CN102361409A - 一种三电平变换器中点电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于驱动电机的功率变换器控制领域，涉及一种基于电压空间矢量脉宽调制技术的中点电位平衡控制方法，用于中点箝位型三电平逆变器的控制，包括下列步骤：第一步：求出冗余小矢量作用时间分配因子；第二步：求出最近三矢量法NTV能实现中点电位平衡控制的区域；第三步：求出混合电压空间矢量脉宽调制方法中NTV的作用区域；第四步：设计混合电压空间矢量脉宽调制方法的切换条件；第五步：实现比例为p_m的混合电压空间矢量脉宽调制方法。本发明采用冗余小矢量分配因子设计混合空间矢量调制策略的切换条件，体现了空间矢量调制方法的本质，使用更加灵活，所用到的变量较少，利于分析和拓展应用。

Description

一种三电平变换器中点电压平衡控制方法

技术领域

本发明涉及驱动电机的功率变换器控制领域，特别涉及多电平变换器空间矢量调制方法。

背景技术

在大功率应用场合中，多电平变换器由于其开关器件承受的电压低，输出电压谐波含量小，开关频率低等优点，得到了越来越广泛的应用。其中NPC(Neutral Point Clamped)三电平变换器是应用最广泛的一种多电平结构，它只需要一个独立的直流电压源，对硬件的要求较低。

NPC三电平变换器存在一个固有的缺点，即存在中点电压不平衡问题。目前常用的控制中点电压平衡的方法是在NTV(Nearest Three Vector)调制中，通过控制正负小矢量的作用时间来控制中点电压平衡。但是在高调制系数和低功率因数的条件下，由于小矢量的控制能力有限，NTV调制方法不能在全范围内控制中点电压平衡。NTV²(Nearest Three Virtual Vector)调制方法能够在任意的负载条件、任意的运行条件下控制中点电压平衡，但是却增加了开关频率。有些学者针对上述问题，提出了比例固定的混合空间矢量调制策略，将NTV和NTV²这两种调制方法进行混合，这种比例固定的混合空间矢量调制策略在减小开关频率的同时，能够在全范围内控制中点电压平衡。

在一定的调制系数和功率因数条件下，比例固定的混合空间矢量调制策略中，NTV和NTV²这两种调制方法所占的比例是一定的，即在NTV能够实现平衡控制的区域采用NTV调制方法，在NTV不能实现平衡控制的区域，采用NTV²调制方法。比例固定的特点限制了混合空间矢量调制策略的灵活性，而且相比于NTV调制方法，其开关频率仍然较大。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种能够减小功率器件的开关频率的三电平变换器中点电压平衡控制方法，本发明给出了一种可以根据根据实际参数的需要，通过调节两种调制方法(NTV和NTV²)所占的比例，使得中点电压振荡幅值在允许的范围内，开关频率最小。为此，本发明采用如下的技术方案。一种基于电压空间矢量脉宽调制技术的中点电位平衡控制方法，用于中点箝位型三电平逆变器的控制，包括下列步骤：

第一步：求出冗余小矢量作用时间分配因子

将三电平电压空间矢量图的0～60度区域定义为第一扇区，则第一扇区内平均中点电流为：i₁＝(2k_P1-1)×d_S1×i_a+d_M×i_b+(2k_P2-1)×d_S2×i_c，其中，i₁表示平均中点电流，d_S1、d_S2、d_M分别为第一冗余小矢量V_S1、第二冗余小矢量V_S2和中矢量V_M的作用时间，i_a、i_b、i_c表示三相负载电流，k_P1表示V_S1的作用时间分配因子，k_P2表示V_S2的作用时间分配因子；令i₁＝0，求出k_P1、k_P2，将其它扇区进行矢量旋转都可变换到第一扇区，按照相同的方法求取其它各个扇区的k_P1、k_P2；

第二步：求出最近三矢量法NTV能实现中点电位平衡控制的区域

对第一步中求出的k_P1、k_P2进行判断，根据0≤k_P1≤1的条件，求出可平衡控制区域左边界角度θ₁，根据0≤k_P2≤1的条件，求出可平衡控制区域右边界角度θ₂，则第一扇区内NTV能实现中点电位平衡控制的区域为[0，θ₁]和[θ₂，60°]；

第三步：求出混合电压空间矢量脉宽调制方法中NTV的作用区域

将NTV能实现中点电位平衡控制的区域称为可平衡控制区域，NTV不能实现中点电位平衡控制的区域称为非平衡控制区域；拓展NTV的作用区域，使NTV的作用区域包含全部的可平衡控制区域和部分非平衡控制区域，使虚拟空间矢量调制NTV²的作用区域只包含部分非平衡控制区域；设定NTV在非平衡控制区域中的作用区域占全部非平衡控制区域的比例p_m，根据公式[(θ₃-θ₁)+(θ₄-θ₂)]＝p_m×(θ₂-θ₁)和θ₃＝60-θ₄，求出NTV作用区域的两个边界角度θ₃、θ₄，θ₃表示NTV作用区域的左边界角，θ₄表示NTV作用区域的右边界角，则混合电压空间矢量脉宽调制方法中NTV的作用区域为[0，θ₃]和[θ₄，60]；

第四步：设计混合电压空间矢量脉宽调制方法的切换条件

按照第一步中的平均中点电流公式，计算θ₃处k_P1的值，记为x₁；计算θ₄处k_P2的值，记为x₂，将[x₂，x₁]作为混合电压空间矢量脉宽调制方法的切换条件；

第五步：实现比例为p_m的混合电压空间矢量脉宽调制方法

对每个扇区内的k_P1、k_P2进行判断，如果k_P1、k_P2的取值在[x₂，x₁]之间，则相应扇区的此区域采用NTV方法，如果k_P1、k_P2的取值不在[x₂，x₁]之间，则相应扇区此区域采用NTV²方法，以此为依据，设计中点电位平衡控制算法。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用冗余小矢量分配因子设计混合空间矢量调制策略的切换条件，相比于已有的采用相占空比设计切换条件的方法，本发明的方法体现了空间矢量调制方法的本质，更加灵活，所用到的变量较少，利于分析和拓展应用。

2、本发明采用比例可调的混合空间矢量调制策略，pm选取的越大，混合空间矢量调制方法中NTV所占的比重越大，开关频率越低，中点电压振荡幅值越大；相反，pm越小，开关频率越高，中点电压振荡幅值越小，合理的选择pm，达到开关频率和中点电压振荡幅值之间最好的一种协调。本发明提供了一个自由度，可以任意的调节两种调制方法所占的比例，根据实际参数的需要，选择最优的比例。在中点电压振荡幅值允许的范围内，进一步减小比例固定的混合空间矢量调制策略的开关频率。

附图说明

图1NPC三电平逆变器电路图。

图2NTV调制方法在第一扇区的空间矢量图。

图3NTV²调制方法在第一扇区的空间矢量图。

图4不同调制方法对应的中点电压波形。

图5冗余小矢量分配因子与切换条件波形。

图6不同比例下的切换波形。

具体实施方式

NTV调制方法具有开关频率较低的优点，NTV²调制方法能够在任意的负载条件下、任意的运行条件下，在全范围内控制中点电压平衡。本发明将NTV和NTV²这两种调制方法进行混合，利用冗余小矢量分配因子设计比例固定的混合空间矢量调制策略的切换条件，同时通过设计判断条件的上下限，调节混合空间矢量调制策略的比例。

下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步详述。

本发明的实现过程如下：先根据调制系数和功率因数求解出冗余小矢量分配因子；再将判断条件设为[0，1]，得到比例固定的混合空间矢量调制策略；然后计算可平衡控制区域两边对应的角度；计算这两个角度处的冗余小矢量分配因子的数值，作为比例变化的混合空间矢量调制策略的判断条件[x2，x1]；最后将冗余小矢量分配因子的实际数值与判断条件进行比较，得到比例变化的混合空间矢量调制策略。

图1是NPC三电平逆变器电路图，图2是NTV调制方法在第一扇区的空间矢量图。

V_S1和V_S2表示两个小矢量，产生矢量V_S1的开关状态为POO和ONN，它们对应的中点电流分别为-i_a和i_a；产生矢量V_S2的开关状态为PPO和OON，它们对应的中点电流分别为i_c和-i_c；V_M表示中矢量，它的开关状态为PON，对应的中点电流为i_b。P表示正电平，表示输出端连接到直流母线的高电平端，O表示零电平，表示输出端连接到直流母线的中点，N表示负电平，表示输出端连接到直流母线的低电平端。i_a、i_b、i_c表示负载三相电流。

采用三矢量四状态的NTV调制方法时，对应的中点电流为：

小三角形1：i₁＝d_S1·(-i_a)·k_N1+d_S2·(-i_c)+d_S1·(i_a)·k_P1

小三角形2：i₁＝d_S2·(i_c)·k_P2+d_S1·(-i_a)+d_S2·(-i_c)·k_N2

小三角形3：i₁＝d_S1·(-i_a)·k_N1+d_M·(i_b)+d_S2·(-i_c)+d_S1·(i_a)·k_P1

小三角形4：i₁＝d_S2·(i_c)·k_P2+d_S1·(-i_a)+d_M·(i_b)+d_S2·(-i_c)·k_N2

小三角形5：i₁＝d_S1·(-i_a)·k_N1+d_M·(i_b)+d_S1·(i_a)·k_P1

小三角形6：i₁＝d_S2·(i_c)·k_P2+d_M·(i_b)+d_S2·(-i_c)·k_N2         (1)

其中，i₁表示一个调制周期内的平均中点电流，d_S1、d_S2、d_M分别表示矢量V_S1、V_S2和V_M的作用时间占空比；k_P1和k_P2表示正小矢量作用时间的比例，k_N1和k_N2表示负小矢量作用时间的比例，比如POO和ONN是一对冗余小矢量，它们的作用时间占空比分别为k_N1d_S1和k_P1d_S1；PPO和OON的作用时间占空比分别为k_P2d_S2和k_N2d_S2，且满足k_P1+k_N1＝1，k_P2+k_N2＝1。

令(1)式的中点电流公式为零，得出冗余小矢量分配因子公式：

小三角形1： $k_{P1}=\frac{d_{S1}\·\left(i_a\right)+d_{s2}\·\left(i_c\right)}{2\·d_{S1}\·\left(i_a\right)}$

小三角形2： $k_{P2}=\frac{d_{S1}\·\left(i_a\right)+d_{S2}\·\left(i_c\right)}{2\·d_{S1}\·\left(i_c\right)}$

小三角形3： $k_{P1}=\frac{d_{S1}\·\left(i_a\right)+d_{S2}\·\left(i_c\right)-d_M\·\left(i_b\right)}{2\·d_{S1}\·\left(i_a\right)}$

小三角形4： $k_{P2}=\frac{d_{S1}\·\left(i_a\right)+d_{S2}\·\left(i_c\right)-d_M\·\left(i_b\right)}{2\·d_{S2}\·\left(i_c\right)}$

小三角形5： $k_{P1}=\frac{d_{S1}\·\left(i_a\right)-d_M\·\left(i_b\right)}{2\·d_{S1}\·\left(i_a\right)}$

小三角形6： $k_{P2}=\frac{d_{S2}\·\left(i_c\right)-d_M\·\left(i_b\right)}{2\·d_{S2}\·\left(i_c\right)}---\left(2\right)$

判断由(2)式得到的k_P1和k_P2的取值是否在[0，1]之间，如果k_P1和k_P2的取值在[0，1]之间，表示NTV调制方法能够通过调节正负小矢量的作用时间来实现平衡控制，此区域采用NTV调制方法；如果k_P1和k_P2的取在[0，1]之外，表示NTV调制方法不能在此区域实现平衡控制，此区域采用NTV²调制方法。

图4是采用不同调制方法时的中点电压波形，0.04s前采用的是NTV调制方法，0.04s后采用的是比例固定的混合空间矢量调制策略。

以第一扇区为例，计算可平衡控制区域的角度[0，θ₁]，[θ₂，60]。图5为两个冗余小矢量分配因子与切换条件的波形。其实现过程如下：

三相负载电流：

计算占空比时的中间变量：

$\left\{\begin{array}{c}X=2\·m\·\sin \mathrm{\θ}\\ Y=2\·m\·\sin (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})\\ Z=2\·m\·\sin (\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(4\right)$

占空比：

小三角形3和4：V_S1、V_S2、V_M的占空比：1-X、1+Z、-1+Y

小三角形5：V_S1、V_M的占空比：2-Y、X

小三角形6：V_S2、V_M的占空比：2-Y、-Z               (5)

其中m为调制系数，θ为参考矢量旋转角度，ф为负载功率角。

将公式(3)(4)(5)代入公式(2)，同时利用冗余小矢量分配因子的数值在[0，1]之间的限定条件，求出θ₁和θ₂。

由于第一扇区内可平衡区域为[0，θ₁]和[θ₂，60]。则非平衡控制区域占的角度为θ₃＝60-θ₁-(60-θ₂)。

比例为Pm时，NTV向非平衡控制区域拓展的角度为θ₄＝Pm×θ₃，可得NTV拓展后的作用区域两边对应的角度θ₅和θ₆。

计算θ₅和θ₆处对应的冗余小矢量分配因子的数值[x2，x1]，作为判断区间。如果冗余小矢量分配因子的数值在[x2，x1]之间，则采用NTV调制方法，如果不在这个区间内，则采用NTV²调制方法，实现了比例变化的混合空间矢量调制策略。

由于用NTV代替了部分NTV²作用区域，所以进一步减小了比例固定的混合空间矢量调制策略的开关频率。图6为比例变化前和比例变化后的切换条件波形。

Claims (1)

1.一种三电平变换器中点电压平衡控制方法，用于中点箝位型三电平逆变器的控制，包括下列步骤：

第一步：求出冗余小矢量作用时间分配因子

将三电平电压空间矢量图的0～60度区域定义为第一扇区，则第一扇区内平均中点电流为：i₁＝(2k_P1-1)×d_S1×i_a+d_M×i_b+(2k_P2-1)×d_S2×i_c，其中，i₁表示平均中点电流，d_S1、d_S2、d_M分别为第一冗余小矢量V_S1、第二冗余小矢量V_S2和中矢量V_M的作用时间，i_a、i_b、i_c表示三相负载电流，k_P1表示V_S1的作用时间分配因子，k_P2表示V_S2的作用时间分配因子；令i₁＝0，求出k_P1、k_P2，将其它扇区进行矢量旋转都可变换到第一扇区，按照相同的方法求取其它各个扇区的k_P1、k_P2；

第二步：求出最近三矢量法NTV能实现中点电位平衡控制的区域

对第一步中求出的k_P1、k_P2进行判断，根据0≤k_P1≤1的条件，求出可平衡控制区域左边界角度θ₁，根据0≤k_P2≤1的条件，求出可平衡控制区域右边界角度θ₂，则第一扇区内NTV能实现中点电位平衡控制的区域为[0，θ₁]和[θ₂，60°]；

第三步：求出混合电压空间矢量脉宽调制方法中NTV的作用区域

将NTV能实现中点电位平衡控制的区域称为可平衡控制区域，NTV不能实现中点电位平衡控制的区域称为非平衡控制区域；拓展NTV的作用区域，使NTV的作用区域包含全部的可平衡控制区域和部分非平衡控制区域，使虚拟空间矢量调制NTV²的作用区域只包含部分非平衡控制区域；设定NTV在非平衡控制区域中的作用区域占全部非平衡控制区域的比例p_m，根据公式[(θ₃-θ₁)+(θ₄-θ₂)]＝p_m×(θ₂-θ₁)和θ₃＝60-θ₄，求出NTV作用区域的两个边界角度θ₃、θ₄，θ₃表示NTV作用区域的左边界角，θ4表示NTV作用区域的右边界角，则混合电压空间矢量脉宽调制方法中NTV的作用区域为[0，θ₃]和[θ₄，60]；

第四步：设计混合电压空间矢量脉宽调制方法的切换条件

按照第一步中的平均中点电流公式，计算θ₃处k_P1的值，记为x₁；计算θ₄处k_P2的值，记为x₂，将[x₂，x₁]作为混合电压空间矢量脉宽调制方法的切换条件。

第五步：实现比例为p_m的混合电压空间矢量脉宽调制方法

对每个扇区内的k_P1、k_P2进行判断，如果k_P1、k_P2的取值在[x₂，x₁]之间，则相应扇区的此区域采用NTV方法，如果k_P1、k_P2的取值不在[x₂，x₁]之间，则相应扇区此区域采用NTV²方法，以此为依据，设计中点电位平衡控制算法。

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