[发明专利]一种基于三维调制的级联H桥整流器及其控制方法

权利要求书

1.一种基于三维调制的级联H桥整流器的控制方法，其特征在于，所述基于三维调制的级联H桥整流器包括主电路和控制电路，所述主电路包括交流侧电源、电感L、电阻R、第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元，所述第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元均采用单相全控桥拓扑结构，所述第一功率单元包括第一桥臂、第二桥臂、电容C1和负载R1，所述第二功率单元包括第三桥臂、第四桥臂、电容C2和负载R2，所述第三功率单元包括第五桥臂、第六桥臂、电容C3和负载R3，所述控制电路包括前馈解耦控制电路、三维调制控制电路、载波移相电路和检测电路，所述第一桥臂包括第一桥臂上管和第一桥臂下管，所述第二桥臂包括第二桥臂上管和第二桥臂下管，所述第三桥臂包括第三桥臂上管和第三桥臂下管，所述第四桥臂包括第四桥臂上管和第四桥臂下管，所述第五桥臂包括第五桥臂上管和第五桥臂下管，所述第六桥臂包括第六桥臂上管和第六桥臂下管，所述第一桥臂中点与交流侧电感L相连，所述电感L与R相连，所述R为交流回路的等效电阻，所述R与交流侧电源u_s一端相连，所述第二桥臂中点与第三桥臂中点相连，所述第四桥臂中点与第五桥臂中点相连，所述第六桥臂中点与交流侧电源u_s另一端相连，所述第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元均采用全桥单极性调制开关运行模式；

所述级联H桥整流器为单相三级级联H桥整流器，其控制方法的步骤是：

(a)对单相三级级联H桥整流器的主电路的拓扑结构进行分析，建立基于占空比的单相3级级联H桥整流器的数学模型，所述单相3级级联H桥整流器的数学模型如式(1)所示：

式(1)中，C_i、R_i、u_dci分别是第i个功率单元的直流电容、等效负载电阻和直流侧电容电压，D_i为第i个功率单元的占空比，所述i＝1,2,3为级联单元数，D_i取值范围为[-1,1]；u_s、i_s分别为交流电源电压和输入电流；L为交流侧电感；U_con为级联H桥交流侧总电压u_con在一个开关周期内的平均值；

(b)通过单相旋转坐标系变换，得到级联H桥整流器d-q单相旋转坐标系下的数学模型，将输入电流i_s分解成有功电流分量i_d和无功电流分量i_q两部分，所述数学模型如式(2)所示：

式(2)中，i_d和i_q分别为输入电流i_s的有功电流分量和无功电流分量，u_cond和u_conq分别为级联H桥交流侧总电压u_con的有功电压分量和无功电压分量，ω为电源电压角频率,U_m为交流电源电压u_s的幅值；

(c)所述有功电流分量i_d和无功电流分量i_q具有耦合关系，引入i_d和i_q双闭环的方法对所述有功电流分量i_d和无功电流分量i_q进行解耦，实现电压平衡的三维调制控制，建立解耦的数学模型如式(3)所示：

式(3)中，i_d^*、i_q^*分别为有功输入电流分量的给定值和无功输入电流分量的给定值，K_p和K_I分别为有功输入电流闭环控制所采用比例积分调节器的比例系数和积分系数，K_q为无功输入电流闭环控制所采用比例积分调节器的比例系数；

将式(3)代入式(2)，得到式(4)式(4)有功输入电流分量的参考值经电压外环给定，无功分量的给定值设定为零，所述i_d和i_q完成解耦；

(d)所述单相三级级联整流器交流侧电压u_con＝u₁+u₂+u₃，第一功率单元交流侧电压u₁在任意一个开关周期内的平均值为U₁，第二功率单元交流侧电压u₂在任意一个开关周期内的平均值为U₂，第三功率单元交流侧电压u₃在任意一个开关周期内的平均值为U₃，将U₁、U₂和U₃分别作为一个三维空间中的z轴、x轴和y轴，在由U₁、U₂、U₃合成U_con的三维调制空间区域内进行三维调制，所述U₁、U₂、U₃均可取[-u_dci,u_dci]内的任意值，所述i＝1,2,3为级联功率单元数；

(e)根据第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元交流侧电压与其直流侧电压之间的关系可知，U_con的取值为U_con＝U₁+U₂+U₃＝D₁u_dc1+D₂u_dc2+D₃u_dc3，因此在三维调制区中与直线x＝y＝z垂直的平面x+y+z＝u_con上所有调制点所对应的U_con全部相等，定义该平面为β平面，每个U_con的取值都对应一个确定的β平面；其中所述级联H桥整流器交流侧总电压为u_con，所述u_con在一个开关周期内的平均值为U_con

(f)所述U_con在工频周期中按正弦规律变化，其所对应的β平面在(-1,-1,-1)与(1,1,1)之间按正弦规律周期循环，将每个开关周期内所选的调制点连成一条曲线，定义该曲线为α曲线；

(g)选择所述β平面上的任意调制点来合成所对应的U_con，所选调制点在x＝0平面、y＝0平面和z＝0平面的投影即为U₂、U₃和U₁的取值，根据分别确定第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元的占空比；

(h)所述第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元在一个开关周期内吸收的有功功率分别为通过调整调制点在所述β平面上的位置调节各功率单元吸收的有功功率，从而平衡各功率单元直流侧电容电压；

(i)所述第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元的直流侧电压相等时，采用x＝y＝z的曲线调制轨迹，所述第一功率单元、第二功率单元和第三功率单元直流侧电压不相等时，当所述R₁R₂R₃，若要保持三桥直流侧电容电压平衡，在所述三维调制区域内，选取调制轨迹，使调制点偏移，则在一个开关周期T_S内，第一功率单元的占空比D₁的增量ΔD₁最大，第二功率单元的ΔD₂次之，第三功率单元的ΔD₃最小，从而使第一功率单元吸收的有功能量最多，第二功率单元吸收的有功能量次之，第三功率单元吸收的有功能量最少。

2.根据权利要求1所述基于三维调制的级联H桥整流器的控制方法，其特征在于，所述第一功率单元交流侧输入电流为i_s，所述第一功率单元的直流电容、等效负载电阻和直流侧电容电压分别是C₁、R₁、u_dc1，所述第二功率单元的直流电容、等效负载电阻和直流侧电容电压分别是C₂、R₂、u_dc2，所述第三功率单元的直流电容、等效负载电阻和直流侧电容电压分别是C₃、R₃、u_dc3，所述u_s、i_s、u_dc1、u_dc2、u_dc3分别与所述检测电路相连，所述检测电路分别与前馈解耦控制电路、三维调制控制电路相连，所述三维调制控制电路与载波移相电路相连，所述载波移相电路输出PWM波分别控制第一桥臂上管、第一桥臂下管、第二桥臂上管、第二桥臂下管、第三桥臂上管、第三桥臂下管、第四桥臂上管、第四桥臂下管、第五桥臂上管、第五桥臂下管、第六桥臂上管和第六桥臂下管。