CN101814855B - 三电平逆变器中点电位平衡控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种三电平逆变器中点电位平衡控制系统及控制方法，属电力电子多电平变换器技术领域。本发明的系统包括一个直接三电平功率变换器单元，电压空间矢量调制单元和一个正负小矢量选择单元，还包括中点电位偏差值量化因子校正单元，正负小矢量作用时间重新分配单元，模糊-积分混合控制器；本发明所述中点平衡控制方法根据中点电位的不平衡度，实时修正校正单元的量化因子，同时检测负载电流的方向，判断当前小矢量的正负，通过设计的模糊规则实时调整正负小矢量的作用时间，最终实现中点电位的动态平衡。本发明将静态及动态误差都能控制在较低范围，达到中点电位精确平衡的效果，提高了多电平功率变换器系统的可靠性。

Description

三电平逆变器中点电位平衡控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子多电平变换器及其驱动控制方法，尤其涉及一种直接三电平逆变器中点电位参数自整定的平衡控制系统及控制方法。

背景技术

直接三电平逆变器以其结构紧凑，输出电压电流谐波含量低，dv/dt小，开关管所承受的电压仅为直流母线电压的1/2等优点。在电力电子变换技术领域成为了一个研究的热点。它在中高压电机传动系统，电网无功补偿等领域中有着广阔的应用前景。

但直接三电平逆变器存在中点电位平衡的问题，并在一定程度上限制了其使用。如果中点电位不平衡不能得到有效的控制，会存在以下危害：(1)使输出电压畸变，含有大量的低次谐波，在电机传动系统中会引起电机轴的振动，更为严重的是会使输出电压电平数丢失。(2)不平衡时，开关管所承受的电压不再是母线直流电压的1/2。可能会损害开关管。(3)电容电压的不平衡，也会影响直流母线上电容的使用寿命。

近期国内外在直接三电平逆变器中点电位平衡的问题上提出的控制方法颇多，总的来讲，分为硬件处理和软件处理两种控制方式。硬件处理需要另设辅助工作桥臂与独立的充放电电感，增加变换器的体积重量，制造成本高且控制难度也大。软件处理方式有的在指令电压中加入零序电压以控制中点的波动，并给出可有效控制的范围，但这种方法比较复杂，不利于数字实现；有的不使用对中点产生影响的中矢量，而用大矢量平均分配的方法，这种方法使输出电压谐波含量增加，影响调制效果；有的是在一定容差范围内切换正负小矢量，来控制中点电位平衡，这样会使功率管开关次数增多，变换器损耗有所增加；也有的加入了模糊控制，在一定程度上简化了平衡因子的计算，并且对非线性系统有很好的控制效果，但上下电容压差信号的不确定性，使输入量化因子的选值缺乏准确性，平衡精度难以保持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对直接三电平逆变器中点电位平衡控制现有技术存在的不足，提出一种新的基于参数自整定的中点平衡控制系统及控制方法。

一种直接三电平逆变器中点电位平衡控制系统，包括一个直接三电平功率变换器单元，负载单元，中点电位偏差值量化因子校正单元，积分单元，模糊控制器单元，正负小矢量选择单元，正负小矢量作用时间重新分配单元，电压空间矢量调制单元。其中直接三电平功率变换器单元与负载单元连接；直接三电平功率变换器单元的电容电压差值输出分别连接中点电位偏差值量化因子校正单元和积分单元，同时还与中点电位偏差值量化因子校正单元的输出一起连接到模糊控制器单元；积分单元与模糊控制器的输出相加后输入到正负小矢量作用时间重新分配单元，同时三电平功率变换器的负载电流信息通过正负小矢量选择单元转换为指针输入到正负小矢量作用时间重新分配单元；正负小矢量作用时间重新分配单元的输出连接到电压空间矢量调制单元；电压空间矢量调制单元的输出端与直接三电平功率变换器连接。

所述的中点平衡控制方法，包括如下部分：

a)直接三电平功率变换器单元；

b)负载单元；

c)中点电位偏差值量化因子校正单元；

d)积分单元；

e)模糊控制器单元；

f)正负小矢量选择单元；

g)正负小矢量作用时间重新分配单元；

h)电压空间矢量调制单元。

所述的中点平衡控制方法，包括如下步骤：

1.)根据当前电压空间矢量的幅值和空间相角确定基本矢量的作用顺序和时间，基本矢量的作用顺序都以小矢量开始；

2.)测量直流母线的上电容和下电容的电压差值，即用来衡量中点电位的不平衡度；

3.)把第2.)步中电容的电压差值输入到中点电位偏差值量化因子校正单元，先经其中的量化因子进行量化后，再由其内部设计的校正规则得到对模糊控制器单元中的量化因子进行校正的系数；

4.)把在第3.)步中得到的模糊控制器单元的校正系数和原模糊控制器单元的量化因子相乘，得到校正后的模糊控制单元的量化因子；

5.)使用第4.)步中校正后的模糊控制器单元的量化因子对第2.)步中电容的电压差进行量化，输入到模糊控制器单元。经过模糊控制器单元的模糊规则和积分单元的补偿，计算出正负小矢量作用时间的分配系数；

6.)利用霍尔检测负载电流的方向，根据负载电流的方向经正负小矢量选择单元判断当前小矢量的正负；将第5.)步得到的正负小矢量作用时间的分配系数和判断出的小矢量的极性，经正负小矢量作用时间重新分配单元对小矢量的作用时间进行重新分配；

7.)根据第5.)步对小矢量的作用时间进行重新分配的结果，调整每一个PWM开关周期中的正负小矢量执行时间，达到中点电位的平衡。

8.)根据第7.)步得到的正负小矢量重新分配后的作用时间，经电压空间矢量调制模块进行空间矢量调制，得到功率电路的开关控制信号。

本文发明提出的基于参数自整定控制的中点平衡控制方法，以直流母线的上电容和下电容的电压差值作为参数自整定控制器的输入，根据中点电位的不平衡度，实时修正模糊控制器单元的量化因子；同时以中点电流的方向决定正负小矢量的选取，模糊控制器单元通过预先设计的模糊规则实时调整正负小矢量的作用时间，最终实现中点电位的动态平衡。其静态及动态误差都能控制在较低范围，能使中点电位的平衡控制达到较高的精度。本发明对直接三电平逆变器中点电位这一非线性时变系统有很好的适应性和鲁棒性，

附图说明

图1：本发明中点平衡控制系统结构框图；

图2：本发明实施例中的二极管嵌位三电平逆变器电路图；

图3：三电平逆变器的第一扇区空间矢量分布图；

图4：本发明中点平衡控制方法流程图；

具体实施方法

本发明中点平衡控制系统结构框图如图1所示，该系统主要包括功率逆变器单元101，负载单元102，中点电位偏差值量化因子校正单元103，积分单元104，模糊控制器单元105，正负小矢量选择单元106，正负小矢量作用时间重新分配单元107和电压空间矢量调制单元108；本发明中点平衡控制系统结构图中的功率逆变器如图2所示为二极管箝位型三电平逆变器。其中中点电位偏差值量化因子校正单元103，积分单元104和模糊控制器单元105的输入信号都为直流母线的上电容和下电容的电压差值。正负小矢量选择单元106的输入信号为三相负载电流i_A，i_B，i_C。正负小矢量作用时间重新分配单元107的输入信号为正负小矢量选择单元106的输出和另一个输入信号为积分单元104与模糊控制器105的输出之和。由正负小矢量作用时间重新分配单元107确定正负小矢量的作用时间后输入电压空间矢量调制单元108。

本发明中点平衡控制系统中的空间矢量调制单元108，空间矢量合成方法采用最近三矢量法(the Nearest Three Space-Vector，NTV)对参考空间矢量V_ref合成。并采用七段对称的方式对调制周期T_s进行分配。其具体操作以第一扇区为例，第一扇区空间矢量分布如图3所示。假设参考矢量落在第4小区域。那么基本电压矢量的作用顺序为：POO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO，起始矢量为小矢量。其他扇区可类似推出。

本发明中点平衡控制方法的流程图如图4所示，具体包括如下操作步骤：

1.)根据当前电压空间矢量的幅值和空间相角确定基本矢量的作用顺序和时间，基本矢量的作用顺序都以小矢量开始；

2.)测量直流母线的上电容和下电容的电压差值，即用来衡量中点电位的不平衡度；

3.)把第2.)步中电容的电压差值输入到中点电位偏差值量化因子校正单元103，先经其中的量化因子进行量化后，再由其内部设计的校正规则得到对模糊控制器单元105中的量化因子进行校正的系数；；

4.)把在第3.)步中得到的模糊控制器单元105的校正系数和原模糊控制器单元105的量化因子相乘，得到校正后的模糊控制单元105的量化因子；

5.)使用第4.)步中校正后的模糊控制器单元105的量化因子对第2.)步中电容的电压差进行量化，输入到模糊控制器单元105。经过模糊控制器单元105的模糊规则和积分单元104的补偿，计算出正负小矢量作用时间的分配系数；

6.)利用霍尔检测负载电流的方向，根据负载电流的方向经正负小矢量选择单元106判断当前小矢量的正负；将第5.)步得到的正负小矢量作用时间的分配系数和判断出的小矢量的极性，经正负小矢量作用时间重新分配单元107对小矢量的作用时间进行重新分配；；

7.)根据第6.)步对小矢量的作用时间进行重新分配的结果，调整每一个PWM开关周期中的正负小矢量执行时间，达到中点电位的平衡；

8.)根据第7.)步得到的正负小矢量重新分配后的作用时间，经电压空间矢量调制单元108进行空间矢量调制，得到功率电路的开关控制信号。

在上述具体的操作步骤中，第3.)步的中点电位偏差值量化因子校正单元103，其实现方式可以为基于指标函数的模糊控制器设计，也可以为基于模糊数模型的模糊控制器设计。该处用模糊控制查询表的方式来进行处理，该方法简单实用。具体查询表中的数字可以根据不同的工况进行调整如表1所示，其中e为直流母线上电容和下电容的电压差值的量化值，ec为电压差值的变化率的量化值，查询结果u(k)即为模糊控制单元量化因子的校正系数。

表1模糊校正单元模糊控制查询表

以e的论域分为7个模糊子集，ec分为11个模糊子集为例，模糊控制查询表如表2所示：

表2校正单元模糊控制查询表举例

在第4.)步中模糊控制器单元105，该单元实现方式有多种，如自适应模糊控制器，基于模糊数模型的控制器。该处选取输入输出变量的隶属函数为梯形和三角形函数。模糊推理采用Mamdani方法。清晰化方法为面积中心法为例，模糊控制规则如表3所示：

表3模糊控制规则表举例

在第6.)步中正负小矢量选择单元106，正负小矢量的判断依据为，如表4所示。定义中点电流流出为正方向，负载电流流向负载为正方向。正小矢量定义为对应中点电流为正时，负小矢量定义为对应中点电流为负。表中负载电流都假设为正。

表4正负小矢量对应的中点电流

正小矢量	iO	负小矢量	iO	中矢量	iO
						ONN	iA	POO	-iA	PON	iB
PPO	iC	OON	-iC	OPN	iA
						NON	iB	OPO	-iB	NPO	iC
OPP	iA	NOO	-iA	NOP	iB
						NNO	iC	OOP	-iC	ONP	iA
POP	iB	ONO	-iB	PNO	iC

在第7.)步中正负小矢量作用时间重新分配单元107的实现，假设在一个控制周期T_s中，两冗余小矢量占用的时间为t，其中正小矢量作用时间为t_p，负小矢量作用时间为t_n，正负小矢量的分配关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_p=\frac{1-f}{2}t\\ t_n=\frac{1+f}{2}t\end{array}\right.$

其中f为由模糊控制器单元105的模糊规则和积分单元104，计算出的正负小矢量作用时间的分配系数。

按上述步骤进行操作，即可对三电平的中点电位进行有效的控制。

Claims (2)

1.一种三电平逆变器中点电位平衡控制系统，其特征在于：所述系统包括一个直接三电平功率变换器单元(101)，负载单元(102)，中点电位偏差值量化因子校正单元(103)，积分单元(104)，模糊控制器单元(105)，正负小矢量选择单元(106)，正负小矢量作用时间重新分配单元(107)，电压空间矢量调制单元(108)；其中直接三电平功率变换器单元(101)与负载单元(102)连接；直接三电平功率变换器单元(101)由串联在正负直流母线之间的两组电容器形成中点电位，通过检测得到连接于正母线的上电容和连接于负母线的下电容的电压差值，然后将此电压差值分别输出至中点电位偏差值量化因子校正单元(103)和积分单元(104)的输入端，中点电位偏差值量化因子校正单元(103)的输出端连接模糊控制器单元(105)的输入端；将积分单元(104)的输出与模糊控制器单元(105)的输出相加后输入到正负小矢量作用时间重新分配单元(107)的输入端，直接三电平功率变换器单元(101)的负载电流方向信息输入到正负小矢量选择单元(106)，得到判断小矢量的正负极性的查表索引指针，然后将所得到的指针输入到正负小矢量作用时间重新分配单元(107)；正负小矢量作用时间重新分配单元(107)的输出端连接电压空间矢量调制单元(108)的输入端；电压空间矢量调制单元(108)的输出端与三电平功率变换器单元(101)的输入端连接。

2.一种基于权利要求1所述的三电平逆变器中点电位平衡控制系统的控制方法，其特征在于：

步骤A，将直接三电平功率变换器单元直流母线的上电容与下电容的电压差值作为中点电位偏差值量化因子校正单元与积分单元的参数输入；

步骤B，所述电压差值输入到中点电位偏差值量化因子校正单元后，先经其中的量化因子进行量化，再由其内部设计的校正规则得到对模糊控制器单元中的量化因子进行校正的系数；

步骤C，把得到的模糊控制器单元的校正系数和模糊控制器单元的量化因子相乘，得到校正后的模糊控制器单元的量化因子，使用该量化因子对电容的电压差进行量化，输入到模糊控制器单元；

步骤D，经过模糊控制器单元的模糊规则和积分单元的补偿，计算出正负小矢量作用时间的分配系数；

步骤E，利用霍尔电流传感器检测负载电流的方向，根据负载电流的方向经正负小矢量选择单元判断当前小矢量的正负； 

步骤F，将正负小矢量作用时间的分配系数和判断出的小矢量的极性，经正负小矢量作用时间重新分配单元对小矢量的作用时间进行重新分配，根据分配结果调整每一个PWM开关周期中的正负小矢量执行时间；

步骤G，根据分配后的作用时间，由电压空间矢量调制单元进行空间矢量调制，得到功率电路的开关控制信号，达到中点电位的平衡。 

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