一種基于中點(diǎn)電流的三電平npc逆變器中點(diǎn)電位均衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于中點(diǎn)電流的三電平NPC逆變器 中點(diǎn)電位均衡控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三電平中點(diǎn)箝位型（NPC)逆變器相對于兩電平拓?fù)?，具有可有效降低輸出電壓諧 波含量、減小開關(guān)管電壓應(yīng)力、減小電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于新能源發(fā)電、有源電 力濾波器（APF)、柔性交流輸電（FACTS)、電機(jī)驅(qū)動等中高壓、大功率場合，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1所示。
[0003] 三電平NPC變換器拓?fù)渲绷鱾?cè)母線必須使用兩個電容串聯(lián)，交流側(cè)才能輸出三電 平的相電壓和五電平的線電壓。理論上，每個電容電壓是直流母線電壓的一半，但是由于 電路非理想因素的存在、兩個電容參數(shù)的不一致、三相負(fù)載電流不對稱以及負(fù)載電流中的 低次諧波分量，都可能導(dǎo)致實(shí)際的兩個電容電壓之間存在偏差。一般將中點(diǎn)電位的不平衡 分為中點(diǎn)電位的直流不平衡和中點(diǎn)電位的交流不平衡，其中，中點(diǎn)電位交流不平衡又包含 中點(diǎn)電位的低頻波動和高頻紋波。中點(diǎn)電位直流不平衡會在三電平NPC逆變器交流側(cè)輸出 電壓中引入大量的偶次諧波分量，尤其是二次諧波分量，降低了逆變器輸出電壓的波形質(zhì) 量。同時，直流不平衡會導(dǎo)致三電平NPC逆變器功率開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力不一致，可能 損壞開關(guān)器件，影響系統(tǒng)的正常工作。因此，如何實(shí)現(xiàn)三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位的均衡控 制，抑制直流母線電容電壓之間的直流偏差具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的
[0005] 本發(fā)明針對三電平NPC逆變器固有的中點(diǎn)電位平衡問題，提出一種基于中點(diǎn)電流 的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位均衡控制方法，通過實(shí)時的調(diào)節(jié)三相調(diào)制波，以實(shí)現(xiàn)對三電 平NPC逆變器中點(diǎn)電位的均衡控制，抑制直流母線電容電壓之間的直流偏差，從而提高三 電平NPC逆變器的實(shí)用性。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] -種基于中點(diǎn)電流的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位均衡控制方法，具體為：實(shí)時采 樣三電平NPC逆變器主電路直流側(cè)母線電容電壓Udel、電容電壓Ude2和中點(diǎn)電流i。，將采樣 得到的電容電壓I^1和u ^接入求和電路J，經(jīng)過差運(yùn)算得到電容電壓差值Δ u，將電容電壓 差值A(chǔ)U，中點(diǎn)電流L以及三相原始調(diào)制波（Vnia、Vnib、 V|J送入中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)器，得到三相調(diào) 制波、vJ )，用得到的三相調(diào)制波分別與三角載波Cup和三角載波Cd_進(jìn)行比 較，得到a相開關(guān)管的驅(qū)動信號PWMa，b相開關(guān)管的驅(qū)動信號PWMb，c相開關(guān)管的驅(qū)動信號 PWMc，以控制逆變器開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)電位的調(diào)節(jié)。
[0008] 其中，中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)器的具體實(shí)現(xiàn)算法如下：
[0010] 式中，vmk(k = a，b，c)為三相原始調(diào)制波，vmk' (k = a，b，c)為三相調(diào)制波， sign[ ·]為符號函數(shù)，其定義為：
[0011] 根據(jù)中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)算法可知，在調(diào)制比m大于力/3和調(diào)制比m小于等于 力/3時，二相原始調(diào)制波的調(diào)節(jié)方法有所差異。以a相為例，當(dāng)調(diào)制比m大于^/3時，在a 相原始調(diào)制波vma上減去均壓調(diào)節(jié)量sign [v ma] sign [i。] Δ u ;當(dāng)調(diào)制比m小于等于/ 3時， 在a相原始調(diào)制波Vma上加上均壓調(diào)節(jié)量sign [vma] sign [i。] Au。
[0012] 三相開關(guān)管的驅(qū)動信號由載波層疊 PffM方法得到，其中三角載波Cup位于零參考 之上，最小值為〇,三角載波Cd_位于零參考線之下，最大值為0,兩者幅值、頻率、相位均相 同。以a相為例，當(dāng)a相調(diào)制波Vnia'大于三角載波Cup時，則a相輸出正電平，對應(yīng)的輸出 電平狀態(tài)為1，此時開關(guān)管Qal、Qa2開通；當(dāng)a相調(diào)制波V m'小于三角載波Cup，大于三角載 波CdmJt，則a相輸出零電平，對應(yīng)的輸出電平狀態(tài)為0,此時開關(guān)管Q a2Qa3開通；當(dāng)a相調(diào) 制波V1J小于三角載波Cd_時，則a相輸出負(fù)電平，對應(yīng)的輸出電平狀態(tài)為-1，此時開關(guān)管 Qa3、Qa4開通。
[0013] 技術(shù)效果
[0014] 本發(fā)明實(shí)時采樣電容電壓和中點(diǎn)電流來對三相原始調(diào)制波進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后得 到的三相調(diào)制波與三角載波進(jìn)行比較輸出開關(guān)管的驅(qū)動信號，以控制逆變器開關(guān)管的工作 狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)電位的控制。該方法能夠有效地均衡三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位，抑 制中點(diǎn)電位的直流不平衡，改善逆變器輸出電壓波形質(zhì)量，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。同 時，本發(fā)明只需簡單的參數(shù)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)電位的調(diào)節(jié)，方法簡單，實(shí)時性好，控制精 度高，提高了三電平NPC逆變器的實(shí)用性。
【附圖說明】
[0015] 圖1是三相三電平NPC逆變器主電路拓?fù)洹?br>[0016] 圖2是本發(fā)明所提的基于中點(diǎn)電流的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位均衡控制方法的 控制結(jié)構(gòu)框圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明方法應(yīng)用于電容電壓差值A(chǔ)u大于零，調(diào)制比m大于力/3,功率因 數(shù)角為〇°時，某三角載波周期內(nèi)三電平NPC逆變器三相輸出電平狀態(tài)的調(diào)節(jié)效果。
[0018] 圖4是本發(fā)明方法應(yīng)用于電容電壓差值A(chǔ)u大于零，調(diào)制比m小于等于VJ/3,功 率因數(shù)角為〇°時，某三角載波周期內(nèi)三電平NPC逆變器三相輸出電平狀態(tài)的調(diào)節(jié)效果。
[0019] 圖5是應(yīng)用本發(fā)明方法后，電容電壓均衡控制效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明：
[0021] 圖1為三相三電平NPC逆變器主電路拓?fù)?，直流?cè)母線電壓為Ud。，母線電容(^和 母線電容C2的電容電壓分別為u &和u ^，設(shè)電容電壓差值Δ u = udd-u&2，當(dāng)電容電壓均衡 時，電容電壓差值A(chǔ)u = 0,此時每相可輸出三種電平+1^。/2、0、-1^/2，對應(yīng)的輸出電平狀態(tài) 分別為1、〇、-1。因此三相總共可以輸出27種電平狀態(tài)組合，根據(jù)每種輸出電平狀態(tài)組合 合成電壓幅值的大小，又將27種電平狀態(tài)組合分成3個零矢量、12個小矢量、6個中矢量和 6個大矢量，其中當(dāng)輸出電平狀態(tài)組合為零矢量和大矢量時，中點(diǎn)電流L為0。在其它矢量 下，中點(diǎn)電流i。和三相負(fù)載電流（i a、ib、U的關(guān)系如表1所示。
[0022] 表1中小矢量下負(fù)載電流與中點(diǎn)電流的關(guān)系
[0024] 根據(jù)電容電流idd、i&2、中點(diǎn)電流i。的參考方向，可得：
[0026] 假設(shè)C1= C2= C，式⑴可以簡化得到式（2)。
[0028] 式中，ΔΤ為中點(diǎn)電流極性保持不變的持續(xù)時間，Q為流進(jìn)中點(diǎn)的電荷量。由式（2) 可知，可以通過改變流進(jìn)中點(diǎn)電荷量Q來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位平衡。
[0029] 當(dāng)ud(：1> u d(：2,即電容電壓差值Δ u > 0時，令Q = -abs (Q) (abs ( ·)為絕對值函 數(shù)），則通過增加流進(jìn)中點(diǎn)電荷量來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位，設(shè)流進(jìn)中點(diǎn)電荷變化量為A Q，此時AQ > 〇,由式（3)可知，電容電壓差值A(chǔ)u減小趨近于零。
[0031] 當(dāng)UtfclC u d(：2，即電容電壓差值A(chǔ)uCO時，令Q = abs (Q)，則可以通過減少流進(jìn)中 點(diǎn)電荷量來實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡，此時AQ < 〇,由式（4)可知，電容電壓差值A(chǔ)u增大趨近于零。
[0033] 當(dāng)中點(diǎn)電位不平衡時，可以通過改變流進(jìn)中點(diǎn)電荷量來均衡電容電壓，本發(fā)明從 中點(diǎn)電流出發(fā)，綜合考慮中點(diǎn)電流極性、三相原始調(diào)制波極性以及電容電壓差值，提出了 一種基于中點(diǎn)電流的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位均衡控制方法，以達(dá)到均衡中點(diǎn)電位的目 的，圖2給出了本發(fā)明所提的基于中點(diǎn)電流的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位均衡控制方法的 控制結(jié)構(gòu)框圖，控制流程具體方法如下：
[0034] 步驟1、實(shí)時采樣三電平NPC逆變器主電路直流側(cè)母線電容電壓Udel、U de2和中點(diǎn) 電流i。，將采樣得到的電容電壓I^1和u ^接入求和電路J，經(jīng)過差運(yùn)算得到電容電壓差值 Λ U0
[0035] 步驟2、將電容電壓差值A(chǔ)u，中點(diǎn)電流i。以及三相原始調(diào)制波（vma、v mb、vm。）送入 中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)器，得到三相調(diào)制波（vj)，具體實(shí)現(xiàn)算法如下：
[0037] 式中，vmk(k = a，b，c)為三相原始調(diào)制波，vmk' (k = a，b，c)為三相調(diào)制波， sign[ ·]為符號函數(shù)，其定義如下：
[0039] 根據(jù)中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)算法可知，在調(diào)制比m大于^/3和調(diào)制比m小于等于 力/3時，二相原始調(diào)制波的調(diào)節(jié)方法有所差異。以a相為例，當(dāng)調(diào)制比m大于力/3時，在a 相原始調(diào)制波vma上減去均壓調(diào)節(jié)量sign [vma] sign [i J Δ u ;當(dāng)調(diào)制比m小于等于VJ/3時， 在a相原始調(diào)制波Vma上加上均壓調(diào)節(jié)量sign [vm