CN103414366A - Npc三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法 - Google Patents

Npc三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法。光伏并网逆变器采用中点钳位型三电平逆变电路，易造成中点电位的不平衡；软件控制算法通过对中点进行滞环比较的控制方式也未完全消除中点电位的低频波动；注入零序电压的控制算法相对复杂。NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：取光伏逆变器直流侧母线电压的一半和中点电压的差值大小，通过PI调节器得到当前开关周期需要向中点注入的电流值，以空间矢量脉宽调制中各扇区冗余小矢量的作用时间作为调制手段，计算出一个开关周期内冗余小矢量的分配比例。本发明在现有的硬件条件下消除二极管钳位型三电平中点电位的直流偏置和低频波动，实现中点平衡。

Description

NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法
技术领域
     本发明涉及一种二极管钳位型（NPC）三电平逆变电路直流侧中点电位波动的控制方法，具体涉及一种NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法。
背景技术
很多光伏并网逆变器采用中点钳位型三电平逆变电路，输入侧采用电容分压，可为逆变器的输出增加一个                                                
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE001
电平，使逆变输出的PWM波形较传统两电平更接近三相电网电压的正弦波形。由于直流侧中点有电流的流入流出，容易造成中点电位的不平衡，给逆变器的性能和安全带来十分不利的影响，因此必须通过适当的控制消除中点电位不平衡。目前软件控制算法研究较为广泛，有些是通过对中点进行滞环比较的控制方式将中点电位控制在一定范围内波动，这种方法简单易行，但是没有完全消除中点电位的低频波动。也有研究表明可以通过注入零序电压的办法将中点电流控制为零从而实现中点电位的平衡，这种方法完全可以消除中点电位的低频波动、取得更好的控制效果，但是注入零序电压的控制算法相对复杂、不易于在工程中应用，且在每一相调制电压过零点附近会出现零序电压计算不准确的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，现有硬件的条件下既能够消除二极管钳位型三电平中点电位的直流偏置和低频波动、实现中点平衡，又能够使控制算法简单易行、准确无误。
为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：
NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，取光伏逆变器直流侧母线电压的一半和中点电压的差值大小，通过PI调节器得到当前开关周期需要向中点注入的电流值，以空间矢量脉宽调制（SVPWM）中各扇区冗余小矢量的作用时间作为调制手段，定量的计算出一个开关周期内冗余小矢量的分配比例，使中点电流跟随维持中点电位平衡的给定；如果中点电位不存在直流偏置时，只需要在每个开关周期内将中点电流控制为0即可维持中点电位平衡，消除三电平中点电位的低频波动。
上述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，
判断空间矢量脉宽调制（SVPWM）各扇区的具体步骤如下：
在光伏逆变器运行时，控制芯片会通过采样电路得到三相电感电流、
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 98463DEST_PATH_IMAGE004
，并通过计算得到小矢量
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 572694DEST_PATH_IMAGE006
和中矢量
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE007
的作用时间分别为、
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 685324DEST_PATH_IMAGE010
，它们作用时中点对应的电流分别为
Figure 866907DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 509109DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 408932DEST_PATH_IMAGE003
。
（1）、如果参考电压矢量在小三角形1内（调制度
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE011
），若
Figure 912726DEST_PATH_IMAGE012
，则选择
Figure 948815DEST_PATH_IMAGE005
作为调节冗余小矢量，否则选择作为调节冗余小矢量；
（2）、如果参考电压矢量在小三角形3内（调制度
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE013
），若
Figure 883459DEST_PATH_IMAGE014
，则选择
Figure 253260DEST_PATH_IMAGE005
作为调节冗余小矢量，否则选择
Figure 347118DEST_PATH_IMAGE006
作为调节冗余小矢量。
在小三角形1区内：
以
Figure 144173DEST_PATH_IMAGE005
作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE015
以
Figure 753009DEST_PATH_IMAGE006
作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
Figure 847873DEST_PATH_IMAGE016
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明能够在不改动现有硬件 的条件下能够消除NPC型三电平中点电位的直流偏置和低频波动，最终实现中点平衡，改善了输出电流质量，且控制算法简单易行、不存在计算不准的情况；所提冗余小矢量选择判据在功率因素不为1情况下充分挖掘了冗余小矢量的对中点电位的调节能力，最大限度的实现中点电位的平衡。
附图说明
图1为本发明所采用的电路拓扑结构；
图2为三电平逆变器输出矢量空间图；
图3为三电平逆变器输出矢量空间图第Ⅰ扇区；
图4为三电平SVPWM的矢量空间图从第一扇区至第六扇区所对应的三相电感电流波形（功率因素为1）。
图5为
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE017
，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量作用时间大小为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数
Figure 858554DEST_PATH_IMAGE018
的仿真波形；
图6为
Figure 764193DEST_PATH_IMAGE017
，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量注入电荷多少为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数
Figure 860325DEST_PATH_IMAGE018
的仿真波形；
图7为
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE019
，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量作用时间大小为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数
Figure 761810DEST_PATH_IMAGE018
的仿真波形；
图8为
Figure 892577DEST_PATH_IMAGE019
，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量注入电荷多少为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数的仿真波形；
图9为光伏逆变器在0.1s切换至本发明控制方法的调制波、电感电流和中点电压仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，光伏并网逆变器的前级为两路并联的boost电路，后级为二极管中点钳位型三电平逆变电路。
参见图2，NPC三电平电路工作时，每个桥臂有三种工作状态：P、O、N，如果是在三相系统中总共就有
Figure 286966DEST_PATH_IMAGE020
种工作状态。在
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE021
坐标系上，每一种工作状态都对应一个电压矢量，把所有的27个电压矢量放在一起可以组成一个三电平电路的空间电压矢量分布图。
参见图3，三电平逆变电路通常采用SVPWM控制算法，将逆变器所能输出的电平状态组合用矢量图的形式表示，通过计算的方法得出各相调制波的占空比值。图示为经典扇区划分方法下SVPWM在第一扇区的情况，按照最近三矢量原则和中心对称的七段式SVPWM调制原则，可充分利用多电平电路的输出电压畸变小的特性同时使电路的开关损耗最小化。
参见图4，三电平SVPWM的矢量空间图从第一扇区至第六扇区所对应的三相电感电流波形（功率因素为1）。在0~区间（第一扇区内），
Figure 974485DEST_PATH_IMAGE005
矢量对应的作用时间
Figure 284244DEST_PATH_IMAGE008
在减小，对中点贡献的电流绝对值
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE023
在减小，
Figure 27072DEST_PATH_IMAGE006
矢量对应的作用时间
Figure 80478DEST_PATH_IMAGE009
在增大，对中点贡献的电流绝对值
Figure 107209DEST_PATH_IMAGE024
也在增大。所以必然可以在每个开关周期找出对中点注入电荷能力强的冗余小矢量，进而实现中点电位的平衡。若将电感电流和参考电压的相差限定在
Figure 201310312771X100002DEST_PATH_IMAGE025
以内，可以保证在同一扇区内冗余小矢量引起的中点电流不变号，且由中矢量所引起的中点电流绝对值最小，有利于控制算法的简化并取得较优的控制效果。
参见图5，搭建系统仿真模型，在，电感电流超前参考电压20°情况下，采用小矢量作用时间大小为判据，三相电压调制波出现了跳变，同时冗余小矢量分配系数
Figure 145889DEST_PATH_IMAGE018
也被限制为极限值
Figure 675091DEST_PATH_IMAGE026
。
参见图6，在，电感电流超前参考电压20°情况下，若采用小矢量注入电荷多少为判据，可以消除三相电压调制波由
Figure 286518DEST_PATH_IMAGE018
调至极限引起的跳变，仍具有使中点电流仍然保持为零的能力，降低输出电流的谐波畸变率。
参见图7，在，电感电流超前参考电压20°情况下，采用小矢量作用时间大小为判据，三相电压调制波出现了跳变，同时冗余小矢量分配系数
Figure 648415DEST_PATH_IMAGE018
也被限制为极限值
Figure 462787DEST_PATH_IMAGE026
。
参见图8，在
Figure 222933DEST_PATH_IMAGE019
，电感电流超前参考电压20°情况下，若采用小矢量注入电荷多少为判据，可以消除三相电压调制波由调至极限引起的跳变，仍具有使中点电流仍然保持为零的能力，降低输出电流的谐波畸变率。
参见图9，在0.1s处施加本发明的参考电压-电感电流-中点电压仿真波形，直流母线电压为650V，中点平衡电压为325V。
实施例：
参见图1、将光伏逆变器连接好之后，由于控制芯片会通过采样电路得到三相电感电流、
Figure 357745DEST_PATH_IMAGE003
、，并通过计算得到能影响中点电位的小矢量
Figure 295318DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 297909DEST_PATH_IMAGE006
和中矢量的作用时间分别为
Figure 923243DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 164868DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 892522DEST_PATH_IMAGE010
，它们作用时中点对应的电流分别为
Figure 270414DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 808842DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 272185DEST_PATH_IMAGE003
。可以做如下操作，参见图3：
若
Figure 616578DEST_PATH_IMAGE011
，参考电压位于第一扇区小三角形1内：
（1） 若
Figure 35927DEST_PATH_IMAGE012
，则选择作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，计算出冗余小矢量的分配系数
Figure 695896DEST_PATH_IMAGE028
；
（2） 若
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，则选择
Figure 578401DEST_PATH_IMAGE006
作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流
Figure 930885DEST_PATH_IMAGE027
，计算出冗余小矢量的分配系数
Figure 60384DEST_PATH_IMAGE030
。
若
Figure 498318DEST_PATH_IMAGE013
，参考电压位于第一扇区小三角形3内：
（1） 若
Figure 184515DEST_PATH_IMAGE014
，则选择
Figure 329188DEST_PATH_IMAGE005
作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流
Figure 442638DEST_PATH_IMAGE027
，计算出冗余小矢量的分配系数
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；
（2） 若
Figure 569468DEST_PATH_IMAGE032
，则选择作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流
Figure 120852DEST_PATH_IMAGE027
，计算出冗余小矢量的分配系数
Figure DEST_PATH_IMAGE033
。
小三角形2和4区域只有一对冗余小矢量，不存在选取问题。
各个扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据和分配系数
Figure 77306DEST_PATH_IMAGE018
如下：
1、按照上述方法，第Ⅰ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 1  第Ⅰ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
Figure 489833DEST_PATH_IMAGE034
各区域的分配系数
Figure 517832DEST_PATH_IMAGE018
如下：
表 2 第Ⅰ扇区小矢量分配比例
Figure DEST_PATH_IMAGE035
2、按照上述方法，第Ⅱ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表3  第Ⅱ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
Figure 886365DEST_PATH_IMAGE036
各区域的分配系数
Figure 341617DEST_PATH_IMAGE018
如下：
表 4  第Ⅱ扇区小矢量分配比例
Figure DEST_PATH_IMAGE037
3、按照上述方法，第Ⅲ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 5  第Ⅲ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
各区域的分配系数
Figure 479655DEST_PATH_IMAGE018
如下：
表6 第Ⅲ扇区小矢量分配比例
Figure DEST_PATH_IMAGE039
4、按照上述方法，第Ⅳ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 7 第Ⅳ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
Figure 968274DEST_PATH_IMAGE040
各区域的分配系数如下：
表 8  第Ⅳ扇区小矢量分配比例
Figure DEST_PATH_IMAGE041
5、按照上述方法，第Ⅴ区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表9  第扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
各区域的分配系数如下：
表 10  第Ⅴ扇区小矢量分配比例
Figure DEST_PATH_IMAGE043
6、按照上述方法，第Ⅵ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：表 11  第Ⅵ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
Figure 366577DEST_PATH_IMAGE044
各区域的分配系数
Figure 163632DEST_PATH_IMAGE018
如下：
表 12  第Ⅵ扇区小矢量分配比例
Figure DEST_PATH_IMAGE045

Claims (8)

1.NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：取光伏逆变器直流侧母线电压的一半和中点电压的差值大小，通过PI调节器得到当前开关周期需要向中点注入的电流值，以空间矢量脉宽调制中各扇区冗余小矢量的作用时间作为调制手段，定量的计算出一个开关周期内冗余小矢量的分配比例，使中点电流跟随维持中点电位平衡的给定；如果中点电位不存在直流偏置时，只需要在每个开关周期内将中点电流控制为0即可维持中点电位平衡，消除三电平中点电位的低频波动。
2.根据权利要求1所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：判断空间矢量脉宽调制各扇区的具体步骤如下：
在光伏逆变器运行时，控制芯片会通过采样电路得到三相电感电流 
Figure 201310312771X100001DEST_PATH_IMAGE001
、、
Figure 201310312771X100001DEST_PATH_IMAGE003
，并通过计算得到小矢量
Figure 286461DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 201310312771X100001DEST_PATH_IMAGE005
和中矢量
Figure 128515DEST_PATH_IMAGE006
的作用时间分别为
Figure 201310312771X100001DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 586041DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 201310312771X100001DEST_PATH_IMAGE009
，它们作用时中点对应的电流分别为
Figure 462730DEST_PATH_IMAGE001
、和
Figure 116007DEST_PATH_IMAGE002
；
（1）如果参考电压矢量在小三角形A内，调制度
Figure 377224DEST_PATH_IMAGE010
，若
Figure 201310312771X100001DEST_PATH_IMAGE011
，则选择
Figure 108420DEST_PATH_IMAGE004
作为调节冗余小矢量，否则选择
Figure 101784DEST_PATH_IMAGE005
作为调节冗余小矢量；
（2）如果参考电压矢量在小三角形C内，调制度
Figure 856113DEST_PATH_IMAGE012
，若，则选择
Figure 655442DEST_PATH_IMAGE004
作为调节冗余小矢量，否则选择
Figure 757257DEST_PATH_IMAGE005
作为调节冗余小矢量；
在小三角形A区内：
以作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
Figure 491044DEST_PATH_IMAGE014
以
Figure 766168DEST_PATH_IMAGE005
作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
3.根据权利要求2所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照上述方法，第Ⅰ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 1  第Ⅰ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
各区域的分配系数
Figure DEST_PATH_IMAGE017
如下：
表2 第Ⅰ扇区小矢量分配比例
Figure 433221DEST_PATH_IMAGE018
。
4.根据权利要求2所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照上述方法，第Ⅱ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 3  第Ⅱ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
Figure DEST_PATH_IMAGE019
各区域的分配系数
Figure 224459DEST_PATH_IMAGE017
如下：
表4  第Ⅱ扇区小矢量分配比例
Figure 303273DEST_PATH_IMAGE020
。
5.根据权利要求2所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照上述方法，第Ⅲ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 5  第Ⅲ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
各区域的分配系数
Figure 863568DEST_PATH_IMAGE017
如下：
表 6  第Ⅲ扇区小矢量分配比例
Figure 697532DEST_PATH_IMAGE022
。
6.根据权利要求2所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照上述方法，第Ⅳ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 7  第Ⅳ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
Figure DEST_PATH_IMAGE023
各区域的分配系数
Figure 209022DEST_PATH_IMAGE017
如下：
表 8  第Ⅳ扇区小矢量分配比例
。
7.根据权利要求2所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照上述方法，第Ⅴ区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表9  第扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
Figure DEST_PATH_IMAGE025
各区域的分配系数
Figure 568645DEST_PATH_IMAGE017
如下：
表 10  第Ⅴ扇区小矢量分配比例
Figure 573510DEST_PATH_IMAGE026
。
8.根据权利要求2所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照上述方法，第Ⅵ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表 11  第Ⅵ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
各区域的分配系数
Figure 995844DEST_PATH_IMAGE017
如下：
表 12  第Ⅵ扇区小矢量分配比例
Figure 468413DEST_PATH_IMAGE028
。
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