CN102780413A - 基于载波交叠的npc型三电平逆变器中点电压spwm控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压SPWM控制方法，将实时测量的逆变器中点电压与给定值进行比较，根据比较结果实时调整上、下载波的交叠量，将调节后得到的上、下载波与调制波进行比较输出PWM信号，以控制逆变器的开关管工作状态，从而实现逆变器中点电压的平衡。本发明保持调制波不变，通过将上载波的幅值增加或者将下载波的幅值增加改变上下载波的交叠量h，进而实现中点电压的平衡，该方法具有计算简单，实时性好，实现容易的特点。

Description

基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压SPWM控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压SPWM控制方法。

背景技术

与传统的两电平逆变器相比，二极管箝位式(NPC)三电平逆变器由于输出电压更加接近正弦波，在相同的开关频率下可以有效降低输出波形的谐波，在相同的条件下，对开关器件耐压等级要求低、等效开关频率高，因此在中高压变频调速、有源电力滤波器和电力系统无功补偿等中高压大功率变换领域中得到广泛的应用。但是中点电压平衡问题是其固有的突出问题。直流母线电容参数不一致，负载不平衡以及调制策略都有可能引起中点电压不平衡。中点电压的不平衡将会引起输出电压的畸变，甚至出现不需要的电平，同时会降低电容的寿命，严重时还会损坏开关器件和滤波电容。

实现中点电压平衡的控制策略的主要两种，一种是基于空间矢量的空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法，另一种是基于载波的正弦脉宽调制(SPWM)方法。在SVPWM调制方法中，所有的空间矢量可以分为大矢量，中矢量，小矢量和零矢量，小矢量和零矢量都有冗余开关状态，并且每对冗余小矢量对中点电压的作用相反，因此调整正负小矢量的相对作用时间是最常用的中点电压控制方法，但是这种方法平衡能力有限，同时不利于向更高电平逆变器扩展。

在SPWM调制方法中，中点电压平衡的算法绝大部分是基于调制波的，主要通过向三相调制波中注入零序分量来实现中点电压的平衡控制。但是零序分量的选取需要技巧，有文献提出一种动态调整零序分量的“预估-校验-修正”控制算法，达到了一定的控制效果。该方法通过使平均中点电流为零来确定需要注入的零序分量，方法中首先要预估计算所需注入的零序电压v_z，预估计算由下式给出：

$v_z=\frac{-i_0-[\mathrm{sgn}\left(v_a\right)\×v_a\×i_a+\mathrm{sgn}\left(v_b\right)\×v_b\×i_b+\mathrm{sgn}\left(v_c\right)\×v_c\×i_c]}{\mathrm{sgn}\left(v_a\right)\×i_a+\mathrm{sgn}\left(v_b\right)\×i_b+\mathrm{sgn}\left(v_c\right)\×i_c}---\left(1\right)$

其中v_j(j=a,b,c)为三相参考电压，i_j(j=a,b,c)为三相电流，sgn()为符号函数，v_z为零序电压，i₀为中点电流。预估计算得到零序电压后，要根据实际情况对其进行实时校验和修正，过程中需要用到的参数有中点电压，中点电流，三相电流和三相电压值。大量的参数不利于实时控制系统的实现，同时零序分量的计算复杂，不利于系统的数字实现。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压SPWM控制方法，通过保持调制波不变，将上载波的幅值增加或者将下载波的幅值增加，通过改变上下载波的交叠量h，来实现中点电压的平衡，该方法具有计算简单，实现容易的优点。

一种基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压SPWM控制方法，具体为：将实时测量的逆变器中点电压与给定值进行比较，根据比较结果实时调整上、下载波的交叠量，将调节后得到的上、下载波与调制波进行比较输出PWM信号，以控制逆变器的开关管工作状态，从而实现逆变器中点电压的平衡；

在上载波的上边界和下载波的下边界保持不变的条件下按照如下方式调整所述上、下载波的交叠量：

令上、下载波的交叠量h满足0<h≤m，m为调制比，

为功率因数角，U_np为逆变器中点电压，U_dc为直流母线电压；

在

时，若U_np大于U_dc/2，则上载波保持不变，下载波幅值增加为1+h；若U_np等于U_dc/2，则上、下载波均保持不变；若U_np小于U_dc/2，则下载波保持不变，上载波幅值增加为1+h；

在时，若U_np大于Udc/2，则下载波保持不变，上载波幅值增加为1+h；若U_np等于U_dc/2，则上、下载波均保持不变；若U_np小于U_dc/2，则上载波位置保持不变，下载波增加为1+h。

进一步地，当所述调制比m大于0.45时，交叠量h的最大值等于0.45。

发明的技术效果体现在：

本发明采用的技术方案是一种载波交叠的三电平逆变器中点电压控制方法，该方法实时测量中点电压U_np，并且与给定值进行比较，根据比较结果来确定载波的交叠量，将改变后的载波与调制波进行比较输出PWM信号，以控制逆变器的开关管工作状态，从而实现中点电压的平衡控制。整个方法只需要对其中一个载波进行幅值调整，不涉及大量的参数计算，方法简单，实时性好，容易实现。

附图说明

图1为本发明所要调制的NPC型三电平逆变器拓扑结构图。

图2为传统三电平SPWM调制方案的示意图，其中2(a)为载波与调制波示意图，2(b)~2(e)为开关管输出状态，2(f)为输出相电压波形。

图3为本发明调整载波交叠量的控制结构框图。

图4为本发明下载波保持不变，上载波幅值变大的示意图。

图5为本发明下载波保持不变，上载波幅值变大时，中点电压波动dU_c、调制比m、载波交叠量h的关系示意图。

图6为本发明上载波位置保持不变，下载波幅值变大的示意图。

图7为本发明上载波位置保持不变，下载波幅值变大时，中点电压波动dU_c、调制比m、载波交叠量h的关系示意图。

图8为本发明中点电压控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为三相NPC型三电平逆变器的主电路结构图。图中输入直流电压为U_dc，中间直流支撑电容分别为C₁，C₂，电容两端的电压为U_c1，U_c2。中点电压为U_np，其值与U_c2相同，在正常情况下，中点电压不发生偏移，U_np=U_dc/2。但是由于支撑电容参数的不一致，负载不平衡以及调制策略等原因，会使电容充放电不平衡，导致中点电压波动，中点电压波动值dU_c定义为dU_c=U_c1-U_c2。图2为传统的三电平SPWM调制方法。其中(a)为上、下载波与调制波示意图，(b)~(e)为开关管输出状态，(f)为输出相电压波形。但是在中点电压偏移时，传统的SPWM调制方法不能消除或者抑制中点电压偏移。

在上述传统的三电平SPWM调制方法基础上，本发明提出一种基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压控制方法，可以有效实现中点电压控制。本发明技术思路为在上载波的上边界和下载波的下边界保持不变的条件下实时调整上、下载波的交叠量，将调节后得到的载波与调制波进行比较输出PWM信号，以控制逆变器的开关管工作状态。图3给出了本发明方法的算法实现框图，控制流程具体方法如下：

步骤1、实时测量中点电压U_np，并且与给定值进行比较；

步骤2、根据比较结果选择载波交叠时需幅值改变的载波，并将其幅值增加为1+h，具体过程如下：

中点箝位式三电平逆变器的中点电流可以表示为

i_o＝i_ad_ao+i_bd_bo+i_cd_co    (2)

其中i_o为中点电流，i_j(j=a,b,c)为相电流，d_jo为O状态的占空比。

当载波不发生变化时，“O”状态的占空比可以表示为

$d_{\mathrm{jo}}=\left\{\begin{array}{cc}1-u_j& (u_j\&GreaterEqual;0)\\ 1+u_j& (u_j<0)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中u_j(j=a,b,c)为三相调制波。

当直流母线支撑电容值一致时，中点电流的波动可以表示为：

${\mathrm{dU}}_c=U_{c1}-U_{c2}=\frac{i_o}{C}=\frac{i_a{d}_{\mathrm{ao}}+i_b{d}_{\mathrm{bo}}+i_c{d}_{\mathrm{co}}}{C}---\left(4\right)$

其中dU_c为中点电流波动，U_c1，U_c2分别为上下电容的电压，C为上下电容的电容值。

当下载波保持不变，上载波u_tri1幅值变为1+h时，一个调制波周期内中点电压波动值dU_c与交叠量的关系为：

当上载波保持不变，下载波u_tri2幅值变为1+h时，一个调制波周期内中点电压波动值dU_c与交叠量的关系为：

其中I_m为相电流的幅值，

为功率因数，h为载波交叠量，m为调制比。

根据以上公式，当相电流幅值，功率因数，调制比固定时，可以得到载波交叠量与中点电压波动值的唯一关系：在

时，上载波u_tri1幅值变为1+h，中点电压波动值为负，可以使中点电压上升；下载波u_tri2幅值变为1+h，中点电压波动值为正，可以使中点电压下降。在

时，上载波u_tri1幅值变为1+h，中点电压波动值为正，可以使中点电压下降；下载波u_tri2幅值变为1+h，中点电压波动值为负，可以使中点电压上升。

因此可以通过改变载波的幅值来实现中点电压的平衡控制。在

时，若U_np大于U_dc/2，则应使下载波u_tri2幅值变为1+h，若U_np小于U_dc/2，则应使上载波u_tri1幅值变为1+h。在

时，若U_np大于U_dc/2，则应使上载波u_tri1幅值变为1+h，若U_np小于U_dc/2，则应使下载波u_tri2幅值变为1+h。h为移动后的交叠量，0<h≤m，m为调制比，一般U_np与U_dc/2之差的绝对值越大则h越大。当h在0.45附近时，调节作用最大，在m>0.45条件下可以将h的最大值限制在0.45。

步骤3、将载波与调制波做比较输出开关信号，如果调制波的幅值大于上载波的幅值，则对应的开关管1开通，开关管3关断，反之则开关管1关断，开关管3开通。如果调制波的幅值大于下载波的幅值，则对应的开关管2开通，开关管4关断，反之则开关管2关断，开关管4开通，其中开关管1~4为同一桥臂中自上而下的四个开关管。

根据以上步骤即可对NPC型三电平逆变器中点电压进行控制。

实施例：

本发明的基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压控制方法，可以有效实现中点电压控制。图3给出了本发明方法的算法实现框图，u′_tri1，u′_tri2分别为交叠后的载波值。Fcn1为载波幅值的调整函数，当上载波幅值变为1+h时，下载波保持不变，u′_tri1由下式给出：

当下载波幅值变为1+h时，上载波保持不变，u′_tri2由下式给出：

$u_{\mathrm{tri}2}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2}{T}\&times;(1+h)\&times;\mathrm{rem}(t/T)-1& (0\&le;\mathrm{rem}(t/T)<T/2)\\ 1+2\&times;h-\frac{2}{T}\&times;(1+h)\&times;\mathrm{rem}(t/T)& (T/2\&le;\mathrm{rem}(t/T)<T)\end{array}\right.---\left(8\right)$

该方法需要采样中点电压U_np，并且将U_np与U_dc/2做比较，通过比较结果来确定载波交叠值。图4为本发明方法中，上载波的上边界M和下载波的下边界N保持不变，上载波幅值变为1+h时的载波交叠示意图。当上载波幅值变为1+h时，“O”状态的作用时间由下式给出：

$d_{\mathrm{jo}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}(1-u_j)/(1+h)& (u_j\&GreaterEqual;0)\\ (1+u_j\&times;h)/(1+h)& (-h<u_j<0)\\ 1+u_j& (u_j\&le;-h)\end{array}\right.---\left(9\right)$

一个调制波周期内的中点电压波动可以表示为：

${\mathrm{dU}}_c={\&Integral;}_0^{2\mathrm{\&pi;}}\frac{i_a{d}_{\mathrm{ao}}^{\&prime;}+i_b{d}_{\mathrm{bo}}^{\&prime;}+i_c{d}_{\mathrm{co}}^{\&prime;}}{C}d\left(\mathrm{\&omega;t}\right)---\left(10\right)$

将式(9)代入式(10)可以计算在一个调制波周期内上载波幅值变为1+h时对中点电压波动的影响，式(5)给出的在一个调制波周期内中点电压波动值dU_c与载波交叠量h的关系。图5为取I_m/C为单位量时的dU_c、m、h的关系示意图。在

其他参数不变时时，中点电压波动量与载波交叠量h成反比。在

其他参数不变时，中点电压波动量与载波交叠量h成正比。

图6为本发明方法中，下载波幅值变为1+h时的载波交叠示意图。当下调制波幅值变为1+h时，“O”状态的作用时间由下式给出：

$d_{\mathrm{jo}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}1-u_j& (u_j\&GreaterEqual;h)\\ (1-u_j\&times;h)/(1+h)& (0<u_j<h)\\ (1+u_j)/(1+h)& (u_j\&le;0)\end{array}\right.---\left(11\right)$

将式(11)代入式(10)可以计算在一个调制波周期内下载波幅值变为1+h时对中点电压波动的影响，式(6)给出的在一个调制波周期内中点电压波动值dU_c与载波交叠量h的关系。图7为取I_m/C为单位量时的dU_c、m、h的关系示意图。在

其他参数不变时时，中点电压波动量与载波交叠量h成正比。在

其他参数不变时，中点电压波动量与载波交叠量h成反比。

因此通过改变载波交叠量的位置和大小可以控制中点电压平衡。将中点电压U_np与U_dc/2做比较，通过比较结果来确定载波交叠量。将调整后的载波与调制波做比较输出开关信号，对于a相桥臂，如果调制波的幅值大于上载波的幅值，则对应的开关管S_a1开通，开关管S_a3关断，反之则开关管S_a1关断，开关管S_a3开通。如果调制波的幅值大于下载波的幅值，则对应的开关管S_a2开通，开关管S_a4关断，反之则开关管S_a2关断，开关管S_a4开通。

图8给出了本发明应用效果图。对以上方法进行Matlab仿真，仿真中直流母线电压为540V，中点电压给定值为270V，载波周期为1KHz，调制比m为0.4，载波交叠量h为0.25，其中U_c1，U_c2分别表示电容C₁，C₂两端的电压，中点电压U_np的值与U_c2相同。开始时中点电压发生偏移，在0.6s时采用基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压控制方法，中点电压很快稳定在270V，调节时间为1.5s。可见本发明的基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压控制方法对中点电压有很好的控制作用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压SPWM控制方法，具体为：将实时测量的逆变器中点电压与给定值进行比较，根据比较结果实时调整上、下载波的交叠量，将调节后得到的上、下载波与调制波进行比较输出PWM信号，以控制逆变器的开关管工作状态，从而实现逆变器中点电压的平衡；

在上载波的上边界和下载波的下边界保持不变的条件下按照如下方式调整所述上、下载波的交叠量：

令上、下载波的交叠量h满足0<h≤m，m为调制比，

为功率因数角，U_np为逆变器中点电压，U_dc为直流母线电压；在

时，若U_np大于U_dc/2，则上载波保持不变，下载波幅值增加为1+h；若U_np等于U_dc/2，则上、下载波均保持不变；若U_np小于U_dc/2，则下载波保持不变，上载波幅值增加为1+h；

在

时，若U_np大于U_dc/2，则下载波保持不变，上载波幅值增加为1+h；若U_np等于U_dc/2，则上、下载波均保持不变；若U_np小于U_dc/2，则上载波位置保持不变，下载波增加为1+h。

2.根据权利要求1所述的基于载波交叠的NPC型三电平逆变器中点电压SPWM控制方法，其特征在于，当所述调制比m大于0.45时，交叠量h的最大值等于0.45。

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