CN103051229A - 一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的互补电压发生装置，其原理是将二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分开，并在其间分别串联电压发生装置中的变压器的两个副边绕组，由电压发生装置对波动的电压进行实时的补偿，使二极管箝位式三电平逆变器的三相桥臂中点电压保持在直流侧电压的一半左右，直流侧中点电压波动在二极管箝位式三电平逆变器正常工作允许范围内。该装置包括单相全桥逆变电路、直流电源、滤波电容、滤波电感、变压器、PWM控制器、IGBT驱动电路、直流侧中点电压传感器、直流侧电压传感器、补偿电压传感器、二极管箝位式三电平逆变器；本发明装置结构简单、控制精度和同步性都较高。

Description

一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置，属于电力电子功率变换器技术领域。 

背景技术

由于电力电子器件的功率限制和输出电压、输出电流的谐波含量大，传统的二电平逆变器难以运用在高电压场合。而多电平电力电子装置以其谐波含量小、效率高、输出电压高、功率大等优点在高电压场合应用前景广阔。二极管箝位式三电平逆变器直流侧的两个直流电容电压通常应该各为直流侧电压的一半。由于电容值有限，中点电流对电容充放电会使直流侧中点电压产生波动，同时直流侧中点电压还会随着二极管箝位式三电平逆变器的运行条件而改变，导致二极管箝位式三电平逆变器即使在正常工作时，直流侧中点电压和三相桥臂中点电压波动过大，造成三电平逆变器上下桥臂电压分布不均，从而导致上下桥臂的开关器件电压应力严重不均衡和逆变器输出电压THD大增。要确保二极管箝位式三电平逆变器长期、可靠地运行，必须保证三相桥臂箝位二极管公共中点电压的波动在一定的范围内。因此研究一套能抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置，在实际工业应用中是非常必要的。 

目前最常用的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法是使用空间矢量脉宽调制，合理选择冗余矢量的作用顺序和时间的方法。《中国电机工程学报》于2006年第六期发表论文《中点箝位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究》，对这种方法做出了详细的阐述，但是该方法的控制算法非常复杂，抑制能力有限，对用于计算的控制芯片要求高，系统的实时性差，并且会影响二极管箝位式三电平逆变器输出波形的质量。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置，结构简单，推进了该逆变器的工业应用。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：将二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分开，并在其间串联一个互补电压发生装置，二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分别串联互补电压发生装置中的变压器的两个副边绕组，通过控制电路驱动互补电压发生器产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器中点电压的波动。该装置包括单相全桥逆变电路、直流电源、滤波电容、滤波电感、变压器、PWM控制器、IGBT驱动电路、直流侧中点电压传感器、直流侧电压传感器、补偿电压传感器、二极管箝位式三电平逆变器；直流电源并联于单相全桥逆变电路的直流侧，单相全桥逆变电路和滤波电感、变压器的原边串联，滤波电容并联于变压器的原边；而变压器的两个副边分别串联在二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点和直流侧电容之间，并且变压器副边的两个绕组同名端相反。直流侧中点电压传感器并联于二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点处，直流侧电压传感器并联于二极管箝位式三电平逆变器直流侧，补偿电压传感器并联于变压器副边一个绕组；直流侧中点电压传感器、直流侧电压传感器及补偿电压传感器的输出信号经过PWM控制器产生IGBT驱动信号。 

抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置的控制方法是，通过对二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压偏移量进行检测，由DSP计算出用于抑制直流侧中点电压波动所需要的补偿电压，再由PWM控制器产生IGBT驱动信号，驱动单相全桥逆变电路产生补偿电压，经过变压器将补偿电压叠加到二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点，实现对二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的抑制。 

具体技术方案如下： 

一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法，其特征在于：将二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分开，并在其间串联一个互补电压发生装置，二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分别串联互补电压发生装置中的变压器的两个副边绕组，通过控制电路驱动互补电压发生器产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器中点电压的波动。

所述的互补电压发生装置由单相全桥逆变电路1、直流电源2、滤波电容3、滤波电感4、变压器5组成，直流电源2并联于单相全桥逆变电路1的直流侧，单相全桥逆变电路1和滤波电感4，分别和变压器5的原边串联，滤波电容3并联于变压器5的原边，变压器5的两个副边绕组分别串联在二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点和直流侧电容之间，并且变压器5的两个副边绕组的同名端相反；所述的控制电路由该装置包括PWM控制器6、IGBT驱动电路7、直流侧中点电压传感器8、直流侧电压传感器9、补偿电压传感器10组成，直流侧中点电压传感器8并联于二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点处，直流侧电压传感器9并联于二极管箝位式三电平逆变器11直流侧，补偿电压传感器10并联于变压器5的一个副边绕组；直流侧中点电压传感器8、直流侧电压传感器9及补偿电压传感器10的输出信号经过PWM控制器6, PWM控制器6中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号，为单相全桥逆变电路1的4个IGBT提供驱动信号，由IGBT驱动电路7驱动单相全桥逆变电路1的4个IGBT工作使单相全桥逆变电路1产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点电压的波动。 

所述的PWM控制器6中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号的过程是这样实现的：当二极管箝位式三电平逆变器11带负载运行时，二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点电压发生偏移；直流侧中点电压传感器8，直流侧电压传感器9，补偿电压传感器10分别检测出直流侧电容中点实际电压U _n、直流侧实际电压U _dc和补偿实际输出电压U _c，输入PWM控制器6，PWM控制器6中的DSP芯片用0.5U _dc减去U _n得出补偿指令电压信号U _c*，再用U _c*减去U _c得到△U _c即U _c*与U _c的输出误差信号，输出误差信号△U _c经过PID调制和三角波比较得到 4个独立的PWM信号。 

根据用于抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法构建的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的互补电压发生装置，其特征在于：该装置包括互补电压发生装置和控制电路；所述的互补电压发生装置由单相全桥逆变电路1、直流电源2、滤波电容3、滤波电感4、变压器5组成，直流电源2并联于单相全桥逆变电路1的直流侧，单相全桥逆变电路1和滤波电感4，分别和变压器5的原边串联，滤波电容3并联于变压器5的原边，变压器5的两个副边绕组分别串联在二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点和直流侧电容之间，并且变压器5的两个副边绕组的同名端相反；所述的控制电路包括该装置的PWM控制器6、IGBT驱动电路7、直流侧中点电压传感器8、直流侧电压传感器9、补偿电压传感器10；直流侧中点电压传感器8并联于二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点处，直流侧电压传感器9并联于二极管箝位式三电平逆变器11直流侧，补偿电压传感器10并联于变压器5的一个副边绕组；直流侧中点电压传感器8、直流侧电压传感器9及补偿电压传感器10的输出信号经过PWM控制器6, PWM控制器6中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号，为单相全桥逆变电路1的4个IGBT提供驱动信号，由IGBT驱动电路7驱动单相全桥逆变电路1的4个IGBT工作使单相全桥逆变电路1产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点电压的波动。 

所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的互补电压发生装置特征在于：所述的PWM控制器6中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号的过程是这样实现的，当二极管箝位式三电平逆变器11带负载运行时，二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点电压发生偏移；直流侧中点电压传感器8，直流侧电压传感器9，补偿电压传感器10分别检测出直流侧电容中点实际电压U _n、直流侧实际电压U _dc和补偿实际输出电压U _c，输入PWM控制器6，PWM控制器6中的DSP芯片用0.5U _dc减去U _n 得出补偿指令电压信号U _c*，再用U _c*减去U _c得到△U _c即U _c*与U _c的输出误差信号，输出误差信号△U _c经过PID调制和三角波比较得到 4个独立的PWM信号。 

所述的DSP芯片可以是TMS320F2812。 

 本发明与现有技术对比，具有如下优点： 

    1.现有的使用空间矢量脉宽调制，合理选择冗余矢量的作用顺序和时间的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法使得控制算法变得非常复杂，对用于控制算法计算的DSP或ARM等集成电路芯片的计算速度要求非常高，而本装置的控制算法简单，对用于控制算法计算硬件要求较低，提高了计算的速度和系统的实时性。

2.现有的使用空间矢量脉宽调制，合理选择冗余矢量的作用顺序和时间的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法对直流侧电压偏移的抑制能力有限，并且会影响二极管箝位式三电平逆变器输出波形的质量，而本方法及其装置额外采用有源补偿的方式，用一套硬件装置接入二极管箝位式三电平逆变器的三个点间，而不改变二极管箝位式三电平逆变器的控制方法，可以对直流侧中点的电压偏移进行实时的、精确的补偿，因此对直流侧电压偏移的抑制能力强，优化了二极管箝位式三电平逆变器输出波形的质量。  

附图说明

图1是一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的装置的原理图； 

图2是一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的装置的电路图；

图3是控制策略示意图；

图中：1.单相全桥逆变电路，2.直流电源，3.滤波电容，4.滤波电感，5.变压器，6. PWM控制器，7. IGBT驱动电路，8.直流侧中点电压传感器，9.直流侧电压传感器，10.补偿电压传感器, 11.二极管箝位式三电平逆变器。 

U _n为直流侧中点实际电压，U _dc为直流侧实际电压，U _c*为补偿电压指令，U _c为实际输出补偿电压，△U _c为U _c*与U _c的误差电压。 

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。 

如图1至图3示出了本发明一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置的具体实施方式：本抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置的实现方法由单相全桥逆变电路、变压器组成的电路和检测控制系统组成： 

    参见图1、图2，该装置为：包括1.单相全桥逆变电路，2.直流电源，3.滤波电容，4.滤波电感，5.变压器，6. PWM控制器，7. IGBT驱动电路，8.直流侧中点电压传感器，9.直流侧电压传感器，10.补偿电压传感器, 11.二极管箝位式三电平逆变器；直流电源2并联于单相全桥逆变电路1的直流侧，单相全桥逆变电路1和滤波电感4，分别和变压器5的原边串联，滤波电容3并联于变压器5的原边，变压器5的两个副边绕组分别串联在二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点和直流侧电容之间，并且变压器5的两个副边绕组的同名端相反；直流侧中点电压传感器8并联于二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点处，直流侧电压传感器9并联于二极管箝位式三电平逆变器11直流侧，补偿电压传感器10并联于变压器5的一个副边绕组；直流侧中点电压传感器8、直流侧电压传感器9及补偿电压传感器10的输出信号经过PWM控制器6产生IGBT驱动信号。

该方法为：当二极管箝位式三电平逆变器11带负载运行时，二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点电压发生偏移；直流侧中点电压传感器8，直流侧电压传感器9，补偿电压传感器10分别检测出直流侧中点电压信号、直流侧电压信号和补偿电压信号，输入PWM控制器6，以计算需要的输出误差信号与补偿指令电压信号，PWM控制器6中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号，为单相全桥逆变电路1的4个IGBT提供驱动信号，由驱动电路7驱动单相全桥逆变电路1的4个IGBT工作；单相全桥逆变电路1产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器11直流侧中点电压的波动。 

参见图3，图3为抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的互补电压发生装置的控制策略的实现方法，直流侧中点电压传感器8测量直流侧电容中点实际电压U _n，直流侧电压传感器9测量直流侧实际电压U _dc，补偿电压传感器10测量补偿实际输出电压U _c，用0.5U _dc减去U _n得出补偿电压指令U _c*，再用U _c*减去U _c得到△U _c即U _c*与U _c的误差电压，输出误差信号△U _c经过PID调制和三角波比较得到PWM信号。 

本发明采用TI公司TMS320F2812芯片作为PWM控制器的主要芯片，该DSP芯片TMS320F2812具有2个PWM模块，每个模块可以输出6个独立的PWM信号，可以满足装置4个独立的PWM控制信号的需要。 

Claims (6)

1.一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法，其特征在于：将二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分开，并在其间串联一个互补电压发生装置，二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分别串联互补电压发生装置中的变压器的两个副边绕组，通过控制电路驱动互补电压发生器产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器中点电压的波动。

2.根据权利要求1所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法，其特征在于：所述的互补电压发生装置由单相全桥逆变电路（1）、直流电源（2）、滤波电容（3）、滤波电感（4）、变压器（5）组成，直流电源（2）并联于单相全桥逆变电路（1）的直流侧，单相全桥逆变电路（1）和滤波电感（4），分别和变压器（5）的原边串联，滤波电容（3）并联于变压器（5）的原边，变压器（5）的两个副边绕组分别串联在二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点和直流侧电容之间，并且变压器（5）的两个副边绕组的同名端相反；所述的控制电路由该装置包括PWM控制器（6）、IGBT驱动电路（7）、直流侧中点电压传感器（8）、直流侧电压传感器（9）、补偿电压传感器（10）组成，直流侧中点电压传感器（8）并联于二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点处，直流侧电压传感器（9）并联于二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧，补偿电压传感器（10）并联于变压器（5）的一个副边绕组；直流侧中点电压传感器(8)、直流侧电压传感器(9)及补偿电压传感器(10)的输出信号经过PWM控制器(6), PWM控制器(6)中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号，为单相全桥逆变电路（1）的4个IGBT提供驱动信号，由IGBT驱动电路（7）驱动单相全桥逆变电路（1）的4个IGBT工作使单相全桥逆变电路（1）产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点电压的波动。

3.根据权利要求2所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法，其特征在于：所述的PWM控制器（6）中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号的过程是这样实现的，当二极管箝位式三电平逆变器（11）带负载运行时，二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点电压发生偏移；直流侧中点电压传感器（8），直流侧电压传感器（9），补偿电压传感器（10）分别检测出直流侧电容中点实际电压U _n、直流侧实际电压U _dc和补偿实际输出电压U _c，输入PWM控制器（6），PWM控制器（6）中的DSP芯片用0.5U _dc减去U _n得出补偿指令电压信号U _c*，再用U _c*减去U _c得到△U _c即U _c*与U _c的输出误差信号，输出误差信号△U _c经过PID调制和三角波比较得到 4个独立的PWM信号。

4.根据权利要求1所述抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动方法构建的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的互补电压发生装置，其特征在于：该装置包括互补电压发生装置和控制电路；所述的互补电压发生装置由单相全桥逆变电路（1）、直流电源（2）、滤波电容（3）、滤波电感（4）、变压器（5）组成，直流电源（2）并联于单相全桥逆变电路（1）的直流侧，单相全桥逆变电路（1）和滤波电感（4），分别和变压器（5）的原边串联，滤波电容（3）并联于变压器（5）的原边，变压器（5）的两个副边绕组分别串联在二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点和直流侧电容之间，并且变压器（5）的两个副边绕组的同名端相反；所述的控制电路由该装置包括PWM控制器（6）、IGBT驱动电路（7）、直流侧中点电压传感器（8）、直流侧电压传感器（9）、补偿电压传感器（10），直流侧中点电压传感器（8）并联于二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点处，直流侧电压传感器（9）并联于二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧，补偿电压传感器（10）并联于变压器（5）的一个副边绕组；直流侧中点电压传感器(8)、直流侧电压传感器(9)及补偿电压传感器(10)的输出信号经过PWM控制器(6), PWM控制器(6)中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号，为单相全桥逆变电路（1）的4个IGBT提供驱动信号，由IGBT驱动电路（7）驱动单相全桥逆变电路（1）的4个IGBT工作使单相全桥逆变电路（1）产生补偿电压，抑制二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点电压的波动。

5.根据权利要求4所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的互补电压发生装置，其特征在于：所述的PWM控制器（6）中的DSP芯片计算出4个独立的PWM信号的过程是这样实现的，当二极管箝位式三电平逆变器（11）带负载运行时，二极管箝位式三电平逆变器（11）直流侧中点电压发生偏移；直流侧中点电压传感器（8），直流侧电压传感器（9），补偿电压传感器（10）分别检测出直流侧电容中点实际电压U _n、直流侧实际电压U _dc和补偿实际输出电压U _c，输入PWM控制器（6），PWM控制器（6）中的DSP芯片用0.5U _dc减去U _n 得出补偿指令电压信号U _c*，再用U _c*减去U _c得到△U _c即U _c*与U _c的输出误差信号，输出误差信号△U _c经过PID调制和三角波比较得到 4个独立的PWM信号。

6.根据权利要求4所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的互补电压发生装置，其特征在于：所述的DSP芯片是TMS320F2812。

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