一種三電平npc逆變器中點電位平衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及驅(qū)動電機的功率變換器控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于零序電壓注入載 波調(diào)制和雙調(diào)制波調(diào)制原理的三電平NPC逆變器的控制方法，用于解決中點電位不平衡的 問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 中高壓大功率場合，相比于傳統(tǒng)兩電平變換器，多電平變換器在相同開關(guān)頻率下 具有更好的輸出電壓和電流質(zhì)量，且每個開關(guān)管承受的電壓和輸出電壓du/dt顯著減小， 因而得到了廣泛的應(yīng)用。三電平中點箝位（neutral-point-clamped，NPC)逆變器是一種常 用的多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)，且已在風力發(fā)電、光伏發(fā)電、機車牽引等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
[0003] 三電平NPC逆變器米用正弦脈寬調(diào)制（sinusoidalpulse-widthmodulation， SPWM)策略和傳統(tǒng)空間矢量脈寬調(diào)制（spacevectorpulse-widthmodulation，SVPWM)策 略進行調(diào)制時，由于電容充放電不均，存在中點電位不平衡的問題。如不加以控制，輸出電 壓的波形質(zhì)量會受到較大的影響，嚴重時可能導致功率器件的損壞。此外，中點電位不平衡 也對電容的容量及功率器件的耐壓等級提出了更高的要求。目前，為解決此問題，學者們提 出了許多優(yōu)化調(diào)制方法，主要有：
[0004] (1)單調(diào)制波載波調(diào)制方法，通過向三相正序參考電壓中注入零序電壓來使得平 均中點電流為零，達到平衡中點電位的目的?，F(xiàn)有的通過調(diào)整小矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)來使 中點電位平衡的空間矢量調(diào)制方法本質(zhì)上與其相同。這類方法的一個固有缺點是存在中點 電位不可控區(qū)，即在調(diào)制度較高、負載功率因數(shù)較小的情況下，無論注入何種零序電壓均不 能保證中點電位平衡；
[0005] (2)雙調(diào)制波載波調(diào)制方法，通過雙調(diào)制波原理將原有調(diào)制波分解為特定的正、負 調(diào)制波來使平均中點電流為零，達到平衡中點電位的目的?，F(xiàn)有的通過將逆變器的27個矢 量合成為虛擬矢量來使中點電位平衡的虛擬空間矢量調(diào)制方法本質(zhì)上與其相同。這類方法 在實現(xiàn)中點電位平衡時不存在中點電位不可控區(qū)，但是會增加功率開關(guān)管的開關(guān)頻率至未 進行分解時的4/3倍。
[0006] 上述現(xiàn)有技術(shù)雖然能實現(xiàn)三電平NPC逆變器的中點電位平衡，但卻存在中點電位 不可控區(qū)或以犧牲功率開關(guān)管的開關(guān)頻率作為代價。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種三電平NPC逆變器中點電位平衡控制方法，本發(fā)明可以在不增 加功率開關(guān)管開關(guān)頻率的前提下實現(xiàn)中點電位的平衡，而且不存在中點電位不可控區(qū)，詳 見下文描述：
[0008] 一種三電平NPC逆變器中點電位平衡控制方法，所述中點電位平衡控制方法包括 以下步驟：
[0009] 對三相正序電壓注入零序電壓后獲取到的三相參考電壓進行調(diào)制波分解，獲取滿 足中點電位平衡的三相正、負調(diào)制波表達式；
[0010] 以功率開關(guān)管的開關(guān)頻率作為指標對取值范圍內(nèi)的零序電壓進彳丁優(yōu)化選??；
[0011] 利用正調(diào)制波補償策略提高抗干擾能力；將補償后的調(diào)制波與載波進行比較，最 終得到三電平NPC逆變器所有功率開關(guān)管的開關(guān)序列。
[0012] 所述以功率開關(guān)管的開關(guān)頻率作為指標對取值范圍內(nèi)的零序電壓進行優(yōu)化選取 的原則具體為：
[0013] 選取除Vni以外的零序電壓可取值范圍邊界作為最終所注入的零序電壓v。；
[0014] 為了保證調(diào)制波形的連續(xù)性，V。選則連續(xù)曲線；
[0015] 其中，\為能使4 -V；； =1的零序電壓可取值范圍的邊界A和4為三相正序參考 電壓的中間相y相的正、負調(diào)制波。
[0016] 所述利用正調(diào)制波補償策略提高抗干擾能力具體為：
[0017]
[0018] 式中，ie(￡1，13，(3)，1^是1相的補償電壓；￥11^為1相的參考電壓 ；11為1相的負 載電流；L為i相的正調(diào)制波；AUe=Ua-Ue2，U"和υε2為電容電壓；&(1 +t)為補償策略所 用PI控制器的傳遞函數(shù)，控制器中kp為比例項系數(shù)，1為積分項系數(shù)，s為拉氏變換所用 的復變量。
[0019] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0020] (1)本發(fā)明對三相正序電壓注入零序電壓后得到的三相參考電壓進行調(diào)制波分 解，并構(gòu)造了調(diào)制波分解后的中點電位平衡條件，與現(xiàn)有的單調(diào)制波零序電壓注入載波調(diào) 制方法相比，本發(fā)明拓展了滿足中點電位平衡的零序電壓的可取值范圍，且不存在中點電 位不可控區(qū)。
[0021] (2)本發(fā)明以功率器件的開關(guān)頻率作為指標對分解后零序電壓可取值范圍內(nèi)的零 序電壓進行優(yōu)化選取，注入優(yōu)化選取的零序電壓并進行調(diào)制波分解后，功率器件的開關(guān)頻 率較現(xiàn)有的雙調(diào)制波載波調(diào)制方法減小了 25%。
【附圖說明】
[0022] 圖1為三電平NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖2為兩種不同分解情況下的調(diào)制波與開關(guān)序列示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明中點電位平衡控制方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖；
[0025] 圖4為三相正序參考電壓及區(qū)間劃分示意圖；
[0026] 圖5a為負載功率因數(shù)角為-π/3，me(〇, 1]，Θe[0,π/3]時的vQ_(m，Θ)和 v〇min(m,θ)曲面圖；
[0027] 圖5b為負載功率因數(shù)角為-π/6，me(〇, 1]，Θe[0,π/3]時的vQ_(m，θ)和 v〇min(m,θ)曲面圖；
[0028] 圖5c為負載功率因數(shù)角為π/6,me(〇, 1]，Θe[0,π/3]時的vQ_(m，θ)和 v〇min(m,θ)曲面圖；
[0029] 圖5d為負載功率因數(shù)角為π/3,me(〇, 1]，Θe[0,π/3]時的vQ_(m，Θ)和 v〇min(m,θ)曲面圖；
[0030] 圖6為Θe[0,jt/3]時現(xiàn)有單調(diào)制波方法與本方法的開關(guān)序列對比示意圖；
[0031] 圖7為m= 0· 7,識=71/3時優(yōu)化選取的ν0(Θ)曲線圖；
[0032] 圖8為傳統(tǒng)單調(diào)制波方法、現(xiàn)有的雙調(diào)制波調(diào)制方法與本方法的調(diào)制波、電容電 壓及開關(guān)管Sal的開關(guān)序列對比示意圖；
[0033] 圖9a為m= 0. 3、ρ=π/3時本方法與現(xiàn)有單調(diào)制波方法的調(diào)制波、電容電壓及線電 壓對比示意圖；
[0034] 圖9b為m= 0. 9、#==#/3時本方法與現(xiàn)有單調(diào)制波方法的調(diào)制波、電容電壓及線電 壓對比示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0036] 實施例1
[0037] 本發(fā)明實施例通過對三相正序電壓注入零序電壓后得到的三相參考電壓進行調(diào) 制波分解得到正、負調(diào)制波，并得到分解后的正、負調(diào)制波約束條件和中點電位平衡條件。 說明如下：
[0038] 三電平NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中，Ud。為直流側(cè)電壓，U"、UC2為電容 C1、C2的電壓，ia、ib、i。為三相負載電流。三電平NPC逆變器每一相都有3種開關(guān)狀態(tài)，以 a相為例，Sal和Sa2開通、Sa3和Sa4關(guān)斷時，輸出相電壓為U&/2,設(shè)為狀態(tài)"p" ;Sa2和Sa3開 通、Sal和Sa4關(guān)斷時，輸出相電壓為0,設(shè)為狀態(tài)"〇";Sa3和Sa4開通、Sal和Sa2關(guān)斷時，輸出 相電壓為-IV%設(shè)為狀態(tài)"η"。
[0039] 對于三電平NPC逆變器，調(diào)制過程中的所有電壓量均以逆變器直流側(cè)電壓的0. 5 倍為基準進行標么化處理，正序電壓注入零序電壓之后的參考電壓可表示為
[0040] vir=vi+v〇 (1)
[0041] 式中，Vi為二相正序電壓，i_e(a，b，.e:，：fa.=:(2/"/Vha)s0 ,i.=:(2m/V^)eos(#-2;i/3),: 1=(2/?Α/^)α????+ 2π.Ο);m為調(diào)制度，可取值范圍為（0,1] ;Θ=cot為相角值，ω為角頻 率；為注入的零序電壓；νu為參考電壓，其中，ν"為a相參考電壓，vbl^Jb相參考電壓， ^為c相參考電壓。
[0042] 注入零序電壓不會對負載電流造成影響，可表示為
[0043]
(2、
[0044] 式中，1"為貨載電流幅值，供為貨載功率因數(shù)角。
[0045] 設(shè)牝為一個載波周期內(nèi)i相處于j狀態(tài)的占空比，ie(a，b，c)，je(P，〇, n)， 則在一個載波周期內(nèi)，占空比滿足基本條件
[0046]
(3)
[0047] 三電平NPC逆變器的中點電位平衡條件是在任意載波周期內(nèi)中點電流iNP的平均 值為零，用占空比可以表示為
[0048]
(4)
[0049] 式中，ie(a，b，c)，k為平均中點電流山為i相的負載電流，其中，iaSa相負 載電流，ib為b相負載電流，i。為c相負載電流。
[0050] 根據(jù)雙調(diào)制波原理，本發(fā)明實施例將注入零序電壓后的參考電壓分解為正、負調(diào) 制波如下：
[0051] (5}
[0052] 式中，ie(a，b，c); <為1相的正調(diào)制波，其中，V】為a相正調(diào)制波，螇為b相正 調(diào)制波，<為〇相正調(diào)制波；f為i相的負調(diào)制波，其中，&為a相負調(diào)制波，冗為b相負調(diào) 制波，t為c相負調(diào)制波。
[0053] 設(shè)i相的開關(guān)函數(shù)，ie(a，b，c)，vcp和vcn為大小分別在[0, 1]和[-1，0] 變化的正、負三角載波，則有
[0054] ?β：)
[0055] j
[0056] 圖2給出了調(diào)制波分解的兩種情況，圖中載波周期取標么值1。
[0057]第i相處于p和η狀態(tài)的占空比dip、din與v,:、<的關(guān)系如下：
[0058] ⑴ <!時，有
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 兩種情況所最終產(chǎn)生的開關(guān)序列相同，因此本發(fā)明實施例僅以< -&U為例對調(diào) 制波Vu進行分解，正、負調(diào)制波滿足約束條件：
[0063]
(9)
[0064] 由式（4)和式（7)得到分解后的中點電位平衡條件為：平均中點電流在任意載波 周期內(nèi)?^
[0065] (
[0066] 下面結(jié)合圖3對本發(fā)明實施例的中點電位平衡控制方法進行說明：
[0067] 101 :對三相正序電壓注入零序電壓后得到的三相參考電壓進行調(diào)制波分解，得到 滿足中點電位平衡的三相正、負調(diào)制波表達式；
[0068] 如圖4所示，將一個調(diào)制周期等分為6個31/3區(qū)間，依次定義為區(qū)間I~VI，在每 個η/3區(qū)間內(nèi)，三相正序電壓中取值最大、中間和最小的相分別定義為X相、y相和z相，X 相和z相的分解方式