CN102751882A - 三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连接电网和电机进行电力转换的装置，特别涉及了一种三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置，具有2个三相PWM变换装置，该电源变换装置还包括三个计算值求取装置和一个比例决定装置，三个计算值求取装置用于求取2个三相PWM变换装置的正母线、负母线和中性线与3相输出端子在不同连接状态下3相输出电压时间和在该状态下流向中性点电流值的乘积之和，比率决定装置根据三个计算值决定2个三相PWM变换装置在相同的载波周期中不同状态的比率，使中性点电位变动尽量接近零，或通过使中性线的电位接近正母线和负母线电压之间的正中间的电位，可以高效抑制中性点电位变动，因此可以提高安全性，提高输出电压的质量。

Description

三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置

技术领域

本发明涉及一种连接电网和电机进行电力转换的装置、尤其涉及一种三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置。

背景技术

如图1所示，为一种传统的四象限运行的电源变换装置电路图，由2个PWM变换装置10构成。其中左边的6个开关元件9和6个二极管8构成了一个变换装置，连接在网侧，右边的6个开关元件9和6个二极管8构成了一个变换装置10，连接在机侧，中间通过2个串联的电容器7并联。当电机工作在一、三象限时，第一个变换装置10工作在整流状态，第二个变换装置10工作在逆变状态。当电机工作在二、四象限时，第一个变换装置10工作在逆变状态，第二个变换装置10工作在整流状态。但是这种四象限运行的电源变换装置工作在高压大功率场合时，开关元件承受过高电压，而且开关频率较高，增加了开关损耗，并且输出波形中含有大量谐波，影响电机工作的稳定性和电网的质量。

图2是一种背靠背三电平四象限运行的电源变换装置的主电路结构的电路图。如图2所示，在这种背靠背三电平四象限运行的电源变换装置中，2个PWM变换装置11是由24个开关元件9以及36个二极管8构成，2个PWM变换装置中间通过2个串联的电容器7并联。在PWM变换装置11中，开关元件9₁、9₂导通时各相的输出端子和与p点连接的正母线连接，各相的输出电压变为高电平。使开关元件9₂、9₃导通时，各相的输出端子与中性点c点连接，各相的输出相电压变成高电平和低电平中间的中间电平（中性点电压）。使开关9₃、9₄导通时，各相的输出端子和与n点连接的负母线连接，各相的输出相电压变成低电平。该背靠背三电平四象限运行的电源变换装置中，利用电容器7的分压得到中性点电压，但是该中性点电压随着供给负载的电流而变动。中性点电压变动时，过电压作用于电容器7，可能会导致电容器7的寿命降低或损坏，而且中性点电压偏移过大可能会导致开关元件失效，从而影响电机驱动系统的稳定性和电网电压的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相中性点钳位式四象限运行的电源变换装置，可以高效率地抑制中性点电压的变动，提高安全性，提高输出电压的质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置，包括2个三相PWM变换装置，该三相PWM变换装置具有正母线、负母线以及中性线，并分为3相设有中性点钳位式PWM变换器，各中性点钳位式PWM变换器在正母线和相输出端子及负母线和相输出端子之间分别串联连接第一和第二开关元件及第三和第四开关元件，而且所述第一和所述第二开关元件的连接点及所述第三和所述第四开关元件的连接点分别经由钳位元件与所述中性点连接，所述的2个三相PWM变换装置的正母线、负母线及中性线分别连接，并且所述的正母线和中性线及所述的负母线和中性线之间分别串联电容，具有第一个计算值求取装置，用于求取第一个计算值，该第一个计算值为以下2值的代数和：第一个三相PWM变换装置，在PWM周期中所述的正母线、所述的负母线、所述的中性线分别与3相所述的相输出端子连接的第一状态下3相的输出电压的时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；第二个三相PWM变换装置，在PWM周期中在所述的第一状态下3相的输出电压的时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；第二个计算值求取装置，用于求取第二个计算值，该第二个计算值为以下2值的代数和：第一个三相PWM变换装置，在PWM周期中将3相的所述相输出端子中的2个与所述的正母线连接而3相的所述的相输出端子中的1个与所述的中性线连接的第二状态下的、或将3相的所述的相输出端子中的2个与所述中性线连接而将3相的所述的相输出端子中的1个与所述的负母线连接的第三状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；第二个三相PWM变换装置，在PWM周期中所述的第二状态下或所述的第三状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；第三个计算值求取装置，用于求取第三个计算值，该第三个计算值为以下2值的代数和：第一个三相PWM变换装置，在PWM周期中将3相的所述的相输出端子中的1个与所述正母线连接而3相的所述的相输出端子中的2个与所述中性线连接的第四状态下的、或将3相的所述的相输出端子中的1个与所述的中性线连接而3相的所述的相输出端子中的2个与所述的负母线连接的第五状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点电流值的乘积；第二个三相中性点钳位式PWM装置，在PWM周期中所述的第四状态下的或所述的第五状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点电流值得乘积；比率决定装置，根据所述的第一、所述的第二以及所述的第三计算值决定2个三相PWM变换装置在PWM周期中所述的第二和所述的第三、所述的第四和所述的第五状态的比率，使得流向所述中性线的电流接近零，或使所述的中性线电位接近所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位。

本发明还可以将2个三相PWM变换装置中所述的正母线、所述的负母线以及所述的中性线分别与3相的所述的相输出端子连接的6个开关状态下的3相输出电压的时间减少到零，并以3相的所述相输出端子分别与所述正母线或所述负母线连接但是不包括3相的3个所述的相输出端子同时与所述的正母线或负母线连接的状态的6个开关状态，来弥补抑制在所述的6个开关状态下的3相输出电压的时间为零时所伴随的输出电压不足量，其特征在于：当所述的第一个计算值大于所述的第二个计算值，或者所述的第一个计算值大于所述的第三个计算值，或者所述的第一个计算值大于所述的第二个计算值和所述的第三个计算值之和时，在比率决定装置中，根据所述的第二计算值和所述的第三计算值决定2个三相PWM变换装置所述的第二和所述的第三、所述的第四和第五状态的比率，使得流向所述的中性线的电流接近零，或使所述的中性线电位接近所述的正母线电位和所述的负母线电位之间的正中间的电位。

本发明还可以具有如下比率决定装置，根据所述的第一、所述的第二以及所述的第三计算值决定2个三相PWM变换装置在PWM周期中所述的第二和所述的第三、所述的第四和第五状态的比率，使得所述中性线电位偏离所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间电位大于所设定值时，使得流向所述中性线的电流值不为零，来弥补抑制中性线电位的偏移。

本发明的技术方案要保证所述的三相中性点钳位式四象限运行的电源变换装置的2个三相PWM变换装置的PWM周期相同。

通过这样做，由于使中性点电位变动尽量接近零，或通过使中性线的电位接近正母线和负母线电压之间的正中间的电位，可以高效抑制中性点电位变动，因此可以提高安全性，提高输出电压的质量。

附图说明

图1是表示一种传统的四象限运行的2电平电源变换装置电路图。

图2是表示是一种背靠背三电平四象限运行的电源变换装置的主电路结构的电路图。

图3是表示本发明实施例的三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置的PWM脉冲运算器的结构的方框图。

图4是三相中性点钳位式PWM变换装置的输出电压空间向量图。

图5是Alfa/Beta坐标系变换到g/h坐标系示意图。

实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。图3是表示本实施例的三相中性点钳位式四象限运行的电源变换装置的PWM脉冲运算器的结构的方框图。如图3所示，本实例的三相中性点钳位式四象限电源变换装置具备调制波发生器301、载波发生器302、向量脉宽计算器303、向量脉宽寄存器304、脉宽调整计算器305和PWM模式设定器306构成。

图4所示的为三相中性点钳位式PWM变换装置的输出电压空间向量图，其中包括27个输出电压矢量，当PWM变换装置的输出电压处于图4所示的24个区域中的某一个时，可以用组成该区域的几个输出电压矢量替代。

27个输出电压矢量可以分为4种，

小矢量：和

中矢量：

大矢量：

和

零矢量：

和

大小分别为：

$\left|{\stackrel{\→}{u}}_a\right|=\left|{\stackrel{\→}{u}}_b\right|=\sqrt{\frac{2}{3}}{u}_d$

$\left|{\stackrel{\→}{u}}_c\right|=\frac{\sqrt{2}}{2}{u}_d$

$\left|{\stackrel{\→}{u}}_{\mathrm{ap}}\right|=\left|{\stackrel{\→}{u}}_{\mathrm{an}}\right|=\left|{\stackrel{\→}{u}}_{\mathrm{bp}}\right|=\left|{\stackrel{\→}{u}}_{\mathrm{bn}}\right|=\sqrt{\frac{1}{6}}{u}_d$

其中u_d为直流侧电压。将其进行单位化变换得，

$\left|{\stackrel{\→}{D}}_a\right|=\left|{\stackrel{\→}{D}}_b\right|=1$

$\left|{\stackrel{\→}{D}}_c\right|=\frac{\sqrt{3}}{2}$

$\left|{\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{ap}}\right|=\left|{\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{an}}\right|=\left|{\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{bp}}\right|=\left|{\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{bn}}\right|=\frac{1}{2}$

PWM变换装置的输出电压向量可以表示为：

${\stackrel{\→}{u}}_s=u_{\mathrm{\α}}+j{u}_{\mathrm{\β}}$

将其进行单位化变换得，

${\stackrel{\→}{D}}_s=\frac{{\stackrel{\→}{u}}_s}{\left|{\stackrel{\→}{u}}_a\right|}=D_{\mathrm{\α}}+j{D}_{\mathrm{\β}}$

如图5所示，将

由Alfa/Beta坐标系变换到g/h坐标系，

$\left\{\begin{array}{c}{D}_g=D_{\mathrm{\α}}-\frac{1}{\sqrt{3}}{D}_{\mathrm{\β}}\\ D_h=\frac{2}{\sqrt{3}}{D}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

根据图4所示，求得以下方程，其中D_x、D_y和D_z分别为输出电压向量

处于相应区域时，所对应的三个电压向量的脉宽，其中D_uxg、D_uyg和D_uzg可以根据下表1查得。

$\left\{\begin{array}{c}{D}_g=D_x\·D_{\mathrm{uxg}}+D_y\·D_{\mathrm{uyg}}+D_z\·D_{\mathrm{uzg}}\\ D_h=D_x\·D_{\mathrm{uxh}}+D_y\·D_{\mathrm{uyh}}+D_z\·D_{\mathrm{uzh}}\\ D_x+D_y+D_z=1.0\end{array}\right.---\left(1\right)$

（表1）

向量系数对应表

PWM装置输出的电压向量可以位于图4所示的24个区域中的任一区域，但是其采取的调制方式都是一样的，现以所述的第一个PWM变换装置的输出电压向量位于图4所示的A3区域，所述的第二个PWM变换装置的输出电压向量位于图4所示的C4区域为例描述三相中性点钳位式四象限运行的电源变换装置实施方式。其中第一个PWM变换装置的输出电压向量的变量用带下标1参数表示，第二个PWM变换装置的输出电压向量的变量用带下标2参数表示。

当所述的第一个PWM变换装置的输出电压矢量处在图4所示的A3区域时，输出电压矢量可以用电压矢量D_1bs（PPO和OON)）、D_las（POO和ONN）和D_1c（PON）来表示，由上式（1）和表（1）求得下式：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{1g}=D_{1\mathrm{as}}\·\frac{1}{2}+D_{1\mathrm{bs}}\·0+D_{1c}\·\frac{1}{2}\\ D_{1h}=D_{1\mathrm{as}}\·0+D_{1\mathrm{bs}}\·\frac{1}{2}+D_{1c}\·\frac{1}{2}\\ D_{1\mathrm{as}}+D_{1\mathrm{bs}}+D_{1c}=1.0\end{array}\right.$

解得电压矢量D_1bs、D_las和D_1c的脉宽为，

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{1\mathrm{bs}}=1.0-2D_{1g}\\ D_{1\mathrm{as}}=1.0-2D_{1h}\\ D_{1c}=2D_{1g}+2D_{1h}-1.0\end{array}\right.---\left(2\right)$

当所述的第二个PWM变换装置的输出电压矢量处在图4所示的C4区域时，输出电压矢量可以用电压矢量D_2bs（OPP和NOO）、D_2bl（NPP）和D_2c（NPO）来表示，

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{2g}=D_{2\mathrm{bs}}\·(-\frac{1}{2})+D_{2\mathrm{bl}}\·(-1)+D_{2c}\·(-1)\\ D_{2h}=D_{2\mathrm{bs}}\·0+D_{2\mathrm{bl}}\·0+D_{2c}\·\frac{1}{2}\\ D_{2\mathrm{bs}}+D_{2\mathrm{bl}}+D_{2c}=1.0\end{array}\right.$

解得电压矢量D_2bs、D_2bl和的脉宽为，

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{2\mathrm{bl}}=-1.0-2D_{2g}-2D_{2h}\\ D_{2\mathrm{bs}}=2(1.0+D_{2g})\\ D_{2c}=2D_{2h}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在向量脉宽计算器303中，通过电流检测装置，测出第一个PWM变换装置三相U、V和W的三相电流为I_1u、I_1v和I_1w，当第一个PWM变换装置输出电压位于A3区域时，第一个PWM变换装置引起的中性点电流可以表示为：

I_1n=(D_lan-D_1ap)I_1u+(D_lbp-D_1bn)I_1w+D_1cI_1v    （4）

测出第二个PWM变换装置U、V和W的三相电流为I_2u、I_2v和I_2w。当第二个PWM变换装置输出电压位于C4区域时，第二个PWM变换装置引起的中性点电流可以表示为：

I_2n=(D_2bp-D_2bn)I_2u+D_2cI_2w                   （5）

故三相中性点钳位式四象限运行的电源变换装置中性点电流可以表示为：

I_n=D_1as|I_1u|+D_1bs|I_1w|+D_1c|I_1v|+D_2bs|I_2u|+D_2c|I_2w|

当满足下式：

D_1c|I_lv|+D_2c|I_2w|<D_1as|I_1u|+D_1bs|I_1w|+D_2bs|I_2u|

可以调整D_1an和D_1ap，D_1bn和D_1bp以及D_2an和D_2ap，D_2bn和D_2bp的比率来抑制中性点电流当满足下式时：

D_1c|I_1v|+D_2c|I_2w|>D_1as|I_1u|+D_1bs|I_1w|+D_2bs|I_2u|

可以用D_1a和D_1b代替D_1c，输出电压矢量可以用电压矢量D_1bs（PPO和OON)）、D_1as（POO和ONN）、D_1al（PNN）和D_1bl（PPN）来表示，则根据式（2）求得：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{1\mathrm{bl}}^{\&prime;}=0.5D_{1c}\\ D_{1\mathrm{bs}}^{\&prime;}=D_{1\mathrm{bs}}\\ D_{1\mathrm{as}}^{\&prime;}=D_{1\mathrm{as}}\\ D_{1\mathrm{al}}^{\&prime;}=0.5D_{1c}\end{array}\right.$

D_2a和D_2b代替D_2c,针对第二个PWM变换装置位于C4区域时，输出电压矢量可以用电压矢量D_2bs（OPP和NOO）、D_2bl（NPP）和D_2al（NPN）来表示，则根据式（3）求得：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{2\mathrm{bl}}^{\&prime;}=D_{2\mathrm{bl}}+0.5D_{2c}\\ D_{2\mathrm{bs}}^{\&prime;}=D_{2\mathrm{bs}}\\ D_{2\mathrm{al}}^{\&prime;}=0.5D_{2c}\end{array}\right.$

来消除中矢量产生过大的中性点电流，从而抑制中性点电流的变动。

向量脉宽计算器303中，通过中性点电压检测装置，当中性点电位超出正母线和负母线正中间电位规定值时，需要使中性点电流大于0，来降低中性点电位。

根据第一个PWM变换装置引起的中性点电流，即式（4）按照表2来调整D_1an和D_1ap，D_1bn和D_1bp的比率，即可使第一个PWM变换装置引起的中性点电流大于0.

（表2）

A3区域中性点电流输出对应表（中性点电流大于0）

I1u	I1w	I1n
			+	+	D1anI1u+D1bpI1w+D1cI1v
+	-	D1anI1u-D1bnI1w+D1cI1v
			-	+	-D1apI1u+D1bpI1w+D1cI1v
-	-	-D1apI1u-D1bnI1w+D1cI1v

根据第二个PWM变换装置引起的中性点电流式（4）按照表3来调整D_2an和D_2ap，D_2bn和D_2bp的比率，即可使第二个PWM变换装置引起的中性点电流大于0.

（表3）

C4区域中性点电流对应表（中性点电流大于0）

I2v	I2u	I2n
			+	+	D2bpI2u+D2cI2w
+	-	-D2bnI2u+D2cI2w

-	+	D2bpI2u+D2cI2w
			-	-	-D2bnI2u+D2cI2w

通过中性点电压检测装置，当中性点电位低于超出正母线和负母线正中间电位规定值时，需要使中性点电流小于0，来增加中性点电位。

根据第一个PWM变换装置引起的中性点电流式（4）按照表4来调整D_1an和D_1ap，D_1bn和D_1bp的比率，即可使第一个PWM变换装置引起的中性点电流小于0.

（表4）

A3区域中性点电流对应表（中性点电流小于0）

I1u	I1w n	I1n
			+	+	-DlapI1u-D1bnI1w+D1cI1v
+	-	-D1apI1u+D1bpI1w+D1cI1v
			-	+	D1anI1u-D1bnI1w+D1cI1v
-	-	D1anI1u+D1bpI1w+D1cI1v

根据第二个PWM变换装置引起的中性点电流式（5）按照表5来调整D_2an和和D_2ap，D_2bn和D_2bp的比率，即可使第二个PWM变换装置引起的中性点电流小于0.

（表5）

C4区域中性点电流对应表（中性点电流小于0）

I2v	I2u	I2n
			+	+	-D2bnI2u+D2cI2w
+	-	D2bpI2u+D2cI2w
			-	+	-D2bnI2u+D2cI2w
-	-	D2bpI2u+D2cI2w

因此，当所述的2个PWM变换装置的输出电压位于图4所示的为三相中性点钳位式PWM变换装置的输出电压空间向量图不同区域时，保证所述的第一个PWM变换装置和所述的第二个PWM变换装置在相同的PWM频率下，按照如上的方式进行调制使中性点电位变动尽量接近零，或通过使中性线的电位接近正母线和负母线电压之间的正中间的电位，可以高效抑制中性点电位变动。

Claims (4)

1.一种三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置，包括2个三相PWM变换装置，该三相PWM变换装置具有正母线、负母线以及中性线，并分为3相设有中性点钳位式PWM变换器，各中性点钳位式PWM变换器在正母线和相输出端子及负母线和相输出端子之间分别串联连接第一和第二开关元件及第三和第四开关元件，而且所述第一和所述第二开关元件的连接点及所述第三和所述第四开关元件的连接点分别经由钳位元件与所述中性点连接，所述的2个三相PWM变换装置的正母线、负母线及中性线分别连接，并且所述的正母线和中性线及所述的负母线和中性线之间分别串联电容，其特征在于，具备：

    第一个计算值求取装置，用于求取第一个计算值，该第一个计算值为以下2值的代数和：第一个三相PWM变换装置，在PWM周期中所述的正母线、所述的负母线、所述的中性线分别与3相所述的相输出端子连接的第一状态下3相的输出电压的时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；第二个三相PWM变换装置，在PWM周期中在所述的第一状态下3相的输出电压的时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；   

    第二个计算值求取装置，用于求取第二个计算值，该第二个计算值为以下2值的代数和：第一个三相PWM变换装置，在PWM周期中将3相的所述相输出端子中的2个与所述的正母线连接而3相的所述的相输出端子中的1个与所述的中性线连接的第二状态下的、或将3相的所述的相输出端子中的2个与所述中性线连接而将3相的所述的相输出端子中的1个与所述的负母线连接的第三状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；第二个三相PWM变换装置，在PWM周期中所述的第二状态下或所述的第三状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点的电流值的乘积；

    第三个计算值求取装置，用于求取第三个计算值，该第三个计算值为以下2值的代数和：第一个三相PWM变换装置，在PWM周期中将3相的所述的相输出端子中的1个与所述正母线连接而3相的所述的相输出端子中的2个与所述中性线连接的第四状态下的、或将3相的所述的相输出端子中的1个与所述的中性线连接而3相的所述的相输出端子中的2个与所述的负母线连接的第五状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点电流值的乘积；第二个三相中性点钳位式PWM装置，在PWM周期中所述的第四状态下的或所述的第五状态下的3相输出电压时间的计算值和在该状态下流向中性点电流值得乘积；

    比率决定装置，根据所述的第一、所述的第二以及所述的第三计算值决定2个三相PWM变换装置在PWM周期中所述的第二和所述的第三、所述的第四和所述的第五状态的比率，使得流向所述中性线的电流接近零，或使所述的中性线电位接近所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间的电位。

2. 如权利要求1所述的一种三相中性点钳位式四象运行的三电平电源变换装置，将2个三相PWM变换装置中所述的正母线、所述的负母线以及所述的中性线分别与3相的所述的相输出端子连接的6个开关状态下的3相输出电压的时间减少到零，并以3相的所述相输出端子分别与所述正母线或所述负母线连接但是不包括3相的3个所述的相输出端子同时与所述的正母线或负母线连接的状态的6个开关状态，来弥补抑制在所述的6个开关状态下的3相输出电压的时间为零时所伴随的输出电压不足量，其特征在于：当所述的第一个计算值大于所述的第二个计算值，或者所述的第一个计算值大于所述的第三个计算值，或者所述的第一个计算值大于所述的第二个计算值和所述的第三个计算值之和时，在比率决定装置中，根据所述的第二计算值和所述的第三计算值决定2个三相PWM变换装置所述的第二和所述的第三、所述的第四和第五状态的比率，使得流向所述的中性线的电流接近零，或使所述的中性线电位接近所述的正母线电位和所述的负母线电位之间的正中间的电位。

3.如权利要求1所述的一种三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置，取代权利要求1所述的比率决定装置，设有下述比率决定装置，根据所述的第一、所述的第二以及所述的第三计算值决定2个三相PWM变换装置在PWM周期中所述的第二和所述的第三、所述的第四和第五状态的比率，使得所述中性线电位偏离所述正母线电位和所述负母线电位之间的正中间电位大于所设定值时，使得流向所述中性线的电流值不为零，来弥补抑制中性线电位的偏移。

4.如权利要求1至3中任一项所述的三相中性点钳位式四象限运行的三电平电源变换装置，其特征在于：所述的2个三相PWM变换装置的PWM周期相同。

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