CN102969923A - 三电平变流器的中点电位平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平变流器的中点电位平衡控制方法，包括步骤：实时检测变流器三相电压和三相电流，以及直流侧两电容器组的电压信号；根据检测信号得到的两电容器组之间电压差，并通过PI调节器得到调整因子；根据获得的调整因子对脉冲信号进行调整，从而对三电平变流器的中点电位进行控制。本发明的控制方法精度高，能有效解决三电平变流器直流侧的两个电容器组的电压不平衡问题，使三电平变流器能够平滑、安全、稳定地运行。

Description

三电平变流器的中点电位平衡控制方法

技术领域

本发明涉及三电平变流器，尤其涉及一种三电平变流器的中点电位平衡控制方法。

背景技术

在电力电子的大功率应用场合中，多电平变流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。三电平结构是其中应用最为广泛的一种。

但是，由于三电平变流器的直流侧是通过两个电容器组串联的，所以在实际应用过程中往往会造成两个电容器组的电压不平衡，导致不平衡的原因主要有：1）不同开关管的开通关断时间不同；2）电容或者电感的参数不对称；3）直流母排结构设计上的硬件不对称所导致的杂散电感不对称；4）采样环节的精度误差和延时；5）控制环节的精度误差和延时。

两个电容器组的电压不平衡会导致器件过压和损坏，从而破坏设备的正常运行。目前主要采用滞环控制、平均中点电流控制等方法去调节中点电位。但是，这些控制方法对负载的工作状况依赖程度高，要求负载工作在完全平衡状态。然而实际应用中，负载难以达到完全平衡的工作状态，因此控制精度不高，中点电位仍然会在交大范围内波动，并且在中点电位中引入大量的高频分量。特别是对于负载的暂态波动过程，在控制过程中，动态响应慢、鲁棒性差，不能保证三电平变流器平滑、稳定地运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于三电平变流器的中点电位平衡控制方法，该控制方法精度高，能有效解决三电平变流器直流侧的两个电容器组的电压不平衡问题，使三电平变流器能够平滑、安全、稳定地运行。

实现上述目的的技术方案是：

一种三电平变流器的中点电位平衡控制方法，包括下列步骤：

步骤一，实时检测所述三电平变流器的三相电压u(t)和三相电流i(t)，以及其直流侧的两组电容器组的电压V_dc1(t)和V_dc2(t)；

步骤二，由公式Δu_dc(t)=|V_dc1(t)-V_dc2(t)|，求得所述两组电容器组的电压V_dc1(t)和V_dc2(t)之间的电压差Δu_dc(t)，然后将电压差Δu_dc(t)通过PI（比例-积分）调节器，由公式

计算得到调整因子k(t)，其中，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，t为时间，0≤τ≤t；

步骤三，根据获得的调整因子k(t)，对用于控制所述三电平变流器的SVPWM（空间矢量脉宽调制）脉冲发生模块的脉冲信号进行调整，以此实现对三电平变流器的中点电位的平衡控制。

上述的三电平变流器的中点电位平衡控制方法，其中，所述步骤三中，所述的对SVPWM脉冲发生模块的脉冲信号进行调整是指：利用调整因子k(t)调节正负小矢量的相对作用时间。

本发明的有益效果是：本发明通过引入PI调节器控制调整因子，通过调整因子对脉冲信号进行调整，从而使得整个系统实现连续调节，保证了在调节或者过度过程中三电平变流器的运行更加平滑；同时，本发明通过增加PI调节器引入负反馈，使得在控制上可以达到较以往滞环控制更高的精度，也使得三电平变流器更加稳定地运行。

附图说明

图1为三电平变流器主电路图；

图2为本发明控制原理示意图；

图3为三电平SVPWM矢量调制的第一扇区矢量图；

图4a和图4b分别为三电平变流器使用本发明所述控制方法前后的直流侧两电容器组电压差效果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，为三电平变流器的主电路图，由串联的两个电容器组C₁和C₂、六个二极管D₁-D₆以及对应三相（A、B、C）的三组同样的四个开关管（S_A1-S_A4、S_B1-S_B4和S_C1-S_C4）构成，本实施例中，开关管（S_A1-S_A4、S_B1-S_B4和S_C1-S_C4）均为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。其中，P、O、N三点分别为两个电容器组C₁和C₂串联支路上的三点，如图1，P、O点为C₁的两端点，O、N点为C₂的两端点，O点为C₁和C₂的交点。

请参阅图2，为本发明的原理示意图，三电平变流器的中点电位平衡控制方法包括下列步骤：

步骤一，实时检测三电平变流器的三相电压u(t)和三相电流i(t)，以及其直流侧的两组电容器组C₁和C₂的电压V_dc1(t)和V_dc2(t)；

步骤二，由公式Δu_dc(t)=|V_dc1(t)-V_dc2(t)|，求得两组电容器组C₁和C₂的电压V_dc1(t)和V_dc2(t)之间的电压差Δu_dc(t)，然后将电压差Δu_dc(t)通过PI调节器，由公式

计算得到调整因子k(t)，同时将调整因子k(t)限幅在[-1,1]区间；其中，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，t为时间，0≤τ≤t；

步骤三，根据获得的调整因子k(t)，对用于控制三电平变流器的SVPWM脉冲发生模块的脉冲信号进行调整，以此实现对三电平变流器的中点电位的平衡控制，三电平变流器的三相电压u(t)和三相电流i(t)输入SVPWM脉冲发生模块；在三电平SVPWM的矢量控制方法中，是通过控制正负小矢量的作用时间来调整中点电压的，即根据小矢量作用时相电流的方向，判断该小矢量对直流电容电压的影响（增大/降低）。因此，上述的“根据获得的调整因子k(t)，对用于控制所述三电平变流器的SVPWM脉冲发生模块的脉冲信号进行调整，”是指：利用调整因子k(t)调节正负小矢量的相对作用时间，从而达到控制中点电压的作用。下列为具体的实施步骤：

图3为三电平SVPWM矢量调制的第一扇区矢量图，有6个小扇区（图3中1到6标出），图中，i_a、i_b和i_c分别表示A、B、C三相流入中点的电流；V₀表示零矢量；V_M表示零矢量的投影；V_L1、V_L2表示大矢量；V_S1表示、V_S2表示中矢量；以图3中第一大扇区里的第1小扇区为例来介绍调整因子k(t)对脉冲信号进行调整的具体流程，如下：

结合图1中的P、O、N三点，对于第1小扇区来说，可以看出其三个电压合成矢量分别为OOO，POO或OON，以及PPO或OOP，假设其矢量的顺序为POO,OOO,OON,ONN,OON,OOO,POO。先计算在不考虑调整因子k(t)的情况下每个矢量的作用时间，计算如下：

$T_a=T_s\left[2m_a\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\θ})\right]$

$T_b=T_s[1-2m_a\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\θ})]$

T_c=T_s(2m_a sinθ)

其中，

V_ref为需要合成的电压矢量幅值，T_s为开关周期，θ为需要合成的电压矢量的角度，V_dc表示直流电压；T_a、T_b、T_c分别为V₀、V_S1、V_S2的作用时间。

此时每个矢量的作用时间分别为：POO为T_a/4；OOO为T_b/2；OON为T_c/2；ONN为T_a/2；OON为T_c/2；OOO为T_b/2；POO为T_a/4。

接下来，判断i_a电流的流向，定义电流从三电平变流器向系统流出为正。当i_a>0时，此时每个矢量的作用时间调整为：POO为(1+k)·T_a/4；OOO为T_b/2；OON为T_c/2；ONN为(1-k)·T_a/2；OON为T_c/2；OOO为T_b/2；POO为(1+k)·T_a/4；当i_a<0时，此时每个矢量的作用时间调整为POO为(1-k)·T_a/4；OOO为T_b/2；OON为T_c/2；ONN为(1+k)·T_a/2；OON为T_c/2；OOO为T_b/2；POO为(1-k)·T_a/4；其中，k表示调整因子k(t)，下同。

然后通过矢量作用时间决定每个开关管（S_A1-S_A4、S_B1-S_B4和S_C1-S_C4）的导通关断来产生触发脉冲。在一个开关周期T_s的时间之内开关管（S_A1-S_A4、S_B1-S_B4和S_C1-S_C4）具体的导通关断顺序和时间如下：

当i_a>0时，此时A相第一开关管S_A1的开关状态为开通-关断-开通，作用时间分别为(1+k)T_a/4，(1-k)T_a/2+T_b+T_c，(1+k)T_a/4；A相第二开关管S_A2的开关状态为一直开通，作用时间为T_s；A相第三开关管S_A3的开关状态为关断-开通-关断，作用时间分别为(1+k)T_a/4，(1-k)T_a/2+T_b+T_c，(1+k)T_a/4；A相第四开关管S_A4的开关状态为一直关断，作用时间为T_s；B相第一开关管S_B1的开关状态为一直关断，作用时间为T_s；B相第二开关管S_B2的开关状态为开通-关断-开通，作用时间分别为(1+k)T_a/4+T_b/2+T_c/2，(1-k)T_a/2，(1+k)T_a/4+T_b/2+T_c/2；B相第三开关管S_B3的开关状态为一直开通，作用时间为T_s；B相第四开关管S_B4的开关状态为关断-开通-关断，作用时间分别为(1+k)T_a/4+T_b/2+T_c/2，(1-k)T_a/2，(1+k)T_a/4+T_b/2+T_c/2；C相第一开关管S_C1的开关状态为一直关断，作用时间为T_s；C相第二开关管S_C2的开关状态为开通-关断-开通，作用时间分别为(1+k)T_a/4+T_b/2，(1-k)T_a/2+T_c，(1+k)T_a/4+T_b/2；C相第三开关管S_C3的开关状态为一直开通，作用时间为T_s；C相第四开关管S_C4的开关状态为关断-开通-关断，作用时间分别为(1+k)T_a/4+T_b/2，(1-k)T_a/2+T_c，(1+k)T_a/4+T_b/2。

当i_a<0时，此时A相第一开关管S_A1的开关状态为开通-关断-开通，作用时间分别为(1-k)T_a/4，(1+k)T_a/2+T_b+T_c，(1-k)T_a/4；A相第二开关管S_A2的开关状态为一直开通，作用时间为T_s；A相第三开关管S_A3的开关状态为关断-开通-关断，作用时间分别为(1-k)T_a/4，(1+k)T_a/2+T_b+T_c，(1-k)T_a/4；A相第四开关管S_A4的开关状态为一直关断，作用时间为T_s；B相第一开关管S_B1的开关状态为一直关断，作用时间为T_s；B相第二开关管S_B2的开关状态为开通-关断-开通，作用时间分别为(1-k)T_a/4+T_b/2+T_c/2，(1+k)T_a/2，(1-k)T_a/4+T_b/2+T_c/2；B相第三开关管S_B3的开关状态为一直开通，作用时间为T_s；B相第四开关管S_B4的开关状态为关断-开通-关断，作用时间分别为(1-k)T_a/4+T_b/2+T_c/2，(1+k)T_a/2，(1-k)T_a/4+T_b/2+T_c/2；C相第一开关管S_C1的开关状态为一直关断，作用时间为T_s；C相第二开关管S_C2的开关状态为开通-关断-开通，作用时间分别为(1-k)T_a/4+T_b/2，(1+k)T_a/2+T_c，(1-k)T_a/4+T_b/2；C相第三开关管S_C3的开关状态为一直开通，作用时间为T_s；C相第四开关管S_C4的开关状态为关断-开通-关断，作用时间分别为(1-k)T_a/4+T_b/2，(1+k)T_a/2+T_c，(1-k)T_a/4+T_b/2。

最后，根据上文所述的管子导通关断时间去产生触发脉冲从而控制三电平变流器以达到控制中点电位平衡。

图4a和图4b分别表示三电平变流器使用本发明所述控制方法前后，直流侧两电容器组电压差效果图。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种三电平变流器的中点电位平衡控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一，实时检测所述三电平变流器的三相电压u(t)和三相电流i(t)，以及其直流侧的两组电容器组的电压V_dc1(t)和V_dc2(t)；

步骤二，由公式Δu_dc(t)=|V_dc1(t)-V_dc2(t)|，求得所述两组电容器组的电压V_dc1(t)和V_dc2(t)之间的电压差Δu_dc(t)，然后将电压差Δu_dc(t)通过PI调节器，由公式

计算得到调整因子k(t)，其中，K_p为比例系数，T_i为时间积分常数，t为时间，0≤τ≤t；

步骤三，根据获得的调整因子k(t)，对用于控制所述三电平变流器的SVPWM脉冲发生模块的脉冲信号进行调整，以此实现对三电平变流器的中点电位的平衡控制。

2.根据权利要求1所述的三电平变流器的中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述步骤三中，所述的对SVPWM脉冲发生模块的脉冲信号进行调整是指：利用调整因子k(t)调节正负小矢量的相对作用时间。

Images