CN103236797A - 一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，它将整个调制度区域分为低调制度区域(m_SV≤0.5)和高调制度区域(m_SV>0.5)，不同的调制度区域采用不同的方法控制直流侧电压：在低调制度区域，本发明提出的目标函数优化法与参考电压分解法相结合的直流电容电压控制方法实现简单，且充分利用了各矢量的冗余开关状态，改善了系统的输出波形；在高调制度区域，本发明提出的优化的平衡矢量甄选法无需进行复杂的重合区域判断算法，系统响应速度更快。

Description

一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法

【技术领域】

本发明涉及电力电子技术领域；特别涉及一种五电平二极管钳位型变换器的直流电容电压平衡控制方法。

【背景技术】

在当前情况下，功率器件无法在短期内取得电压和功率上的突破，基于这种原因，提升变换器电压和功率等级的研究点主要在拓扑和控制方法上，多电平拓扑就是高压大功率变换器的一种很重要的实现方案。而在多电平拓扑中，二极管钳位型（NPC）型拓扑因其结构简单、性价比高而应用最为广泛。

在多电平NPC电路的相关研究内容中，直流电容电压平衡控制问题具有突出的重要性。如果直流电容电压出现不平衡，不仅会影响电路的输出电压波形，还会破坏多电平电路的安全稳定运行。传统三电平NPC变换器的直流电容电压平衡控制已经有很多研究成果，但是五电平NPC变换器的直流电容电压平衡控制问题相比于三电平难度增加了许多：对于三电平NPC变换器，在总电压稳定的情况下，只需要控制一个电容电压的平衡，而对于五电平电路，需要控制三个电容电压的平衡；三电平电路的两个直流电容电压是可以独立控制的，之间不存在耦合性，但五电平电路的四个直流电容电压之间具有耦合性，增加了控制难度。

目前，有关五电平NPC变换器的直流电容电压平衡控制的研究已经取得一定的研究成果，现阶段的直流电容电压平衡方案基本上分为三种类型：外加辅助电路平衡法、背靠背拓扑平衡法和软件平衡法。在这三种方法中，外加辅助电路法需要额外的平衡回路，这会增加系统成本；背靠背拓扑法采用的是双变换器对称控制，不适用于单个变换器；软件平衡算法虽然会增加系统的控制复杂性，但该方法不需要增加系统的硬件成本，随着高性能DSP的快速发展，复杂的控制算法变得越来越容易实现，因此，软件平衡法也获得越来越多的关注。

当前应用的多电平NPC型变换器直流电容电压软件平衡方法可以分为零序电压注入法、虚拟矢量SVM法、舍弃不平衡矢量法和目标函数优化法等多种。其中，零序电压注入法广泛应用于三电平NPC变换器的直流电容电压控制中，而五电平NPC变换器共有三个中点，因此这种方法将变得复杂且难以控制；虚拟矢量SVM可以从理论上保证在每个控制周期的直流电压平衡，但它增加了开关损耗和控制的复杂性；舍弃不平衡矢量法虽然可以实现直流电容电压的平衡控制，但它减少了输出电平数，输出波形质量差；目标函数优化法的实现简单，更加适用于五电平NPC拓扑，但是它并不适用于全调制度。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种全调制度、全数字化、简单高效的五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，包括以下步骤：

1）、计算空间矢量调制的调制度m_SV；

2）、判断m_SV与0.5的关系，若m_SV≤0.5，则转入低调制度直流电容电压平衡控制方法；若m_SV>0.5，则转入高调制度直流电容电压平衡控制方法；

3）、当采用低调制度直流电容电压平衡控制方法时，采用参考电压分解法与目标函数优化法相结合的方法实现五电平二极管钳位型变换器直流电容电压的平衡控制；

4）、当采用高调制度直流电容电压平衡控制方法时，采用优化的平衡矢量甄选法实现五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压的平衡控制。

本发明进一步的改进在于：步骤3）具体包括以下步骤：

3.1）、计算参考电压矢量；

3.2）、应用参考电压分解法得到候选开关序列；

3.3）、计算各候选开关序列的目标函数值；

3.4）、选择目标函数值最小的开关序列作为实际输出的开关序列，对五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压进行平衡控制。

本发明进一步的改进在于：步骤3）具体包括以下步骤：

3.1）、计算参考电压矢量V_ref

V_ref=[V_ra V_rb V_rc]^T       (3)

V_ra、V_rb和V_rc为三相参考电压；

3.2）、应用参考电压分解法得到候选开关序列

参考电压分解法步骤为：

3.2.1）、五电平参考电压的分解：将标幺化后三相参考电压v_ra，v_rb，v_rc向下取整，得到第一个偏移电压矢量V_off1，三相参考电压减去偏移电压V_off1得到两电平参考电压V_twl1，对V_twl1中的三相两电平参考电压矢量分别取其最大值V_Tmax,中值V_Tmid,最小值V_Tmin，如果V_Tmax+V_Tmid-2V_Tmin≤1，第二个偏移电压矢量V_off2为V_off1的三相开关状态中与V_Tmax对应那一相加1，如果V_Tmax+V_Tmid-2V_Tmin>1，第二个偏移电压矢量V_off2为V_off1的三相开关状态中与与V_Tmid对应那一相加1，第三个偏移电压矢量V_off3为V_off1的三相开关状态中与V_Tmax和V_Tmid对应那两相相分别加1,三相参考电压减去偏移电压V_off2得到两电平参考电压V_twl2，三相参考电压减去偏移电压V_off3得到两电平参考电压V_twl3，V_off1对应偏移开关状态SS_off1,V_off2对应偏移开关状态SS_off2，V_off3对应偏移开关状态SS_off3；

3.2.2）、两电平空间矢量调制:在得到两电平参考电压V_twl1,V_twl2,V_twl3之后，通过两电平的SVM计算两电平合成矢量的作用时间，从而得到对应的五电平合成矢量的作用时间，根据两电平SVM的合成原则确定两电平开关序列SS_twl1，SS_tw2，SS_tw3；

3.2.3）、生成五电平候选序列:将两电平开关序列SS_twli(i=1,2,3)与偏移开关状态序列SS_offi相加得到五电平开关序列SS_i：

SS_i=SS_twli+SS_offi(i=1,2,3)      (4)

通过两电平开关序列和偏移开关状态相加仅能得到一组五电平开关序列，将这组开关序列的每个开关状态分别加[1 1 1]可以得到另一组序列；依此类推，对于每个参考电压可以得到多组五电平开关序列，这些序列的输出线电压相同，但是开关状态不同；这些序列作为目标函数法的候选序列；

3.3）、计算各候选开关序列的目标函数值

根据参考电压分解法得到五电平候选开关序列SS，计算出各个序列所对应的目标函数值；目标函数为式（5）或式（6）：

$G(k+1)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ci}}{(k+1)}^2=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(V_{\mathrm{ci}}\left(k\right)-\frac{T_s}{C}\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{4}{)}^2---\left(5\right)$

$G(k+1)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ci}}(k+1)\right|=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|V_{\mathrm{ci}}\left(k\right)-\frac{T_s}{C}\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{4}|---\left(6\right)$

其中，V_ci(k)(i=1…4)为第k个控制周期直流电容C_i两端电压，V_ci(k+1)表示预测下一控制周期的直流电容C_i两端电压，T_s为控制周期；

表示第k个控制周期内第i个电容上流过的平均电流；

$\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{ja}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{ma}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_a\left(k\right)}\\ +(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{jb}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{mb}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_b\left(k\right)}\\ +(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{jc}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{mc}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_c\left(k\right)}\end{array}\right],i=1,...,4---\left(7\right)$

其中，

x=a,b,c为第k个控制周期内的平均三相电流；

y=1,2,3,4为第k个控制周期内x相电压的作用时间标幺值；

3.4）、选择目标函数值最小的开关序列作为实际输出的开关序列，对五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压进行平衡控制。

本发明进一步的改进在于：步骤4）具体包括以下步骤：

4.1）、计算参考电压矢量V_ref；

4.2）、确定参考电压矢量V_ref所在区域；

4.3）、确定合成参考电压的矢量并计算各矢量作用时间；

4.4）、确定冗余矢量的开关状态；

4.5）、添加过渡开关状态；

4.6）、输出相应的开关序列。

本发明进一步的改进在于：步骤4）具体包括以下步骤：

4.1）、计算参考电压矢量V_ref

V_ref=[V_ra V_rb V_rc]^T          (3)

V_ra、V_rb和V_rc为三相参考电压；

4.2）、确定参考电压矢量V_ref所在区域

通过参考电压矢量V_ref与α轴（大矢量400所在轴）所成角θ来判断矢量所在区域：当θ∈(0,π/6]∪(11π/6,2π]时，V_ref在第Ⅰ区域；当θ∈(π/6,π/2]时，V_ref在第Ⅱ区域；当θ∈(π/2,5π/6]时，V_ref在第Ⅲ区域；当θ∈(5π/6,7π/6]时，V_ref在第Ⅳ区域；当θ∈(7π/6,3π/2]时，V_ref在第Ⅴ区域；当θ∈(3π/2,11π/6]时，V_ref在第Ⅵ区域；

4.3）、确定合成参考电压矢量V_ref的矢量并计算各矢量作用时间

参考电压矢量V_ref应用最内层的小矢量V_s1-V_s6（空间矢量图中最内层六边形六个顶点对应矢量）、最外层的大矢量V_L1-V_L6（空间矢量图中最外层六边形六个顶点对应矢量）及不平衡矢量V_M1-V_M12（空间矢量图中最外层六边形上离顶点最近的十二个矢量）合成；具体的选择方式为：当θ∈(0,π/6]时，选择矢量V_S1，V_L1和V_M3，当θ∈(π/6,π/3]时，选择矢量V_S2，V_L2和V_M2，当θ∈(π/3,π/2]时，选择矢量V_S2，V_L2和V_M5，当θ∈(π/2,2π/3]时，选择矢量V_S3，V_L3和V_M4，当θ∈(2π/3,5π/6]时选择矢量V_S3，V_L3和V_M7，当θ∈(5π/6,π]时，选择矢量V_S4，V_L4和V_M6，当θ∈(π,7π/6]时，选择矢量V_S4，V_L4和V_M9，当θ∈(7π/6,4π/3]时，选择矢量V_S5，V_L5和V_M8，当θ∈(4π/3,3π/2]时，选择矢量V_S5，V_L5和V_M11，当θ∈(3π/2,5π/3]时，选择矢量V_S6，V_L6和V_M10，当θ∈(5π/3,11π/6]时，选择矢量V_S6，V_L6和V_M1，当θ∈(11π/6,2π]时，选择矢量V_S1，V_L1和V_M12；

确定了合成参考电压矢量V_ref的三个矢量后，根据矢量合成的平行四边形法则和伏秒平衡原则计算各矢量的作用时间；

4.4）、确定冗余矢量的开关状态

各合成矢量中只有V_Si，i=1…6含有冗余开关状态，该开关状态的选择根据各电容电压和三相电流确定，步骤如下：

4.4.1）、根据参考电压矢量V_ref所在区域确定对直流电容电压有影响的交流电流，具体对应方式为第I区域，i=i_a；第Ⅱ区域，i=-i_c；第Ⅲ区域，i=i_b；第Ⅳ区域，i=-i_a；第Ⅴ区域，i=i_c；第Ⅵ区域，i=-i_b；

4.4.2）、根据实际测量的结果确定4.4.1）中i的符号为正还是负；从直流侧流到交流侧为正；

4.4.3）、若i为正，选择使得电压值最大的电容放电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则选择使得电压值最小的电容充电的开关状态为实际输出的开关状态；

4.5）、添加过渡开关状态

将得到的三个矢量对应的开关状态按从小到大排序，当从一个开关状态转入另一个开关状态时，如果某相的电平变化绝对值大于1，这会大大增加器件所受的电压应力，因而需在各开关转换过程总加入作用时间为1个开关周期T_s的1-2个过渡开关状态保证每相电平变化绝对值小于等于1以减小器件所受的电压应力；

4.6）、输出相应的开关序列

将步骤4.5）得到的结果输出，或者将步骤4.5）得到的结果用对称的方式输出。

本发明进一步的改进在于：步骤1）中：

$m_{\mathrm{SV}}=2/\sqrt{3}{\·m}_{\mathrm{SP}}---\left(2\right)$

m_SP为载波调制度。

本发明进一步的改进在于：步骤1）中：

$m_{\mathrm{SV}}=\frac{v_{\mathrm{xy}}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{2}{v}_{\mathrm{xyrms}}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{3}{v}_x}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{6}{v}_{\mathrm{xrms}}}{V_{\mathrm{dc}}}(x,y=a,b,c;x\≠y)---\left(1\right)$

v_xy表示线电压的峰值；v_xyrms表示线电压的有效值；v_x表示相电压峰值；v_xrms表示相电压有效值；V_dc表示直流侧总电压。

本发明中，二极管钳位型五电平变换器，包括三相交流部分（若为五电平逆变器结构，则三相交流部分为负载；若为五电平整流器、静止无功发生器等装置，则三相交流部分为交流源加三相交流平波电抗器）、五电平直流侧外接部分（若为五电平逆变器结构，则直流侧外接部分为直流电压源，该直流源可为实际电源，也可为通过交流电源整流得到的直流源；若为五电平整流器结构，则直流侧外接部分为负载；若为五电平静止无功发生器，则直流侧无外接部分）、五电平NPC变换器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片和数字处理器，其中，电压传感器检测三相交流部分电压和直流侧各电容电压、电流传感器检测交流侧各相电流，电压传感器和电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处理器与五通过相应的驱动电路控制五电平变换器中各功率器件的开关。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的有益效果是：本发明提供了一种全调制度五电平NPC变换器直流电容电压平衡控制方法，它将整个调制度区域分为低调制度区域(m_SV≤0.5)和高调制度区域(m_SV>0.5)，不同的调制度区域采用不同的方法控制直流侧电压：在低调制度区域，本发明提出的目标函数优化法与参考电压分解法相结合的直流电容电压控制方法实现简单，且充分利用了各矢量的冗余开关状态，改善了系统的输出波形；在高调制度区域，本发明提出的优化的平衡矢量甄选法无需进行复杂的重合区域判断算法，系统响应速度更快。

【附图说明】

图1是五电平二极管钳位型变换器主电路拓扑图；

图2是五电平二极管钳位型变换器空间矢量图；

图3是低调制度下五电平二极管钳位型变换器直流电容电压平衡控制流程图；

图4是第一扇区内参考电压分解法原理图；

图5是五电平参考电压分解法中偏移矢量对应开关状态求取原理图；

图6是两电平空间矢量调制原理图；

图7是高调制度下五电平二极管钳位型变换器直流电容电压平衡控制流程图；

图8是高调制度下五电平变换器平衡矢量甄选法的区域划分图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示给出了本发明中五电平二极管钳位型变换器的原理图，其包括三相交流部分（若为五电平逆变器结构，则三相交流部分为负载；若为五电平整流器、静止无功发生器等装置，则三相交流部分为交流源加三相交流平波电抗器）、五电平直流侧外接部分（若为五电平逆变器结构，则直流侧外接部分为直流电压源，该直流电压源可为实际电源，也可为通过交流电源整流得到的直流源；若为五电平整流器结构，则直流侧外接部分为负载；若为五电平静止无功发生器，则直流侧无外接部分）、五电平NPC变换器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片和数字处理器，其中，电压传感器检测三相交流部分电压和直流侧各电容电压；电流传感器检测交流侧各相电流，电压传感器和电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处理器通过相应的驱动电路控制五电平变换器中各功率器件的开关。

本发明一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，具体步骤如下：

1）、根据电压传感器检测的交流侧电压和直流侧电压值计算空间矢量调制的调制度m_SV，具体计算公式如式（1）所示，该式的前提为三相交流部分对称，其中v_xy表示线电压的峰值、v_xyrms表示线电压的有效值，v_x表示相电压峰值，v_xrms表示相电压有效值，V_dc表示直流侧总电压，在已知其载波调制度m_SP的情况下，也可根据公式（2）计算其空间矢量调制的调制度。

$m_{\mathrm{SV}}=\frac{v_{\mathrm{xy}}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{2}{v}_{\mathrm{xyrms}}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{3}{v}_x}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{6}{v}_{\mathrm{xrms}}}{V_{\mathrm{dc}}}(x,y=a,b,c;x\≠y)---\left(1\right)$

$m_{\mathrm{SV}}=2/\sqrt{3}\·m_{\mathrm{SP}}---\left(2\right)$

2）、判断m_SV与0.5的关系，若m_SV≤0.5，则转入低调制度直流电容电压平衡控制方法；若m_SV>0.5，则转入高调制度直流电容电压平衡控制方法；m_SV与五电平变换器各矢量及对应开关状态的关系如图2所示。

3）、当采用低调制度直流电容电压平衡控制方法时，本发明采用一种参考电压分解法与目标函数优化法相结合的方法实现五电平二极管钳位型变换器直流电容电压的平衡控制，其控制流程图如图3所示，基本步骤如下：

3.1）、计算参考电压矢量

参考电压矢量可以通过不同的计算公式得到，本专利中只给出其中一种通过三相参考电压V_ra、V_rb和V_rc（三相参考电压的得到方式：若为五电平逆变器等开环控制装置时，三相参考电压通过给定得到；若为五电平整流器或者静止无功放生器等闭环控制装置时，三相参考电压通过对系统的电压、电流闭环控制得到）计算得到参考电压矢量V_ref的公式：

V_ref=[V_ra V_rb V_rc]^T            (3)

3.2）、应用参考电压分解法得到候选开关序列

如图4所示为参考电压分解法基本原理图，参考电压分解法步骤为：

3.2.1）、五电平参考电压的分解：将标幺化后三相参考电压v_ra，v_rb，v_rc向下取整，得到第一个偏移电压矢量V_off1，三相参考电压减去偏移电压V_off1得到两电平参考电压V_twl1，对V_twl1中的三相两电平参考电压矢量分别取其最大值V_Tmax,中值V_Tmid,最小值V_Tmin，如果V_Tmax+V_Tmid-2V_Tmin≤1，第二个偏移电压矢量V_off2为V_off1的三相开关状态中与V_Tmax对应那一相加1，如果V_Tmax+V_Tmid-2V_Tmin>1，第二个偏移电压矢量V_off2为V_off1的三相开关状态中与与V_Tmid对应那一相加1，第三个偏移电压矢量V_off3为V_off1的三相开关状态中与V_Tmax和V_Tmid对应那两相相分别加1,三相参考电压减去偏移电压V_off2得到两电平参考电压V_twl2，三相参考电压减去偏移电压V_off3得到两电平参考电压V_twl3，具体如图5所示；

3.2.2）、两电平空间矢量调制（SVM）:在得到两电平参考电压V_twl1,V_twl2,V_twl3之后，通过两电平的SVM计算两电平合成矢量的作用时间，从而得到对应的五电平合成矢量的作用时间，根据两电平SVM的合成原则确定两电平开关序列SS_twl1，SS_tw2，SS_tw3；图6为两电平空间矢量调制的原理图。

3.2.3）、生成五电平候选序列:将两电平开关序列SS_twli(i=1,2,3)与偏移开关状态序列SS_offi相加得到五电平开关序列SS_i：

SS_i=SS_twli+SS_offi(i=1,2,3)          (4)

通过两电平开关序列和偏移开关状态相加仅能得到一组五电平开关序列，将这组开关序列的每个开关状态分别加[1 1 1]可以得到另一组序列。依此类推，对于每个参考电压可以得到多组五电平开关序列，这些序列的输出线电压相同，但是开关状态不同。这些序列作为目标函数法的候选序列，根据它们对直流电压的作用选择出最有利于直流电压平衡的一组作为最终的五电平开关控制信号输出。

3.3）、计算各候选开关序列的目标函数值

根据参考电压分解法得到五电平候选开关序列SS后，计算出各个序列所对应的目标函数值。设V_ci(k)(i=1…4)为第k个控制周期直流电容C_i两端电压，V_ci(k+1)表示预测下一控制周期的直流电容C_i两端电压，T_s为控制周期，据此可选择适合的目标函数G(k+1)，适用于五电平直流电容电压平衡控制的目标函数较多，本发明中给出如式（5）和（6）的两种最常用的目标函数：

$G(k+1)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ci}}{(k+1)}^2=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{(V}_{\mathrm{ci}}\left(k\right)-\frac{T_s}{C}\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{4}{)}^2---\left(5\right)$

$G(k+1)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ci}}(k+1)\right|=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|V_{\mathrm{ci}}\left(k\right)-\frac{T_s}{C}\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{4}|---\left(6\right)$

式（5）和式（6）中的

表示第k个控制周期内第i个电容上流过的平均电流，有关该电流的推导公式也多种多样，本发明中给出一种根据第k个控制周期内的平均三相电流

（x=a,b,c）和第k个控制周期内x相电压为

的作用时间标幺值

（y=1,2,3,4）（x相电压为

的时间除以控制周期T_s）：

$\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{ja}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{ma}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_a\left(k\right)}\\ +(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{jb}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{mb}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_b\left(k\right)}\\ +(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{jc}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{mc}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_c\left(k\right)}\end{array}\right],i=1,...,4---\left(7\right)$

3.4）、选择目标函数值最小的开关序列作为实际输出的开关序列，因为目标函数值最小对应直流电压平衡情况最好。

4、当采用高调制度直流电容电压平衡控制方法时，本发明采用一种优化的平衡矢量甄选法来实现五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压的平衡控制，其控制流程图如图7所示，基本步骤如下：

4.1）、计算参考电压矢量V_ref

参考电压矢量V_ref的计算可以与公式（3）中采用相同的方法

4.2）、确定参考电压矢量V_ref所在区域

确定参考电压矢量V_ref所在区域的方法有很多，本发明中给出一种简单解决方案，即通过参考电压矢量V_ref与α轴所成角θ来判断矢量所在区域，具体的区域划分图如图7所示，当θ∈(0,π/6]∪(11π/6,2π]时，V_ref在第Ⅰ区域；当θ∈(π/6,π/2]时，V_ref在第Ⅱ区域；当θ∈(π/2,5π/6]时，V_ref在第Ⅲ区域；当θ∈(5π/6,7π/6]时，V_ref在第Ⅳ区域；当θ∈(7π/6,3π/2]时，V_ref在第Ⅴ区域；当θ∈(3π/2,11π/6]时，V_ref在第Ⅵ区域，具体如图7所示。

4.3）、确定合成参考电压的矢量并计算各矢量作用时间

平衡矢量甄选法应用的各矢量及其位置关系如图8所示，参考电压矢量时应用最内层的小矢量V_s1-V_s6（空间矢量图中最内层六边形六个顶点对应矢量）和最外层的大矢量V_L1-V_L6（空间矢量图中最外层六边形六个顶点对应矢量）及不平衡矢量V_M1-V_M12（空间矢量图中最外层六边形上离顶点最近的十二个矢量）合成。具体的选择方式为：当θ∈(0,π/6]时，选择矢量V_S1，V_L1和V_M3，当θ∈(π/6,π/3]时，选择矢量V_S2，V_L2和V_M2，当θ∈(π/3,π/2]时，选择矢量V_S2，V_L2和V_M5，当θ∈(π/2,2π/3]时，选择矢量V_S3，V_L3和V_M4，当θ∈(2π/3,5π/6]时选择矢量V_S3，V_L3和V_M7，当θ∈(5π/6,π]时，选择矢量V_S4，V_L4和V_M6，当θ∈(π,7π/6]时，选择矢量V_S4，V_L4和V_M9，当θ∈(7π/6,4π/3]时，选择矢量V_S5，V_L5和V_M8，当θ∈(4π/3,3π/2]时，选择矢量V_S5，V_L5和V_M11，当θ∈(3π/2,5π/3]时，选择矢量V_S6，V_L6和V_M10，当θ∈(5π/3,11π/6]时，选择矢量V_S6，V_L6和V_M1，当θ∈(11π/6,2π]时，选择矢量V_S1，V_L1和V_M12。

确定了合成参考电压矢量V_ref的三个矢量后，根据矢量合成的平行四边形法则和伏秒平衡原则计算各矢量的作用时间，伏秒平衡原理的基本公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1\·V_1+T_2\·V_2+T_3\·V_3=T_s\·V_{\mathrm{ref}}\\ T_1+T_2+T_3=T_s\end{array}\right.---\left(8\right)$

上式中，V₁、V₂、V₃分别表示合成V_ref的三个矢量，T₁、T₂、T₃分别为三个矢量的作用时间，T_s为开关周期。

4.4）、确定冗余矢量的开关状态

本发明在高调制度下进行直流侧电容电压平衡控制时采用的各合成矢量中只有V_Si(i=1…6)含有冗余开关状态，该开关状态的选择需根据各电容电压和三相电流的具体情况确定，基本步骤如下：

①根据参考电压所在区域确定对直流电容电压有影响的交流电流（电流方向如图1所示），具体对应方式为第I区域，i=i_a；第Ⅱ区域，i=-i_c；第Ⅲ区域，i=i_b；第Ⅳ区域，i=-i_a；第Ⅴ区域，i=i_c；第Ⅵ区域，i=-i_b。

②根据实际测量的结果确定①中i的符号为正还是负（默认从直流侧流到交流侧为正）；

③若i为正，选择使得电压值最大的电容放电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则选择使得电压值最小的电容充电的开关状态为实际输出的开关状态。

本发明中给出两个实例：

实例1：当参考电压矢量位于第I区域中的θ∈(0,π/6]部分冗余矢量的开关状态选取

根据①，i=i_a，根据②判断i的正负，根据③，若i＞0：若电容C1电压最大，选择开关状态100；若电容C2电压最大，选择开关状态211；若电容C3电压最大，选择开关状态322；若电容C4电压最大，选择开关状态433，若i＜0：若电容C1电压最小，选择开关状态100；若电容C2电压最小，选择开关状态211；若电容C3电压最小，选择开关状态322；若电容C4电压最小，选择开关状态433。

实例2：当参考电压矢量位于第Ⅱ区域中的θ∈(π/6,π/3]部分冗余矢量的开关状态选取

根据①，i=-i_c，根据②判断i的正负，根据③，若i＞0：若电容C1电压最大，选择开关状态110；若电容C2电压最大，选择开关状态221；若电容C3电压最大，选择开关状态332；若电容C4电压最大，选择开关状态443，若i＜0：若电容C1电压最小，选择开关状态110；若电容C2电压最小，选择开关状态221；若电容C3电压最小，选择开关状态332；若电容C4电压最小，选择开关状态443。

4.5）、添加过渡开关状态

将得到的三个矢量对应的开关状态按从小到大排序，当从一个开关状态转入另一个开关状态时，如果某相的电平变化绝对值大于1，这会大大增加器件所受的电压应力，因而需在各开关转换过程总加入作用时间为1个开关周期T_s的1-2个过渡开关状态保证每相电平变化绝对值小于等于1以减小器件所受的电压应力。

本发明中给出当选择100,400,430（θ∈(0,π/6],i_a＞0）为三个合成矢量对应开关状态时加入两个过渡开关状态的情况作为实例：

[100]-[200]-[300]-[400]-[410]-[420]-[430]

4.6）、输出相应的开关序列

可直接将（e）得到的结果输出，或者出于减小系统THD的考虑，将（e）的结果用对称的方式输出，本发明给出选择100,400,430（θ∈(0,π/6],i_a＞0）为三个合成矢量对应开关状态并添加2个过渡开关状态且减小系统THD的最终输出方式：

[100]-[200]-[300]-[400]-[410]-[420]-[430]-[420]-[410]-[400]-[300]-[200]-[100]。

Claims (7)

1.一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、计算空间矢量调制的调制度m_SV；

2）、判断m_SV与0.5的关系，若m_SV≤0.5，则转入低调制度直流电容电压平衡控制方法；若m_SV>0.5，则转入高调制度直流电容电压平衡控制方法；

3）、当采用低调制度直流电容电压平衡控制方法时，采用参考电压分解法与目标函数优化法相结合的方法实现五电平二极管钳位型变换器直流电容电压的平衡控制；

4）、当采用高调制度直流电容电压平衡控制方法时，采用优化的平衡矢量甄选法实现五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压的平衡控制。

2.根据权利要求1所述的一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤3）具体包括以下步骤：

3.1）、计算参考电压矢量；

3.2）、应用参考电压分解法得到候选开关序列；

3.3）、计算各候选开关序列的目标函数值；

3.4）、选择目标函数值最小的开关序列作为实际输出的开关序列，对五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压进行平衡控制。

3.根据权利要求1所述的一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤3）具体包括以下步骤：

3.1）、计算参考电压矢量V_ref

V_ref=[V_ra V_rb V_rc]^T           (3)

V_ra、V_rb和V_rc为三相参考电压；

3.2）、应用参考电压分解法得到候选开关序列

参考电压分解法步骤为：

3.2.1）、五电平参考电压的分解：将标幺化后三相参考电压v_ra，v_rb，v_rc向下取整，得到第一个偏移电压矢量V_off1，三相参考电压减去偏移电压V_off1得到两电平参考电压V_twl1，对V_twl1中的三相两电平参考电压矢量分别取其最大值V_Tmax，中值V_Tmid，最小值V_Tmin，如果V_Tmax+V_Tmid-2V_Tmin≤1，第二个偏移电压矢量V_off2为V_off1的三相开关状态中与V_Tmax对应那一相加1，如果V_Tmax+V_Tmid-2V_Tmin>1，第二个偏移电压矢量V_off2为V_off1的三相开关状态中与与V_Tmid对应那一相加1，第三个偏移电压矢量V_off3为V_off1的三相开关状态中与V_Tmax和V_Tmid对应那两相分别加1,三相参考电压减去偏移电压V_off2得到两电平参考电压V_twl2，三相参考电压减去偏移电压V_off3得到两电平参考电压V_twl3，V_off1对应偏移开关状态SS_off1,V_off2对应偏移开关状态SS_off2，V_off3对应偏移开关状态SS_off3；

3.2.2）、两电平空间矢量调制:在得到两电平参考电压V_twl1,V_twl2,V_twl3之后，通过两电平的SVM计算两电平合成矢量的作用时间，从而得到对应的五电平合成矢量的作用时间，根据两电平SVM的合成原则确定两电平开关序列SS_twl1，SS_tw2，SS_tw3；

3.2.3）、生成五电平候选序列:将两电平开关序列SS_twli(i=1,2,3)与偏移开关状态SS_offi相加得到五电平开关序列SS_i：

SS_i=SS_twli+SS_offi(i=1,2,3)          (4)

通过两电平开关序列和偏移开关状态相加仅能得到一组五电平开关序列，将这组开关序列的每个开关状态分别加[1 1 1]可以得到另一组序列；依此类推，对于每个参考电压可以得到多组五电平开关序列，这些序列的输出线电压相同，但是开关状态不同；这些序列作为目标函数法的候选序列；

3.3）、计算各候选开关序列的目标函数值

根据参考电压分解法得到五电平候选开关序列SS，计算出各个序列所对应的目标函数值；目标函数为式（5）或式（6）：

$G(k+1)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ci}}{(k+1)}^2=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{(V}_{\mathrm{ci}}\left(k\right)-\frac{T_s}{C}\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{4}{)}^2---\left(5\right)$

$G(k+1)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ci}}(k+1)\right|=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}|V_{\mathrm{ci}}\left(k\right)-\frac{T_s}{C}\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{4}|---\left(6\right)$

其中，V_ci(k)(i=1…4)为第k个控制周期直流电容C_i两端电压，V_ci(k+1)表示预测下一控制周期的直流电容C_i两端电压，T_s为控制周期；

表示第k个控制周期内第i个电容上流过的平均电流；

$\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{ci}}\left(k\right)}=\left[\begin{array}{c}(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{ja}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{ma}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_a\left(k\right)}\\ +(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{jb}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{mb}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_b\left(k\right)}\\ +(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{jc}}\left(k\right)}-\frac{1}{4}\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{mc}}\left(k\right)}\·\stackrel{\‾}{i_c\left(k\right)}\end{array}\right],i=1,...,4---\left(7\right)$

其中，

x=a,b,c为第k个控制周期内的平均三相电流；

y=1,2,3,4为第k个控制周期内x相电压

的作用时间标幺值；

3.4）、选择目标函数值最小的开关序列作为实际输出的开关序列，对五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压进行平衡控制。

4.根据权利要求1所述的一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤4）具体包括以下步骤：

4.1）、计算参考电压矢量V_ref；

4.2）、确定参考电压矢量V_ref所在区域；

4.3）、确定合成参考电压的矢量并计算各矢量作用时间；

4.4）、确定冗余矢量的开关状态；

4.5）、添加过渡开关状态；

4.6）、输出相应的开关序列。

5.根据权利要求1所述的一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤4）具体包括以下步骤：

4.1）、计算参考电压矢量V_ref

V_ref=[V_ra V_rb V_rc]^T             (3)

V_ra、V_rb和V_rc为三相参考电压；

4.2）、确定参考电压矢量V_ref所在区域

通过参考电压矢量V_ref与α轴所成角θ来判断矢量所在区域：当θ∈(0,π/6]∪(11π/6,2π]时，V_ref在第Ⅰ区域；当θ∈(π/6,π/2]时，V_ref在第Ⅱ区域；当θ∈(π/2,5π/6]时，V_ref在第Ⅲ区域；当θ∈(5π/6,7π/6]时，V_ref在第Ⅳ区域；当θ∈(7π/6,3π/2]时，V_ref在第Ⅴ区域；当θ∈(3π/2,11π/6]时，V_ref在第Ⅵ区域；所述α轴为大矢量400所在轴；

4.3）、确定合成参考电压矢量V_ref的矢量并计算各矢量作用时间

参考电压矢量V_ref应用最内层的小矢量V_s1-V_s6、最外层的大矢量V_L1-V_L6及不平衡矢量V_M1-V_M12合成；具体的选择方式为：当θ∈(0,π/6]时，选择矢量V_S1，V_L1和V_M3，当θ∈(π/6,π/3]时，选择矢量V_S2，V_L2和V_M2，当θ∈(π/3,π/2]时，选择矢量V_S2，V_L2和V_M5，当θ∈(π/2,2π/3]时，选择矢量V_S3，V_L3和V_M4，当θ∈(2π/3,5π/6]时选择矢量V_S3，V_L3和V_M7，当θ∈(5π/6,π]时，选择矢量V_S4，V_L4和V_M6，当θ∈(π,7π/6]时，选择矢量V_S4，V_L4和V_M9，当θ∈(7π/6,4π/3]时，选择矢量V_S5，V_L5和V_M8，当θ∈(4π/3,3π/2]时，选择矢量V_S5，V_L5和V_M11，当θ∈(3π/2,5π/3]时，选择矢量V_S6，V_L6和V_M10，当θ∈(5π/3,11π/6]时，选择矢量V_S6，V_L6和V_M1，当θ∈(11π/6,2π]时，选择矢量V_S1，V_L1和V_M12；

其中，小矢量V_s1-V_s6为空间矢量图中最内层六边形六个顶点对应矢量，最外层的大矢量V_L1-V_L6为空间矢量图中最外层六边形六个顶点对应矢量，不平衡矢量V_M1-V_M12为空间矢量图中最外层六边形上离顶点最近的十二个矢量；

确定了合成参考电压矢量V_ref的三个矢量后，根据矢量合成的平行四边形法则和伏秒平衡原则计算各矢量的作用时间；

4.4）、确定冗余矢量的开关状态

各合成矢量中只有V_Si，i=1…6含有冗余开关状态，该开关状态的选择根据各电容电压和三相电流确定，步骤如下：

4.4.1）、根据参考电压矢量V_ref所在区域确定对直流电容电压有影响的交流电流，具体对应方式为第I区域，i=i_a；第Ⅱ区域，i=-i_c；第Ⅲ区域，i=i_b；第Ⅳ区域，i=-i_a；第Ⅴ区域，i=i_c；第Ⅵ区域，i=-i_b；

4.4.2）、根据实际测量的结果确定4.4.1）中i的符号为正还是负；从直流侧流到交流侧为正；

4.4.3）、若i为正，选择使得电压值最大的电容放电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则选择使得电压值最小的电容充电的开关状态为实际输出的开关状态；

4.5）、添加过渡开关状态

将得到的三个矢量对应的开关状态按从小到大排序，当从一个开关状态转入另一个开关状态时，如果某相的电平变化绝对值大于1，在各开关转换过程总加入作用时间为1个开关周期T_s的1-2个过渡开关状态保证每相电平变化绝对值小于等于1以减小器件所受的电压应力；

4.6）、输出相应的开关序列

将步骤4.5）得到的结果输出，或者将步骤4.5）得到的结果用对称的方式输出。

6.根据权利要求1所述的一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤1）中：

$m_{\mathrm{SV}}=2/\sqrt{3}\·m_{\mathrm{SP}}---\left(2\right)$

m_SP为载波调制度。

7.根据权利要求1所述的一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤1）中：

$m_{\mathrm{SV}}=\frac{v_{\mathrm{xy}}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{2}{v}_{\mathrm{xyrms}}}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{3}{v}_x}{V_{\mathrm{dc}}}=\frac{\sqrt{6}{v}_{\mathrm{xrms}}}{V_{\mathrm{dc}}}(x,y=a,b,c;x\≠y)---\left(1\right)$

v_xy表示线电压的峰值；v_xyrms表示线电压的有效值；v_x表示相电压峰值；v_xrms表示相电压有效值；V_dc表示直流侧总电压。

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