相驱动信号sk6=ssar_30,当ik≤0时,k相驱动信号sk3=ssar_31、k相驱动信号sk6=sa_30。
37、本发明第二方面,提供了一种sic器件分裂逆变器双调制波调制系统,包括:载波生成模块,根据交流电压源v1的电压udc1、直流母线电容c1的电压udc2、原始载波uc得到跟随电容电压变化的层叠载波uc1,根据电压udc2、原始载波uc得到跟随电容电压变化的层叠载波uc2,根据电压udc2、交流电压源v2的电压udc3、原始载波uc得到跟随电容电压变化的层叠载波uc3;
38、单载波生成模块,根据电压udc1、电压udc2、层叠载波uc1得到层叠载波uc1对应的单载波uc1*,根据电压udc2、层叠载波uc2得到层叠载波uc2对应的单载波uc2*,根据电压udc2、电压udc3、层叠载波uc3得到层叠载波uc3对应的单载波uc3*;将单载波uc1*、单载波uc2*、单载波uc3*相加后乘以0.5,再减100得到单载波ucc;
39、辅助调制波生成模块,依据参考电流ik的极性、k相原始调制波uk、设定幅值δu生成辅助调制波usar,k=a,b,c,若ik>0,辅助调制波usar等于uk+δu,若ik<0,辅助调制波usar等于uk-δu;
40、第一调制波生成模块,根据电压udc1、电压udc2、电压udc3、k相原始调制波uk生成第一调制波ma;
41、第二调制波生成模块,根据电压udc1、电压udc2、电压udc3、辅助调制波usar生成第二调制波msar;
42、第一调制波选择模块,k相原始调制波uk减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_1,电压udc2的0.5倍减k相原始调制波uk得到比较信号ucom_2,k相原始调制波uk减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_3,电压udc2的-0.5倍减k相原始调制波uk得到比较信号ucom_4;若ucom_1>0,得到信号ma1等于第一调制波ma,否则得到信号ma1等于-200;若ucom_2>0,得到信号usel_2等于第一调制波ma,否则得到信号usel_2为0;若ucom_3>0,得到信号ma2等于信号usel_2,否则得到信号ma2等于-200;若ucom_4>0,得到信号ma3等于第一调制波ma,否则得到信号ma3为0;
43、第二调制波选择模块,辅助调制波usar减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_5,电压udc2的0.5倍减辅助调制波usar得到比较信号ucom_6,辅助调制波usar减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_7,电压udc2的-0.5倍减辅助调制波usar得到比较信号ucom_8;若ucom_5>0,得到信号msar1等于第二调制波msar,否则得到信号msar1等于-200;若ucom_6>0,得到信号usar_sel2等于第二调制波msar,否则得到信号usar_sel2为0;若ucom_7>0,得到信号msar2等于信号usar_sel2,否则得到信号msar2等于-200;若ucom_8>0,得到信号msar3等于第二调制波msar,否则得到信号msar3为0;
44、驱动信号生成模块,根据参考电流ik、信号ma1、信号msar1、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk1、sk4,根据参考电流ik、信号ma2、信号msar2、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk2、sk5,根据参考电流ik、信号ma3、信号msar3、单载波ucc的大小生成k相驱动信号sk3、sk6。
45、在一些实施例中,所述载波生成模块包括:
46、载波生成模块ⅰ,电压udc1与原始载波uc相乘,再加上电压udc2的0.5倍得到层叠载波uc1;
47、载波生成模块ⅱ,电压udc2的0.5倍与原始载波uc相乘得到层叠载波uc2;
48、载波生成模块ⅲ,电压udc3与原始载波uc相乘,再减电压udc2的0.5倍得到层叠载波uc3。
49、在一些实施例中,所述单载波生成模块包括:
50、单载波生成模块ⅰ,将层叠载波uc1减电压udc2的0.5倍后,除以电压udc1再乘100,再加100得到单载波uc1*;
51、单载波生成模块ⅱ,将层叠载波uc2除以电压udc2的0.5倍后,乘以100得到单载波uc2*;
52、单载波生成模块ⅲ,将层叠载波uc3加电压udc2的0.5倍后,除以电压udc3再乘100,再减100得到单载波uc3*;
53、单载波计算模块,将单载波uc1*、单载波uc2*、单载波uc3*相加后乘以0.5,再减100得到单载波ucc。
54、在一些实施例中,所述第一调制波生成模块包括:
55、第一比较信号生成模块,将k相原始调制波uk减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_1*,将k相原始调制波uk减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_2*;信号生成模块ⅰ,将k相原始调制波uk减电压udc2的0.5倍后,除以电压udc1再乘以200,之后再减100得到跟随电压udc1变化的信号u1*;将k相原始调制波uk除以电压udc2的0.5倍后,再乘以100得到跟随电压udc2变化的信号u2*;将k相原始调制波uk加电压udc2的0.5倍后,除以电压udc3再乘以200得到跟随电压udc3变化的信号u3*;
56、第一比较模块,根据比较信号ucom_1*的大小、信号u1*、信号u2*得到信号u1_2*,若信号ucom_1*>0,信号u1_2*为信号u1*,否则信号u1_2*为信号u2*;
57、第二比较模块,根据比较信号ucom_2*的大小、信号u1_2*、信号u3*得到第一调制波ma,若信号ucom_2*>0,第一调制波ma等于信号u1_2*,否则第一调制波ma等于信号u3*。
58、在一些实施例中,所述第二调制波生成模块包括:
59、第二比较信号生成模块,将辅助调制波usar减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_3*;将辅助调制波usar减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_4*;
60、信号生成模块ⅱ,将辅助调制波usar减电压udc2的0.5倍后,除以电压udc1再乘以200,之后再减100得到跟随电压udc1变化的信号usar1*;将辅助调制波usar除以电压udc2的0.5倍后,再乘以100得到跟随电压udc2变化的信号usar2*;将辅助调制波usar加电压udc2的0.5倍后,除以电压udc3再乘以200得到跟随电压udc3变化的信号usar3*;
61、第三比较模块,根据比较信号ucom_3*的大小、信号usar1*、信号usar2*得到信号usar1_2*,若信号ucom_3*>0,信号usar1_2*为信号usar1*,否则信号usar1_2*为信号usar2*;
62、第四比较模块,根据比较信号ucom_4*的大小、信号usar1_2*、信号usar3*得到第二调制波msar,若信号ucom_4*>0,第二调制波msar等于信号usar1_2*,否则第二调制波msar等于信号usar3*。
63、在一些实施例中,所述第一调制波选择模块包括:
64、第三比较信号生成模块,将k相原始调制波uk减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_1,将电压udc2的0.5倍减k相原始调制波uk得到比较信号ucom_2,将k相原始调制波uk减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_3,将电压udc2的-0.5倍减k相原始调制波uk得到比较信号ucom_4;
65、第五比较模块,若ucom_1>0,输出信号ma1等于第一调制波ma,否则输出信号ma1等于-200;
66、第六比较模块,若ucom_2>0,输出信号usel_2等于第一调制波ma,否则输出信号usel_2为0;
67、第七比较模块,若ucom_3>0,输出信号ma2等于信号usel_2,否则输出信号ma2等于-200;
68、第八比较模块,若ucom_4>0,输出信号ma3等于第一调制波ma,否则输出信号ma3为0;
69、在一些实施例中,所述第二调制波选择模块包括:
70、第四比较信号生成模块,将辅助调制波usar减电压udc2的0.5倍得到比较信号ucom_5,将电压udc2的0.5倍减辅助调制波usar得到比较信号ucom_6,将辅助调制波usar减电压udc2的-0.5倍得到比较信号ucom_7,将电压udc2的-0.5倍减辅助调制波usar得到比较信号ucom_8;
71、第九比较模块,若ucom_5>0,输出信号msar1等于第二调制波msar,否则输出信号msar1等于-200;
72、第十比较模块,若ucom_6>0,输出信号usar_sel2等于第二调制波msar,否则输出信号usar_sel2为0;
73、第十一比较模块,若ucom_7>0,输出信号msar2等于信号usar_sel2,否则输出信号msar2等于-200;
74、第十二比较模块,若ucom_8>0,输出信号msar3等于第二调制波msar,否则输出信号msar3为0。
75、在一些实施例中,所述驱动信号生成模块包括:
76、第一逻辑运算模块,将信号ma1与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当ma1>ucc时,输出信号sa_11=1,信号sa_10=0,否则输出信号sa_11=0,信号sa_10=1;
77、第二逻辑运算模块,将信号msar1与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当msar1>ucc时,输出信号ssar_11=1,信号ssar_10=0,否则输出信号ssar_11=0,信号ssar_10=1;
78、第三逻辑运算模块,将信号ma2与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当ma2>ucc时,输出信号sa_21=1,信号sa_20=0,否则输出信号sa_21=0,信号sa_20=1;
79、第四逻辑运算模块,将信号msar2与单载波ucc通过“>”进行逻辑运算,当msar2>ucc时,输出信号ssar_21=1,信号ssar_20=0,否则输出信号ssar_21=0,信号ssar_20=1;
80、第五逻辑运算模块,将信号ma3与单载波ucc通过“≥”进行逻辑运算,当ma3≥ucc时,输出信号sa_31=1,信号sa_30=0,否则输出信号sa_31=0,信号sa_30=1;
81、第六逻辑运算模块,将信号msar3与单载波ucc通过“≥”进行逻辑运算,当msar3≥ucc时,输出信号ssar_31=1,信号ssar_30=0,否则输出信号ssar_31=0,信号ssar_30=1;
82、第十三比较模块,当ik>0时,输出k相驱动信号sk1=sa_11,当ik≤0时,输出k相驱动信号sk1=ssar_11;
83、第十四比较模块,当ik>0时,输出k相驱动信号sk4=ssar_10,当ik≤0时,输出k相驱动信号sk4=sa_10;
84、第十五比较模块,当ik>0时,输出k相驱动信号sk2=sa_21,当ik≤0时,输出k相驱动信号sk2=ssar_21;
85、第十六比较模块,当ik>0时,输出k相驱动信号sk5=ssar_20,当ik≤0时,输出k相驱动信号sk5=sa_20;
86、第十七比较模块,当ik>0时,输出k相驱动信号sk3=sa_31,当ik≤0时,输出k相驱动信号sk3=ssar_31;
87、第十八比较模块,当ik>0时,输出k相驱动信号sk6=ssar_30,当ik≤0时,输出k相驱动信号sk6=sa_30。
88、与现有技术相比,本发明的优点和积极效果在于:
89、本发明提供的sic器件分裂逆变器双调制波调制方法及系统,根据模拟母线变化的两个交流电压源的电压、直流母线电容的电压、原始载波得到跟随电容电压变化的三个层叠载波;根据交流电压源和直流母线电容的电压和三个层叠载波得到单载波;依据参考电流的极性、原始调制波、设定幅值生成辅助调制波;根据模拟母线变化的两个交流电压源的电压、直流母线电容的电压、原始调制波生成第一调制波,根据模拟母线变化的两个交流电压源的电压、直流母线电容的电压、辅助调制波生成第二调制波;根据原始调制波和辅助调制波的大小、第一调制波、第二调制波选择调制波,根据参考电流、单载波、选择的调制波生成驱动信号。本发明一方面使用双调制波消除死区效应,减小电流输出谐波,降低电流畸变,能够使调制策略在母线电压波动条件下输出波形良好的电流波形,提升电能质量;另一方面,仅使用一个固定幅值的三角载波,其幅值无需随母线电压波动而变化,易于在数字控制器中实现。
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