CN103227580B - 一种三电平变频器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三电平变频器控制方法，属于变频器控制方法。步骤如下：a.确定用于控制三电平变频器输出电压的三相参考电压的瞬时标幺值，根据三电平变频器是否需要进行中点电位平衡控制以及中点电位偏差值对三相参考电压进行修正；b.分别根据三相参考电压的瞬时标幺值计算出三相脉冲序列切换标志；c.计算三相虚拟电压空间矢量的作用时间；d.三电平虚拟电压空间矢量图由三相各自的虚拟电压空间矢量叠合而成，根据三相虚拟电压空间矢量的作用时间，结合三相脉冲序列切换标志对最终输出的脉冲序列进行重新组合排序；e.变频器控制脉冲生成由硬件实现，将计算所得的作用时间装载入硬件单元，硬件单元自动根据需要产生控制脉冲。优点：简化了电压空间矢量PWM方法。

Description

一种三电平变频器控制方法

技术领域

本发明涉及一种变频器控制方法，尤其涉及一种三电平变频器控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展和国家对节能增效的日益关注，多电平变频器正成为功率电源、电机驱动和电力系统变流等应用领域中最为热门的研究方向之一。多电平变频器输出电平数增多，输出电压波形正弦度高，谐波含量低，对负载du/dt和di/dt较小，系统运行可靠性大幅上升。

实现变频器输出波形正弦化的脉宽调制（简称PWM）控制算法是变频器系统控制的核心算法之一。常用的PWM算法有特定谐波消除法、优化目标函数法、滞环电流控制法、载波调制法以及空间矢量PWM等。载波调制法计算量相对较小，但调制度只能达到1，无法实现对母线电压的充分利用；电压空间矢量算法电压利用率较高，但多电平的电压空间矢量PWM计算量随着电平数的增多急剧增大，在一些高性能场合，庞大的计算量限制了多电平变频器的发展。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要提供一种：电压空间矢量算法电压利用率较高，需要较少计算量的三电平变频器控制方法。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该方法包括以下步骤：

a.确定用于控制三电平变频器输出电压的a、b、c三相参考电压的瞬时标幺值 根据三电平变频器是否需要进行中点电位平衡控制以及中点电位偏差值对三相参考电压进行修正；

b.分别根据三相参考电压的瞬时标幺值 计算出三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c；

c.计算三相虚拟电压空间矢量的作用时间t_a，t_b，t_c；

d.三电平虚拟电压空间矢量图由三相各自的虚拟电压空间矢量叠合而成，为确定三相脉冲各自的作用序列，根据三相虚拟电压空间矢量的作用时间，结合三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c对最终输出的脉冲序列进行重新组合排序；

e.变频器控制脉冲的产生生成由硬件实现，采用TI公司的DSP实现算法，并由其内部自带的硬件单元实现脉冲的生成，将计算所得的作用时间装载入硬件单元后，硬件单元自动根据需要产生控制脉冲；

所述的三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c的计算方法如下：

1）三电平变频器的拓扑有二极管钳位式和级联式两种：

a、在三电平变频器拓扑结构为二极管钳位式时，直流侧上、下两个电容上的电压在运行过程中有变动，具有中点电位的偏差，对中点电位进行控制，具体措施如下：

在对三相参考电压进行修正时，如果中性点电位低于正常值，则对三相参考电压瞬时值分别加一修正量反之，则同时减去修正量

修正量的大小根据下式进行计算--式1

其中，ΔV_dc为实际的中点电位偏差标幺值，V_{err_tol}为允许的中点电位偏差标幺值；

b、三电平变频器拓扑结构为级联式时，得到三相参考电压的瞬时标幺值之后，即可判断三相参考电压瞬时值的极性，当时令F_a＝1；当时令F_a＝2；同理计算相电压符号变量F_b、F_c。

所述的计算虚拟电压空间矢量的作用时间，其计算方法如下：

a相的虚拟电压空间矢量的作用时间t_a为：

$t_a=\frac{V_{a\_\mathrm{ref}}^{*}\·T_s}{V_{\mathrm{dc}}}$

其中为修正后的参考电压瞬时标幺值，V_dc为母线电压标幺值，T_s为调制周期，t_a为a相虚拟电压空间矢量的作用时间；

b、c相的虚拟电压空间矢量的作用时间t_b，t_c分别为：

$t_b=\frac{V_{b\_\mathrm{ref}}^{*}\·T_s}{V_{\mathrm{dc}}}$

$t_c=\frac{V_{c\_\mathrm{ref}}^{*}\·T_s}{V_{\mathrm{dc}}}.$

有益效果，传统的电压空间矢量控制中，为了得到各个电压空间矢量的作用时间，需要进行繁琐的坐标平移及三角函数运算，这一系列的计算需要消耗大量的处理器运算时间，加大了处理器的运算负荷。由于采用了上述方案，仅需逻辑判断及加减乘除四则运算即可得到各个虚拟矢量的作用时间，再通过脉冲分配，即可获得与电压空间矢量性能相媲美的脉宽调制效果。采用本发明，可以大大减少处理器的运算量，缩减硬件成本。

优点：简化了三电平变频器电压空间矢量PWM方法，采用新型的虚拟电压空间矢量PWM方法，简化了电压空间矢量图，减少了计算量的同时还能实现高性能的三电平变频器的控制，且方便地实现中点电位的调节。

附图说明

图1为传统三电平电压空间矢量示意图。

图2为本发明的三电平虚拟电压空间矢量示意图。

图3为本发明的二极管钳位式三电平变频器的主回路示意图。

图4为本发明的级联式三电平变频器的主回路示意图。

图5为本发明的二极管钳位式三电平变频器输出a相电压波形图。

图6为本发明的二极管钳位式三电平变频器输出a相电流波形图。

图7为本发明的二极管钳位式三电平变频器输出中点电位偏差波形图。

图8为本发明级联式三电平变频器输出相电压波形图。

图9为本发明级联式三电平变频器输出线电压波形图。

图10为本发明级联式三电平变频器输出相电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的两个实施例作进一步的描述：

实施例1：该方法包括以下步骤：

a.确定用于控制三电平变频器输出电压的a、b、c三相参考电压的瞬时标幺值 根据三电平变频器是否需要进行中点电位平衡控制以及中点电位偏差值对三相参考电压进行修正；

b.分别根据三相参考电压的瞬时标幺值 计算出三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c；

c.计算三相虚拟电压空间矢量的作用时间t_a，t_b，t_c；

d.三电平虚拟电压空间矢量图由三相各自的虚拟电压空间矢量叠合而成，为确定三相脉冲各自的作用序列，根据三相虚拟电压空间矢量的作用时间，结合三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c对最终输出的脉冲序列进行重新组合排序；

e.变频器控制脉冲的产生生成由硬件实现，采用TI公司的DSP实现算法，并由其内部自带的硬件单元实现脉冲的生成，将计算所得的作用时间装载入硬件单元后，硬件单元自动根据需要产生控制脉冲；

所述的三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c的计算方法如下：

1）三电平变频器的拓扑有二极管钳位式和级联式两种：

对这两种结构的三电平变频器，本方法均适用。

a、三电平变频器拓扑结构为二极管钳位式时，直流侧上、下两个电容上的电压在运行过程中有变动，具有中点电位的偏差，如果不加以控制，将会对变频器及其所驱动的设备造成损坏；对中点电位进行控制，具体措施如下：

在对三相参考电压进行修正时，如果中性点电位低于正常值，则对三相参考电压瞬时值分别加一修正量反之，则同时减去修正量

修正量的大小根据下式进行计算：--式1

其中，ΔV_dc为实际的中点电位偏差标幺值，V_{err_tol}为允许的中点电位偏差标幺值；相当于注入的为零序的分量，故对实际输出线电压及电流无影响，仅影响流入及流出中点的电流。以此法可以简单的判断及运算对中点电位的波动进行抑制。

b、三电平变频器拓扑结构为级联式时，由于此结构的直流电源均为独立电源供电，此时可以不采用此步骤，而直接进行下一步骤的运算；

得到三相参考电压的瞬时标幺值之后，即可判断三相参考电压瞬时值的极性，当时令F_a＝1；当时令F_a＝2；同理计算相电压符号变量F_b、F_c。

所述的计算虚拟电压空间矢量的作用时间，其计算方法如下：

a相的虚拟电压空间矢量的作用时间t_a为：

$t_a=\frac{V_{a\_\mathrm{ref}}^{*}\·T_s}{V_{\mathrm{dc}}}$

其中为修正后的参考电压瞬时标幺值，V_dc为母线电压标幺值，T_s为调制周期，t_a为a相虚拟电压空间矢量的作用时间；

b、c相的虚拟电压空间矢量的作用时间t_b，t_c分别为：

$t_b=\frac{V_{b\_\mathrm{ref}}^{*}\·T_s}{V_{\mathrm{dc}}}$

$t_c=\frac{V_{c\_\mathrm{ref}}^{*}\·T_s}{V_{\mathrm{dc}}}.$

图1中所示为传统的电压空间矢量图，首先，包含了27种开关组合状态，较为复杂，这也是导致传统电压空间矢量控制算法复杂的原因之一。为简化控制及分析难度，可采用虚拟电压空间矢量的方式将三电平的矢量图予以简化。

考虑到三电平变频器a、b、c三相开关动作上的特点，以a相为例，定义a相输出电压为0时，对应的虚拟电压空间矢量为如附图1b中，位于原点处；定义a相输出电压为V_dc时，对应的虚拟电压空间矢量为定义a相输出电压为-V_dc时，对应的虚拟电压空间矢量为同理，定义b、c两相的虚拟电压空间矢量，结合空间矢量的概念得到如附图1b的虚拟电压空间矢量示意图，所示的虚拟电压空间矢量图得以大大简化，在控制中结合定义，只需考虑三相中的每相开关状态进行分析、计算。以下用两个实施例验证基于虚拟电压空间矢量的简化三电平变频器控制方法的控制效果。

实施例2，二极管钳位式三电平变频器的控制：

本发明的三电平变频器控制方法，首先选定二极管式三电平变频器如附图2，其中直流母线电压V_dc为270V，采用三相380V进行不控整流获得，电容C₁、C₂、C₃取值为5000uF，S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_c1、S_c2、S_c3、S_c4采用1200V/30A的绝缘栅型双极晶体管（IGBT），采用阻感负载，其中电阻为0.9欧姆，电感为4毫亨，开关频率选为1000赫兹。

1、先启动380V三相电，对电容C₁、C₂、C₃进行预充电，直至电容电压达到270V；

2、以270V为基值，给定三相参考电压瞬时标幺值 $V_{b\_\mathrm{ref}}^{*}=0.926\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3),$ $V_{c\_\mathrm{ref}}^{*}=0.926\cos (\mathrm{\ωt}+4\mathrm{\π}/3),$ 其中ω＝100π(rad/s)；

3、由于二极管钳位式三电平变频器需要调节中点电位偏差，所以需要修正三相参考电压。

根据ΔV_dc计算三相参考电压的修正量取允许的中点电位偏差为20V，则：

$V_{m\_\mathrm{ref}}^{*}=\frac{\▿V_{\mathrm{dc}}}{0.074}$

此时，对三相参考电压标幺值进行修正，得：

$V_{a\_\mathrm{ref}}^{*}=0.926\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{dc}}/0.074,$

$V_{b\_\mathrm{ref}}^{*}=0.926\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3)+\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{dc}}/0.074,$ $V_{c\_\mathrm{ref}}^{*}=0.926\cos (\mathrm{\ωt}+4\mathrm{\π}/3)++\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{dc}}/0.074.$

然后根据 瞬时值判断得到三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c。

4、根据式4、5、6，将 值代入其中，计算得到三相虚拟电压空间矢量作用时间t_a，t_b，t_c，其中：

t_a＝0.000926cos(ωt)+ΔV_dc0.074

t_b＝0.000926cos(ωt-4π3)+ΔV_dc0.074t_c＝0.000926cos(ωt+4π3)+ΔV_dc0.074

5、根据计算所得到的作用时间再结合三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c对控制脉冲序列进行生成并排序，利用DSP的脉冲生成单元产生最终控制脉冲序列，通过驱动回路的功率放大后对级联三电平变频器的功率器件S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_c1、S_c2、S_c3、S_c4进行驱动；

6、二极管钳位式三电平变频器在控制下输出相应的电压，加载在阻感负载上，产生正弦电流。

采用本发明控制下的二极管钳位式三电平变频器保留了电压空间矢量调制输出波形良好的优点，电流波形正弦，且中点电位偏差也控制在允许的偏差范围内。

实施例3，级联式三电平变频器控制：

本发明的三电平变频器控制方法，首先选定级联式三电平变频器如附图2，其中直流母线电压V_dc为270V，采用三相380V进行不控整流获得，电容C₁、C₂、C₃取值为5000uF，S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_c1、S_c2、S_c3、S_c4采用1200V/30A的绝缘栅型双极晶体管（IGBT），采用阻感负载，其中电阻为0.9欧姆，电感为4毫亨，开关频率选为1000赫兹。

1、先启动380V三相电，对电容C₁、C₂、C₃进行预充电，直至电容电压达到270V；

2、以270V为基值，给定三相参考电压瞬时标幺值 $V_{b\_\mathrm{ref}}^{*}=0.926\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3),$ $V_{c\_\mathrm{ref}}^{*}=0.926\cos (\mathrm{\ωt}+4\mathrm{\π}/3),$ 其中ω＝100π(rad/s)；

3、由于级联式三电平变频器各个直流电源独立，不需要调节中点电位偏差，所以无需修正三相参考电压，直接根据 瞬时值判断得到三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c，其中：

$F_a=\left\{\begin{array}{c}1(0\≤\mathrm{\ωt}\≤\mathrm{\π})\\ 2(\mathrm{\π}\≤\mathrm{\ωt}\≤2\mathrm{\π})\end{array}\right.$ $F_b=\left\{\begin{array}{c}1(4\mathrm{\π}/3\≤\mathrm{\ωt}\≤7\mathrm{\π}/3)\\ 2(7\mathrm{\π}/3\≤\mathrm{\ωt}\≤10\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.$ $F_c=\left\{\begin{array}{c}1(-4\mathrm{\π}/3\≤\mathrm{\ωt}\≤-\mathrm{\π}/3)\\ 2(-\mathrm{\π}/3\≤\mathrm{\ωt}\≤2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.;$

4、根据式4、5、6，将 值代入其中，计算得到三相虚拟电压空间矢量作用时间t_a，t_b，t_c，其中：

t_a＝0.000926cos(ωt)t_b＝0.000926cos(ωt-4π3)t_c＝0.000926cos(ωt+4π3)

5、根据计算所得到的作用时间再结合三相脉冲序列切换标志F_a，F_b，F_c对控制脉冲序列进行生成并排序，利用DSP的脉冲生成单元产生最终控制脉冲序列，通过驱动回路的功率放大后对级联三电平变频器的功率器件S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄、S₃₁、S₃₂、S₃₃、S₃₄进行驱动；

6、级联三电平变频器在控制下输出相应的电压，加载在阻感负载上，产生正弦电流。

采用本发明控制下的级联式三电平变频器输出电压、电流波形良好。

Claims (1)

1.一种三电平变频器控制方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

a.确定用于控制三电平变频器输出电压的a、b、c三相参考电压的瞬时标幺值                                                ，，，根据三电平变频器是否需要进行中点电位平衡控制以及中点电位偏差值对三相参考电压进行修正；

b.分别根据三相参考电压的瞬时标幺值，，计算出三相脉冲序列切换标志，，；

c. 计算三相虚拟电压空间矢量的作用时间，，；

d. 三电平虚拟电压空间矢量图由三相各自的虚拟电压空间矢量叠合而成，为确定三相脉冲各自的作用序列，根据三相虚拟电压空间矢量的作用时间，结合三相脉冲序列切换标志，，对最终输出的脉冲序列进行重新组合排序；

e. 变频器控制脉冲的产生生成由硬件实现，采用TI公司的DSP实现算法，并由其内部自带的硬件单元实现脉冲的生成，将计算所得的作用时间装载入硬件单元后，硬件单元自动根据需要产生控制脉冲；

所述的三相脉冲序列切换标志，，的计算方法如下：

三电平变频器的拓扑有二极管钳位式和级联式两种；

a、三电平变频器拓扑结构为二极管钳位式时，直流侧上、下两个电容上的电压在运行过程中有变动，具有中点电位的偏差，对中点电位进行控制，具体措施如下：

在对三相参考电压进行修正时，如果中性点电位低于正常值，则对三相参考电压瞬时值分别加一修正量；反之，则同时减去修正量；

修正量的大小根据下式进行计算：       --式1

其中，为实际的中点电位偏差标幺值，为允许的中点电位偏差标幺值； 

b、三电平变频器拓扑结构为级联式时，得到三相参考电压的瞬时标幺值之后，即可判断三相参考电压瞬时值的极性，当时令；当时令；同理计算相电压符号变量、；

所述的计算虚拟电压空间矢量的作用时间，其计算方法如下：

a相的虚拟电压空间矢量的作用时间为：

                         

其中为修正后的参考电压瞬时标幺值，为母线电压标幺值，为调制周期，为a相虚拟电压空间矢量的作用时间；

b、c相的虚拟电压空间矢量的作用时间，分别为：

                       

  。