CN103414363B - 一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法及系统，其通过检测变换器母线电压、电容中点电压偏移量、三相电流，并根据母线电压计算基准电平，同时记录三相调制电压指令值并排序，根据该排序结果、结合所述基准电平和电容中点电压偏移量计算零序分量，在不改变三相输出调制电压符号的前提下，将该零序分量分别与所述三相调制电压指令值进行叠加，得到修正后的三相输出调制电压指令值，从而达到了消除所述电容中点电压偏移量的目的，使得电容电压达到平衡。本申请通过精确计算确定零序分量，不需要预估、校验，不仅简单易实现，还提高了变换器电容电压平衡控制的准确度，解决了现有技术的问题。

Description

一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法及系统

技术领域

本申请涉及电力控制技术领域，尤其涉及一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法及系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，三电平拓扑的技术越来越成熟。特别的，三相三电平变换器因其良好的谐波特性而得到了广泛的应用。

如图1所示的现有三相三电平变换器系统结构示意图，电容102的电容值C₁₀₂与电容103的电容值C₁₀₃相同，故其直流侧正母线与中点N之间的电压值V₁₀₂与中点N与负母线之间的电压V₁₀₃也应该相同。但实际应用中，上述电压值往往存在差异，即变换器电容电位存在波动现象。

现有技术已存在多种解决上述电容电位波动问题的控制策略，如通过预估、校验、修正等步骤确定一零序电压，并在三相调制电压中注入该零序电压来消除电位波动。虽然现有电容电位平衡控制方法多种多样，但其普遍如上述方法一样，存在控制过程复杂、不易实现的缺点，不利于对三相三电平变换器的实时控制。

发明内容

有鉴于此，本申请目的在于提供一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法及系统，以解决现有控制方法控制过程复杂、不易实现的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法，包括：

记录变换器的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C，并按大小对其进行排序；

检测所述变换器的三相电流i_A、i_B和i_C；

检测所述变换器的母线电压V_DC，并根据所述V_DC计算所述变换器的基准电平E；

检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；

根据所述E、ΔV_DC和所述排序结果计算零序分量V_Z′；

若所述零序分量V_Z′在预设范围内，则将所述V_Z′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′；所述预设范围表示叠加前后各相调制电压的符号均不改变的零序分量的大小范围；

将所述第一修正调制电压V_A′、V_B′和V_C′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

优选地，所述零序分量V_Z′的计算公式为：

$V_Z^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{2i_{V\min }}-\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\min }}-V_{\min }& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \frac{S}{2i_{V\max }}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\max }}-V_{\max }& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right.;$ 其中，

C为所述变换器直流母线总电容；

S为所述变换器修正前的每相输出调制电压指令值与其对应相电流的乘积之和；

T_S为所述变换器开关管的开关周期；

V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；

V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；

V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

优选地，所述预设范围包括：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max })& (V_{\min }\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

优选地，所述方法还包括：

若所述零序分量V_Z′不在预设范围内，则对所述零序分量V_Z′进行修正得到修正零序分量V_Z′′；

将所述修正零序分量V_Z′′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第二修正调制电压V_A′′、V_B′′、V_C′′；

将所述第二修正调制电压V_A′′、V_B′′和V_C′′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

优选地，所述对所述零序分量V_Z′进行修正得到修正零序分量V_Z′′，具体方法为：

若V_mid≥0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max,-V_mid)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min)。

一种三相三电平变换器电容电位平衡控制系统，包括：

三相调制电压存储模块，用于记录所述变换器的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C；

三相电流检测模块，用于检测所述变换器的三相电流i_A、i_B和i_C；

电压排序模块，用于按大小对所述V_A、V_B和V_C进行排序；

母线电压检测模块，用于检测所述变换器的母线电压V_DC；

基准电平计算模块，用于根据所述V_DC计算所述变换器的基准电平E；

电压偏移量检测模块，用于检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；

零序分量计算模块，用于根据所述E、ΔV_DC和所述电压排序模块的排序结果计算零序分量V_Z′；

修正判断模块，用于判断所述零序分量V_Z′是否在预设范围内；所述预设范围表示叠加前后各相调制电压的符号均不改变的零序分量的大小范围；

第一修正调制电压生成模块，用于在所述修正判断模块的判断结果为是时，将所述V_Z′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′，并将所述第一修正调制电压V_A′、V_B′和V_C′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

优选地，所述零序分量计算模块通过如下公式计算零序分量V_Z′：

$V_Z^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{2i_{V\min }}-\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\min }}-V_{\min }& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \frac{S}{2i_{V\max }}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\max }}-V_{\max }& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right.;$ 其中，

C为所述变换器直流母线总电容；

S为所述变换器修正前的每相输出调制电压指令值与其对应相电流的乘积之和；

T_S为所述变换器开关管的开关周期；

V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；

V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；

V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

优选地，所述预设范围包括：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max })& (V_{\min }\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

优选地，所述系统还包括：

零序分量修正模块，用于在所述修正判断模块的判断结果为否时，对所述零序分量V_Z′进行修正得到修正零序分量V_Z′′；

第二修正调制电压计算模块，用于将所述修正零序分量V_Z′′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到三相第二修正调制电压V_A′′、V_B′′、V_C′′，并将所述V_A′′、V_B′′和V_C′′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

优选地，所述零序分量修正模块通过如下方法对所述零序分量V_Z′进行修正得到修正零序分量V_Z′′：

若V_mid≥0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max,-V_mid)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min)。

从上述的技术方案可以看出，本申请分别检测变换器母线电压V_DC、电容中点电压偏移量ΔV_DC、三相电流，进而根据V_DC计算基准电平E，同时记录三相调制电压指令值V_A、V_B和V_C，对V_A、V_B和V_C进行排序，根据该排序结果和相应相的输出电流、结合上述基准电平E和电容中点电压偏移量ΔV_DC计算零序分量V_Z′，在不改变三相输出调制电压符号的前提下，将该零序分量V_Z′分别与V_A、V_B和V_C进行叠加，得到修正后的三相输出调制电压指令值；由于上述零序分量V_Z′根据当前开关周期内的电容中点电压偏移量ΔV_DC计算得到，故在当前开关周期的调制电压的基础上，注入该零序分量V_Z′即可抵消ΔV_DC，使得电容电压在下一个周期内达到平衡。本申请通过精确计算确定零序分量V_Z′，不需要预估、校验，不仅简单易实现，还提高了变换器电容电压平衡控制的准确度，解决了现有技术的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有三相三电平变换器系统的结构示意图；

图2为本申请实施例一提供的三相三电平变换器电容电位平衡控制方法流程图；

图3为本申请实施例二提供的三相三电平变换器电容电位平衡控制方法流程图；

图4为本申请实施例三提供的三相三电平变换器电容电位平衡控制系统结构框图；

图5为本申请实施例四提供的三相三电平变换器电容电位平衡控制系统结构框图；

图6为可采用本申请实施例的三相三电平变换器中一相三电平拓扑结构及其简图；

图7为可采用本申请实施例的三相三电平变换器中一相三电平拓扑的一种电路结构图；

图8为可采用本申请实施例的三相三电平变换器中一相三电平拓扑的另一种电路结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例公开了一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法及系统，以解决现有控制方法控制过程复杂、不易实现的问题。

参照图2，本申请实施例一提供的三相三电平变换器电容电位平衡控制方法，包括如下步骤：

S101：记录所述变换器的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C，并按大小对其进行排序；

即，确定三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C的最大值V_max、最小值V_min和中间值V_mid，用公式表示分别为：

V_max=max(V_A,V_B,V_C)、V_min=min(V_A,V_B,V_C)、V_mid=mid(V_A,V_B,V_C)。

S102：检测所述变换器的三相电流i_A、i_B和i_C；

S103：检测所述变换器的母线电压V_DC，并根据所述V_DC计算所述变换器的基准电平E；

对于三电平拓扑，E=V_DC/2，三种电平分别为-E、0和E。

S104：检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；

电容中点电压偏移量ΔV_DC即为图1所示变换器直流侧正母线至电容中点N的电压V₁₀₂与电容中点N至负母线的电压V₁₀₃之间的差值，即ΔV_DC=V₁₀₂-V₁₀₃。

S105：根据所述E、ΔV_DC和所述排序结果计算零序分量V_Z′；

S106：若所述零序分量V_Z′在预设范围内，则将所述V_Z′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′；

即，V_A′=V_A+V_Z′；V_B′=V_B+V_Z′；V_C′=V_C+V_Z′。

S107：将所述第一修正调制电压V_A′、V_B′和V_C′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

从上述的技术方案可以看出，本申请实施例分别检测变换器母线电压V_DC、电容中点电压偏移量ΔV_DC、三相电流，同时记录三相调制电压指令值V_A、V_B和V_C，进而根据V_DC计算基准电平E，对V_A、V_B和V_C进行排序，根据该排序结果和相应相的输出电流、结合上述基准电平E和电容中点电压偏移量ΔV_DC计算零序分量V_Z′，在不改变三相输出调制电压符号的前提下，将该零序分量V_Z′分别与V_A、V_B和V_C进行叠加，得到修正后的三相输出调制电压指令值；由于上述零序分量V_Z′根据当前开关周期内的电容中点电压偏移量ΔV_DC计算得到，故在当前开关周期的调制电压的基础上，注入该零序分量V_Z′即可抵消ΔV_DC，使得电容电压在下一个周期内达到平衡。本申请通过精确计算确定零序分量V_Z′，不需要预估、校验，不仅简单易实现，还提高了变换器电容电压平衡控制的准确度，解决了现有技术的问题。

上述实施例中，计算得到零序分量V_Z′后，需判断其是否在预设范围内，以保证各相调制电压与V_Z′叠加前后的符号不变，即V_A*（V_A+V_Z′）≥0且V_B*（V_B+V_Z′）≥0且V_C*（V_C+V_Z′）≥0。下面将对本申请实施例确定该预设范围的方法及原理进行阐述。

三相输出调制电压V_A、V_B、V_C满足如下关系：-E≤V_A、V_B、V_C≤E；相应的，V_A、V_B和V_C中的最大值V_max和最小值V_min满足V_max*V_min≤0；则必然有V_max≥0、V_min≤0。同时，V_A*（V_A+V_Z′）≥0且V_B*（V_B+V_Z′）≥0且V_C*（V_C+V_Z′）≥0可等效为：V_max*（V_max+V_Z′）≥0且V_min*（V_min+V_Z′）≥0且V_mid*（V_mid+V_Z′）≥0；进一步等效得：V_max+V_Z′≥0且V_min+V_Z′≤0且V_mid*（V_mid+V_Z′）≥0；从而，根据V_mid的符号分情况计算可确定上述预设范围：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max })& (V_{\min }\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right..$

上文实施例一仅提供了零序分量V_Z′在预设范围内时的电容中点电位平衡控制方法。优选的，本申请实施例二提供的另一种三相三电平变换器电容中点电位平衡控制方法，同时解决了零序分量V_Z′在预设范围内和不在预设范围内两种情况下的电容中点电位平衡控制。

下面参照图3对本申请实施例二的方法流程进行阐述。

S201：记录所述变换器的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C，并按大小对其进行排序；

即，确定三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C的最大值V_max、最小值V_min和中间值V_mid，用公式表示分别为：

V_max=max(V_A,V_B,V_C)、V_min=min(V_A,V_B,V_C)、V_mid=mid(V_A,V_B,V_C)。

S202：检测所述变换器的三相电流i_A、i_B和i_C；

上述三相电流也可根据步骤S201中的排序结果表示为i_Vmax、i_Vmin和i_Vmid；其中，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；i_Vmin为所述V_min所在相的电流；i_Vmid为所述V_mid所在相的电流。

例如，若步骤S201中的排序结果为V_A>V_B>V_C，则有：

V_max=V_A、V_min=V_C、V_mid=V_B、i_Vmax=i_A、i_Vmin=i_C、i_Vmid=i_B。

S203：检测所述变换器的母线电压V_DC，并根据所述V_DC计算所述变换器的基准电平E；

S204：检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；

S205：根据所述E、ΔV_DC和所述排序结果计算零序分量V_Z′；

S206：判断所述零序分量V_Z′是否在预设范围内，若是，则执行步骤S207，否则执行步骤S209；

该预设范围具体为：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max })& (V_{\min }\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right..$

S207：将所述V_Z′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′；

即，V_A′=V_A+V_Z′；V_B′=V_B+V_Z′；V_C′=V_C+V_Z′。

S208：将所述第一修正调制电压V_A′、V_B′和V_C′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值，本次控制结束。

S209：对所述零序分量V_Z′进行修正得到修正零序分量V_Z′′；

修正方法为：取与V_Z′最接近的上述预设范围的边界值。

具体的，若V_mid≥0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max,-V_mid)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min)。

S210：将所述修正零序分量V_Z′′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第二修正调制电压V_A′′、V_B′′、V_C′′；

即，V_A′′=V_A+V_Z′′；V_B′′=V_B+V_Z′′；V_C′′=V_C+V_Z′′。

S211：将所述第二修正调制电压V_A′′、V_B′′和V_C′′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值，本次控制结束。

具体的，上述步骤S205计算零序分量V_Z′的公式为：

$V_Z^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{2i_{V\min }}-\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\min }}-V_{\min }& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \frac{S}{2i_{V\max }}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\max }}-V_{\max }& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right.$ （公式一）；

其中，S为所述变换器修正前的每相输出调制电压指令值与其对应相电流的乘积和，即S=V_A*i_A+V_B*i_B+V_C*i_C。T_S为变换器开关管的开关周期；C为所述变换器直流母线总电容。

对于图1所示变换器系统，C为电容102和电容103的串联电容值，即C=C₁₀₂*C₁₀₃/(C₁₀₂+C₁₀₃)，式中C₁₀₂、C₁₀₃分别表示电容102和电容103的电容值。

上述公式一的推导过程如下：

一方面，根据三相三电平变换器一个开关周期内任意一相x流入中点N的电流i_xN与该相负载电流i_x的关系，可知：

$i_{\mathrm{xN}}=\left\{\begin{array}{cc}(V_x/E-1)i_x& (0<V_x\&le;E)\\ -(V_x/E+1)i_x& (-E<V_x\&le;0)\end{array}\right..$

其中，V_x表示x相的输出调制电压指令值，且-E≤V_x≤E，x可取A、B、C。由于三相变换器系统，在每相电压上叠加一相同的电压偏置，不会改变系统的电流响应，故在原输出调制电压的基础上叠加一零序分量V_Z′后，流入电容中点N的电流可表示为：

$i_{\mathrm{xN}}=\left\{\begin{array}{cc}((V_x+V_Z^{\&prime;})/E-1)i_x& (0<V_x\&le;E)\\ -((V_x+V_Z^{\&prime;})/E+1)i_x& (-E<V_x\&le;0)\end{array}\right..$

叠加零序分量V_Z′后，三相输出调制电压指令值的最大值V_max所在相流入N点电流i_VmaxN′为：

i_VmaxN′=((V_max+V_Z′)/E-1)i_Vmax（公式二）；

调制电压最小值V_min所在相流入N点电流i_VminN′为：

i_VminN′=-((V_min+V_Z′)/E+1)i_Vmin（公式三）；

调制电压中间值V_mid所在相流入N点电流i_VmidN′为：

$i_{\mathrm{VmidN}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}((V_{\mathrm{mid}}+V_Z^{\&prime;})/E-1)i_{\mathrm{Vmid}}& V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0\\ -((V_{\mathrm{mid}}+V_Z^{\&prime;})/E+1)i_{\mathrm{Vnid}}& V_{\mathrm{mid}}<0\end{array}\right.$ （公式四）。

一个开关周期内流向中点N的等效平均电流为：

i_N′=i_AN′+i_BN′+i_CN′=i_VmaxN′+i_VmidN′+i_VminN′（公式五）。

将公式二、公式三和公式四代人公式五中，可得：

$i_N^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}(V_{\max }{i}_{V\max }+V_{\mathrm{mid}}{i}_{\mathrm{Vmid}}-V_{\mathrm{mid}}{i}_{V\min }-2V_Z^{\&prime;}{i}_{V\min })/E& V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0\\ (V_{\max }{i}_{V\max }-V_{\mathrm{mid}}{i}_{\mathrm{Vmid}}-V_{\min }{i}_{V\min }+2V_Z^{\&prime;}{i}_{V\max })/E& V_{\mathrm{mid}}<0\end{array}\right.$ （公式六）。

另一方面，根据电容充电原理，要在一个开关周期内完全抑制中点N的电压偏移量ΔV_DC，流入中点N的电流大小应为：

i_N′=ΔV_DCC/T_S（公式七）。

将公式六和公式七联立，即可得零序分量V_Z′的计算公式，即公式一。

由上述推导过程可知，本申请实施例确定零序分量V_Z′完全通过精确的检测、计算，不需要预估、校验等步骤，不仅简单易实现，还提高了变换器电容电压平衡控制的准确度。

进一步的，本申请实施例当V_Z′在预设范围内时，直接将其叠加在修正前的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C上，得到修正后的三相输出调制电压指令值V_A′、V_B′和V_C′；当V_Z′不在预设范围内时，则取与V_Z′最接近的上述预设范围的边界值作为修正零序分量V_Z′′，进而将修正零序分量V_Z′′分别叠加在修正前的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C上，得到修正后的三相输出调制电压指令值V_A′′、V_B′′和V_C′′。通过上述步骤，本申请实施例保证了修正前的三相输出调制电压指令值与修正后的三相输出调制电压指令值符号相同，最大限度的实现了电容中点电位的平衡。

与上述方法实施例相应的，本申请实施例三还提供了一种三相三电平变换器电容电位平衡控制系统。如图4所示，该系统包括：三相调制电压存储模块401、三相电流检测模块402、电压排序模块403、母线电压检测模块404、基准电平计算模块405、电压偏移量检测模块406、零序分量计算模块407、修正判断模块408和第一修正调制电压生成模块409。

其中，三相调制电压存储模块401，用于记录所述变换器的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C。

三相输出电流检测模块402，用于检测所述变换器的三相电流i_A、i_B和i_C。

电压排序模块403，用于按大小对所述V_A、V_B和V_C进行排序；即，确定三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C的最大值V_max、最小值V_min和中间值V_mid。

母线电压检测模块404，用于检测所述变换器的母线电压V_DC。

基准电平计算模块405，用于根据所述V_DC计算所述变换器的基准电平E。对于三电平拓扑，E=V_DC/2，三种电平分别为-E、0和E。

电压偏移量检测模块406，用于检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；即图1所示变换器直流侧正母线至电容中点N的电压V₁₀₂与电容中点N至负母线的电压V₁₀₃之间的差值，可用公式表示为ΔV_DC=V₁₀₂-V₁₀₃。

零序分量计算模块407，用于根据所述E、ΔV_DC和电压排序模块403的排序结果计算零序分量V_Z’。

修正判断模块408，用于判断所述零序分量V_Z′是否在预设范围内。

第一修正调制电压生成模块409，用于在修正判断模块408的判断结果为是时，将所述V_Z′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′，并将所述第一修正调制电压V_A′、V_B′和V_C′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

由上述系统组成及其功能描述可知，本申请实施例分别检测变换器母线电压V_DC、电容中点电压偏移量ΔV_DC、三相电流，同时记录三相调制电压指令值V_A、V_B和V_C，进而根据V_DC计算基准电平E，对V_A、V_B和V_C进行排序，根据该排序结果和相应相的输出电流、结合上述基准电平E和电容中点电压偏移量ΔV_DC计算零序分量V_Z′，在不改变三相输出调制电压符号的前提下，将该零序分量V_Z′分别与V_A、V_B和V_C进行叠加，得到修正后的三相输出调制电压指令值；由于上述零序分量V_Z′根据当前开关周期内的电容中点电压偏移量ΔV_DC计算得到，故在当前开关周期的调制电压的基础上，注入该零序分量V_Z′即可抵消ΔV_DC，使得电容电压在下一个周期内达到平衡。本申请通过精确计算确定零序分量V_Z′，不需要预估、校验，不仅简单易实现，还提高了变换器电容电压平衡控制的准确度，解决了现有技术的问题。

上文实施例三所述系统仅实现了零序分量V_Z′在预设范围内时的电容中点电位平衡控制。优选的，本申请实施例四提供的另一种三相三电平变换器电容中点电位平衡控制系统，同时解决了零序分量V_Z′在预设范围内和不在预设范围内两种情况下的电容中点电位平衡控制。

如图5所示，本申请实施例四所述系统包括三相调制电压存储模块501、三相电流检测模块502、电压排序模块503、母线电压检测模块504、基准电平计算模块505、电压偏移量检测模块506、零序分量计算模块507、修正判断模块508、第一修正调制电压生成模块509、零序分量修正模块510和第二修正调制电压计算模块511。

其中，三相调制电压存储模块501、三相输出电流检测模块502、电流电压排序模块503、母线电压检测模块504、基准电平计算模块505、电压偏移量检测模块506、零序分量计算模块507、修正判断模块508和第一修正调制电压生成模块509的功能可分别参考图4所示实施例三中的三相调制电压存储模块401、三相电流检测模块402、电压排序模块403、母线电压检测模块404、基准电平计算模块405、电压偏移量检测模块406、零序分量计算模块407、修正判断模块408和第一修正调制电压生成模块409，在此不再赘述。

零序分量修正模块510，用于在修正判断模块508的判断结果为否时，对所述零序分量V_Z′进行修正得到修正零序分量V_Z′′。

第二修正调制电压计算模块511，用于将所述修正零序分量V_Z′′分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第二修正调制电压V_A′′、V_B′′、V_C′′，并将所述V_A′′、V_B′′和V_C′′作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

具体的，零序分量修正模块510修正零序分量V_Z′的方法为：取与V_Z′最接近的上述预设范围的边界值，即，

若V_mid≥0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,E-V_max,-V_mid)，则：

V_Z′′=min(-V_min,E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-E-V_min)，则：

V_Z′′=max(-V_max,-E-V_min)。

另外，零序分量计算模块507通过如下公式计算零序分量V_Z′：

$V_Z^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{2i_{V\min }}-\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\min }}-V_{\min }& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \frac{S}{2i_{V\max }}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{2T_S{i}_{V\max }}-V_{\max }& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right..$

其中，C为所述变换器直流母线总电容；S修正前的每相输出调制电压指令值与其对应相电流的乘积之和，即S=V_A*i_A+V_B*i_B+V_C*i_C；T_S为开关周期。

由上述系统组成及工作原理可知，本申请实施例确定零序分量V_Z′完全通过精确的检测、计算，不需要预估、校验等步骤，不仅简单易实现，还提高了变换器电容电压平衡控制的准确度。另外，当V_Z′在预设范围内时，直接将其叠加在原三相调制电压V_A、V_B和V_C上，得到当前周期修正后的三相输出调制电压指令值V_A′、V_B′和V_C′；当V_Z′不在预设范围内时，则取与V_Z′最接近的上述预设范围的边界值作为修正零序分量V_Z′′，进而将修正零序分量V_Z′′分别叠加在原三相调制电压V_A、V_B和V_C上，得到当前周期修正后的三相输出调制电压指令值V_A′′、V_B′′和V_C′′。通过上述步骤，本申请实施例保证了当前周期修正前的三相输出调制电压指令值与当前周期修正后的三相输出调制电压指令值符号相同，最大限度的实现了电容中点电位的平衡。

本申请实施例一和实施例二所述的方法，及实施例三和实施例四所述系统的应用范围包括如图1所示的三相负载中点未连接至直流侧母线中点N的变换器系统。由于三相对称负载的电流i_A、i_B和i_C的和为0，故三相对称负载中点至直流侧母线中点N间的电流也为0，对电容电位没有影响，因此本申请实施例一和实施例二所述的方法，及实施例三和实施例四所述系统的应用范围还包括三相对称负载中点连接至直流侧母线中点N的变换器系统。上述两种变换器系统中的三电平拓扑及其简图如图6所示，该三电平拓扑包括图7和图8所示的两种具体结构。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，所述程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-OnlyMemory，ROM）或随机存储记忆体（RandomAccessMemory，RAM）等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种三相三电平变换器电容电位平衡控制方法，其特征在于，包括：

记录变换器的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C，并按大小对其进行排序；

检测所述变换器的三相电流i_A、i_B和i_C；

检测所述变换器的母线电压V_DC，并根据所述V_DC计算所述变换器的基准电平E；

检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；

根据所述排序结果和相应相的输出电流、E、ΔV_DC计算零序分量V′_Z；

若所述零序分量V′_Z在预设范围内，则将所述V′_Z分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第一修正调制电压V′_A、V′_B、V′_C；所述预设范围表示叠加前后各相调制电压的符号均不改变的零序分量的大小范围；

将所述第一修正调制电压V′_A、V′_B和V′_C作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值；

所述零序分量V′_Z的计算公式为：

$V_Z^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{2i_{V\min }}-\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_{DC}CE}{2T_S{i}_{V\min }}-V_{\min }& (V_{\mathrm{mi}d}\&GreaterEqual;0)\\ \frac{S}{2i_{V\max }}+\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_{DC}CE}{2T_S{i}_{V\max }}-V_{\max }& (V_{mid}<0)\end{array}\right.;$ 其中，

C为所述变换器直流母线总电容；

S为所述变换器修正前的每相输出调制电压指令值与其对应相电流的乘积之和；

T_S为所述变换器开关管的开关周期；

V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；

V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；

V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设范围包括：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-E-V_{\min },-V_{mid})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max })& (V_{mid}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max },-V_{mid})& (V_{mid}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

若所述零序分量V′_Z不在预设范围内，则对所述零序分量V′_Z进行修正得到修正零序分量V″_Z；

将所述修正零序分量V″_Z分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第二修正调制电压V″_A、V″_B、V″_C；

将所述第二修正调制电压V″_A、V″_B和V″_C作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述零序分量V′_Z进行修正得到修正零序分量V″_Z，具体方法为：

若V_mid≥0且V′_Z＞min(-V_min,E-V_max)，则：

V″_Z＝min(-V_min,E-V_max)；

若V_mid≥0且V′_Z＜max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z＞min(-V_min,E-V_max,-V_mid)，则：

V″_Z＝min(-V_min,E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z＜max(-V_max,-E-V_min)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-E-V_min)。

5.一种三相三电平变换器电容电位平衡控制系统，其特征在于，包括：

三相调制电压存储模块，用于记录所述变换器的三相输出调制电压指令值V_A、V_B和V_C；

三相电流检测模块，用于检测所述变换器的三相电流i_A、i_B和i_C；

电压排序模块，用于按大小对所述V_A、V_B和V_C进行排序；

母线电压检测模块，用于检测所述变换器的母线电压V_DC；

基准电平计算模块，用于根据所述V_DC计算所述变换器的基准电平E；

电压偏移量检测模块，用于检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；

零序分量计算模块，用于根据排序结果和相应相的输出电流、E、ΔV_DC计算零序分量V′_Z；

修正判断模块，用于判断所述零序分量V′_Z是否在预设范围内；所述预设范围表示叠加前后各相调制电压的符号均不改变的零序分量的大小范围；

第一修正调制电压生成模块，用于在所述修正判断模块的判断结果为是时，将所述V′_Z分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到第一修正调制电压V′_A、V′_B、V′_C，并将所述第一修正调制电压V′_A、V′_B和V′_C作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值；

所述零序分量计算模块通过如下公式计算零序分量V′_Z：

$V_Z^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{2i_{V\min }}-\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_{DC}CE}{2T_S{i}_{V\min }}-V_{\min }& (V_{mid}\&GreaterEqual;0)\\ \frac{S}{2i_{V\max }}+\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_{DC}CE}{2T_S{i}_{V\max }}-V_{\max }& (V_{mid}<0)\end{array}\right.;$ 其中，

C为所述变换器直流母线总电容；

S为所述变换器修正前的每相输出调制电压指令值与其对应相电流的乘积之和；

T_S为所述变换器开关管的开关周期；

V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；

V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；

V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预设范围包括：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-E-V_{\min },-V_{mid})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max })& (V_{mid}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },E-V_{\max },-V_{mid})& (V_{mid}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值，i_Vmax为所述V_max所在相的电流；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值，i_Vmin为所述V_min所在相的电流；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

零序分量修正模块，用于在所述修正判断模块的判断结果为否时，对所述零序分量V′_Z进行修正得到修正零序分量V″_Z；

第二修正调制电压计算模块，用于将所述修正零序分量V″_Z分别与所述V_A、V_B和V_C叠加，得到三相第二修正调制电压V″_A、V″_B、V″_C，并将所述V″_A、V″_B和V″_C作为所述变换器修正后的三相输出调制电压指令值。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述零序分量修正模块通过如下方法对所述零序分量V′_Z进行修正得到修正零序分量V″_Z：

若V_mid≥0且V′_Z＞min(-V_min,E-V_max)，则：

V″_Z＝min(-V_min,E-V_max)；

若V_mid≥0且V′_Z＜max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z＞min(-V_min,E-V_max,-V_mid)，则：

V″_Z＝min(-V_min,E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z＜max(-V_max,-E-V_min)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-E-V_min)。