[发明专利]变流器最大线性输出脉宽调制

说明书

技术领域

本发明涉及对变流器功率器件进行控制的脉宽调制方案，适用于电压源变流器应用领域。本发明与传统方案相比具有更大的线性输出区间。

背景技术

变流器开关器件必须在安全开关区域内工作。由于杂散电感的影响，电压源变流器直流母线电压被限定在一定范围之内。对于给定直流电压，交流输出电压受脉宽调制方法、死区时间和最小脉宽的影响。

如图1所示，三相全桥电压源型变流器单相桥臂包含上下桥臂两个开关器件，电流方向定义以输出变流器为正向。由于电压源特性，两个开关器件不能同时打开，引入死区时间，延迟器件打开以保证对称器件有足够时间关断。如图2所示，在死区时间内，电流方向影响输出电压。无论电流为正或负，输出电压都无法真实反映输出指令。死区时间的影响补偿可依据电流方向对输出脉冲进行左右偏移或通过补偿调制波来实现。关于死区时间补偿已有大量学术论文及专利论述，在本专利中不在赘述。

如图3及图4所示，对于给定死区时间和最小脉宽，当电流为正时可调制正输出脉宽最大值被限定，当电流为负时，可调制负输出脉宽最大值被限定。可调制最大输出脉宽可计算为：

1－(2 ×死区时间＋最小脉宽）×开关频率。

因此，对于三相系统，当一相输出为最大正脉宽，一相输出为最大负脉宽时，输出线电压可为最大。如图5所示，当A 相输出最大负脉宽，C相输出最大正脉宽，输出线电压AC 脉宽可最大化。

当输出脉宽在这一最大脉宽范围内，变流器输出脉宽可线性调变。因此这一输出范围被称为线性输出区间。在线性输出区间范围内，如果死区时间得到适当补偿，输出指令可以被准确反映。

为表述最大线性调制区间，调制深度定义为：

调制深度=线电压峰值/直流电压。

对于传统脉宽调制方案，最大调制深度可计算为：

1－2 ×(2 ×死区时间＋最小脉宽）×开关频率。

在理想条件下，无死区时间和最小脉宽的影响，最大调制深度为100%。

超出最大调制深度的区间为非线性调制区间，在这一区间内，由于最小脉宽和死区时间的限制，交流输出无法线性调制。如图6所示，如果保留最小脉宽，交流线电压在非线性输出区间将饱和。如图7所示，如果放弃最小脉宽，交流线电压输出将跳变为全直流电压。

对于主流常见风电变流器，690V 交流额定电压，1700V 开关器件，为达到系统最优化设计，开关频率通常在2kHz以上，这里可以先设为2.45kHz。如死区时间为4us，最小脉宽为5us，最大调制深度可计算为：93.6%。这一调制深度无法满足很多应用场合。

由于电网动态特性要求，例如低压穿越反穿电压，网侧变流器通常要求输出高于电网额定值的交流电压。另外，电机过调速需求也要求变流器对最大化其交流输出电压。

因此，改进传统脉宽调制方案，最大化线性调制区间和提高最大调制深度已经成为一种趋势和必然要求。

发明内容

本发明的目的是：

基于断续脉宽调制，提供一种电压源型变流器最大线性输出的脉宽调制方案，变流器最大程度利用给定直流电压，输出交流电压。相比于传统方案在增加的线性输出区间内，波形质量高无低次谐波分量。同时，本发明可有效减少开关器件开关次数，提高系统效率，降低开关器件节温，提高器件使用寿命或在相同节温下实现更高输出电流。

为达到上述目的，本发明的构思是：

为了达到比目前传统变流器脉宽调制方案更高的线性调制区间，采用断续脉宽调制，在基波周期内，任意时刻，三相六个器件之一钳位于正或负直流电压。钳位相输出脉宽为全脉宽，其余两相为可调制脉宽。图8中示例出三种常见断续脉宽调制方案。

对于三相断续脉宽调制，在某一固定时刻，仅有一相输出处于钳位状态，因此有必要最大化可调制相输出脉宽以实现最大输出线电压。

为达到此目的，本发明在断续脉宽调制的基础上消除死区时间在可调制最大脉宽中的影响。如图9和图10所示开关信号时序和实际相电压输出中，可调制最大输出脉宽无死区时间影响，达到理论最高值：

1－最小脉宽×开关频率。

基于以上所述，对于三相系统，当一相钳位输出全脉宽，一相非钳位输出可调制最大脉宽时，输出线电压可为最大。如图11所示，当A 相输出可调制最大负脉宽，C相输出全正脉宽，输出线电压AC可最大化。此时，最大调制深度可计算为：

1－最小脉宽×开关频率。