CN102158055A - 一种用于apf的三电平变换器中点电位平衡方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法和装置，本发明实施例基于SVPWM算法，并在中点电流中加入平衡控制量，使中点电流注入的电荷抵消中点处原有电荷，计算得到的平衡控制量修正原开关作用时间，达到补偿中点电位偏差的目的，改善了现有技术中将三电平变换器应用到APF中为解决中点电位平衡问题，而需增加系统开关器件造成的系统复杂性及系统功率损耗升高的缺点，而使三电平变换器可适用于APF，并降低APF开关器件电压等级及提高APF补偿效果。

Description

一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法和装置

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器控制技术领域，更具体地说，涉及一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法和装置。

背景技术

有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。

所述APF工作在高压大容量场合，其直流侧电压选择要大于3倍交流侧线电压，在其逆变桥中使用的开关器件的电压等级都较高，采用如此大的电流开关器件对所述APF应用可靠性造成不利影响。而三电平变换器有开关器件电压等级低且输出电流谐波含量小的特点，但所述三电平变换器的中点不平衡会增加输出电流的低次谐波，情况严重时将影响功率器件或损坏直流侧电容。

现有技术中针对三电平变换器中的中点平衡采用增加前级辅助平衡电路的控制方法，该方法需要增加额外的开关器件及驱动电路，在大功率应用场合增加了系统的复杂性及系统的功率损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法和装置，以使三电平变换器适用于APF，并达到不增加额外器件而降低APF电压等级的目的。

一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法，包括：

在每个开关周期中，将检测得到的中点电压和负载电流矢量信息代入空间矢量脉宽调制算法SVPWM，计算得开关作用时间；

在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量；

将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间。

上述实施方式在中点电流中加入平衡控制量，使开关周期中流经中点电位的电流平均值为零，即，使中点电位趋于平衡，补偿中点电位偏差，该方法能够简单准确地平衡中点电位，适于APF使用，达到在不增加三电平变换器电路额外开关器件的情况下降低APF电压等级的效果。

优选地，在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量具体为：

在与所述开关时间对应的中点电流中，加入中点电位平衡控制量f，两个冗余小矢量作用时间为t₀和t₇分别为：

$\mathrm{\ΔQ}=-{\∫}_{(K-1)\·T_s}^{K\·T_s}{i}_{\mathrm{NP}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

得到中点电荷的变化量为：

其中，

$=-2(i_{\mathrm{NP}1}\·t_1+i_{\mathrm{NP}2}{\·t}_2+f\·i_{\mathrm{NP}0}{\·t}_0)$

所述i_NP0、i_NP1、i_NP2、i_NP7为三电平开关状态输出的电压空间矢量作用时间对应的中点电流。

该实施方式中将两个冗余小矢量对应的时间变换，得到中点电荷变化量，为平衡控制量的求取做准备，对于两个冗余小矢量作用时间的接入电位平衡空置量的变换形式并不局限于上述实施方式。

优选地，将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间具体为：

通过ΔQ+Q＝0得到中点电位平衡控制量f，并利用该f值对输出的开关作用时间修正，其中，控制周期中的中点处原有电荷Q＝-2C(V_dc1-V_dc2)。

根据上述的中点电位偏差补偿的需求，利用等式关系，得到了电位平衡控制量f的值，并可利用该值对原开关作用时间进行修正，达到偏差补偿及减小中点电位的波动的目的。

优选地，所述方法还包括：调用SVPWM算法。

优选地，所述方法还包括：利用所述修正后的开关作用时间更新比较寄存器，具体为：

根据所述修正后的开关作用时间更新比较寄存器，并清除中断标志允许中断。

本实施方式指出了该平衡在中断控制中的实现形式。

优选地，所述方法还包括：检测中点电压和负载电流并获取对应矢量信息。

一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡装置，包括：

开关作用时间获取模块，用于将检测得到的中点电压和负载电流矢量信息代入空间矢量脉宽调制算法SVPWM，计算得开关作用时间；

中点变化量获取模块，用于在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量；

开关时间修正模块，用于将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间。

优选地，所述装置还包括：SVPWM算法模块，用于调用SVPWM算法，得到开关作用时间。

优选地，所述装置还包括：检测中点电压和负载电流并获取对应矢量信息的采样模块。

所述装置与方法对应，通过引入电位平衡控制量的平衡方法，提高三电平变换器中点电位平衡性和控制实时性，使三电平变换器可适用于APF，达到降低APF开关器件电压等级，提高APF补偿效果的目的，并不增加系统的开关器件，降低系统复杂性及系统功率。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例基于SVPWM算法，并在中点电流中加入平衡控制量，使中点电流注入的电荷抵消中点处原有电荷，计算得到的平衡控制量修正原开关作用时间，达到补偿中点电位偏差的目的，改善了现有技术中将三电平变换器应用到APF中为解决中点电位平衡问题，而需增加系统开关器件造成的系统复杂性及系统功率损耗升高的缺点，而使三电平变换器可适用于APF，并降低APF开关器件电压等级及提高APF补偿效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种电平变换器中点电位平衡方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种电平变换器中点电位平衡方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种电平变换器中点电位平衡装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法和装置，以使三电平变换器适用于APF，并达到不增加三电平变换器电路额外器件而降低APF电压等级的目的。

图1示出了一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法，包括：

步骤11：在每个开关周期中，将检测得到的中点电压和负载电流矢量信息代入空间矢量脉宽调制算法SVPWM，计算得开关作用时间；

更为具体地，三电平SVPWM简化调制算法下的开关作用时间为：

其中：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{\mathrm{as}}=\frac{2{v^{\′}}_{\mathrm{refa}}}{V_{\mathrm{dc}}}{T}_s& \\ T_{\mathrm{bs}}=\frac{{{2v}^{\′}}_{\mathrm{refb}}}{V_{\mathrm{dc}}}{T}_s& \\ T_{\mathrm{cs}}=\frac{{{2v}^{\′}}_{\mathrm{refc}}}{V_{\mathrm{dc}}}{T}_s,& \left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{offset}}=T_s/2-T_{\max }-T_{\min }\\ T_{\max }=\max (T_{\mathrm{as}},T_{\mathrm{bs}},T_{\mathrm{cs}})\\ T_{\min }=\min (T_{\mathrm{as}},T_{\mathrm{bs}},T_{\mathrm{cs}})\end{array}\right.\end{array}\right.;$

[v′_refa，v′_refb，v′_refc]^T＝[v_refa，v_refb，v_refc]^T-[v_a0，v_b0，v_c0]^T；

以上三式中，T_s为开关周期，V_dc为直流侧电压，[v_refa，v_refb，v_refc]^T为参考电压矢量，[v_a0，v_b0，v_c0]^T为所在六边形的中心矢量。

三电平开关状态的七段式输出是由四个不同电压空间矢量组成的，其作用时间分别为t0、t1、t2、t7，所对应的中点电流分别为i_NP0、i_NP1、i_NP2、i_NP7；

步骤12：在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量；

在与所述开关时间对应的中点电流中，加入中点电位平衡控制量f，两个冗余小矢量作用时间为t₀和t₇分别为：

$\mathrm{\ΔQ}=-{\∫}_{(K-1)\·T_s}^{K\·T_s}{i}_{\mathrm{NP}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

得到中点电荷的变化量为：

其中，

$=-2(i_{\mathrm{NP}1}\·t_1+i_{\mathrm{NP}2}{\·t}_2+f\·i_{\mathrm{NP}0}{\·t}_0)$

所述i_NP0、i_NP1、i_NP2、i_NP7为三电平开关状态输出的电压空间矢量作用时间对应的中点电流。

将两个冗余小矢量对应的时间变换，得到中点电荷变化量，为平衡控制量的求取做准备，对于两个冗余小矢量作用时间的接入电位平衡空置量的变换形式并不局限于上述实施方式。

步骤13：将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间。

通过ΔQ+Q＝0得到中点电位平衡控制量f，并利用该f值对输出的开关作用时间修正，其中，控制周期中的中点处原有电荷Q＝-2C(V_dc1-V_dc2)。

该步骤的等价实施方式为在每个开关周期中流经中点电位的电流平均值为零，以补偿中点电位偏差，从而减小中点电位的波动和失衡。根据上述的中点电位偏差补偿的需求，利用等式关系，得到了电位平衡控制量f的值，并可利用该值对原开关作用时间进行修正，达到偏差补偿及减小中点电位的波动的目的。

本实施例中，在中点电流中加入平衡控制量，使开关周期中流经中点电位的电流平均值为零，即，使中点电位趋于平衡，补偿中点电位偏差，该方法能够简单准确地平衡中点电位，适于APF使用，达到在不增加三电平变换器电路额外开关器件的情况下降低APF电压等级的效果。

图2示出了又一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法，包括：

步骤21：在每个开关周期中，检测中点电压和负载电流及对应的矢量信息；

步骤22：调用SVPWM算法，将检测得到的中点电压和负载电流矢量信息代入所述SVPWM，计算得开关作用时间；

步骤23：将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间；

步骤24：根据所述修正后的开关作用时间更新比较寄存器，并清除中断标志允许中断。

该实施例中，指出了该用于APF三电平变换器中点电位平衡方法在中断控制中的实现形式。

图3示出一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡装置，包括：

开关作用时间获取模块31，用于将检测得到的中点电压和负载电流矢量信息代入空间矢量脉宽调制算法SVPWM，计算得开关作用时间；

中点变化量获取模块32，用于在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量；

开关时间修正模块33，用于将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间；

采样模块34：用于检测中点电压和负载电流并获取对应矢量信息；

SVPWM算法模块35，用于调用SVPWM算法。

述装置与方法对应，通过引入电位平衡控制量的平衡方法，提高三电平变换器中点电位平衡性和控制实时性，使三电平变换器可适用于APF，达到降低APF开关器件电压等级，提高APF补偿效果的目的，并不增加系统的开关器件，降低系统复杂性及系统功率。

综上所述：

本发明实施例基于SVPWM算法，并在中点电流中加入平衡控制量，使中点电流注入的电荷抵消中点处原有电荷，计算得到的平衡控制量修正原开关作用时间，达到补偿中点电位偏差的目的，改善了现有技术中将三电平变换器应用到APF中为解决中点电位平衡问题，而需增加系统开关器件造成的系统复杂性及系统功率损耗升高的缺点，而使三电平变换器可适用于APF，并降低APF开关器件电压等级及提高APF补偿效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡方法，其特征在于，包括：

在每个开关周期中，将检测得到的中点电压和负载电流矢量信息代入空间矢量脉宽调制算法SVPWM，计算得开关作用时间；

在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量；

将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量具体为：

在与所述开关时间对应的中点电流中，加入中点电位平衡控制量f，两个冗余小矢量作用时间为t₀和t₇分别为：

$\mathrm{\ΔQ}=-{\∫}_{(K-1)\·T_s}^{K\·T_s}{i}_{\mathrm{NP}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

得到中点电荷的变化量为：

其中，

$=-2(i_{\mathrm{NP}1}\·t_1+i_{\mathrm{NP}2}{\·t}_2+f\·i_{\mathrm{NP}0}{\·t}_0)$

所述i_NP0、i_NP1、i_NP2、i_NP7为三电平开关状态输出的电压空间矢量作用时间对应的中点电流。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间具体为：

通过ΔQ+Q＝0得到中点电位平衡控制量f，并利用该f值对输出的开关作用时间修正，其中，控制周期中的中点处原有电荷Q＝-2C(V_dc1-V_dc2)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：调用SVPWM算法，得到开关作用时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：利用所述修正后的开关作用时间更新比较寄存器，具体为：根据所述修正后的开关作用时间更新比较寄存器，并清除中断标志允许中断。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：检测中点电压和负载电流并获取对应矢量信息。

7.一种用于APF的三电平变换器中点电位平衡装置，其特征在于，包括：

开关作用时间获取模块，用于将检测得到的中点电压和负载电流矢量信息代入空间矢量脉宽调制算法SVPWM，计算得开关作用时间；

中点变化量获取模块，用于在与所述开关作用时间对应的中点电流中加入平衡控制量，得到中点电荷变化量；

开关时间修正模块，用于将所述中点电荷变化量与中点处原有电荷相抵消，利用得出的平衡控制量的数值修正原开关作用时间。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：SVPWM算法模块，用于调用SVPWM算法，得到开关作用时间。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：检测中点电压和负载电流并获取对应矢量信息的采样模块。

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