CN103427695B - 一种三相五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五电平变换器电容电位平衡控制方法及系统，其根据三相输出调制电压的大小排序结果和相应相的输出电流、基准电平和电容中点电压偏移量计算零序分量；将该零序分量分别与原三相输出调制电压进行叠加，得到修正调制电压；检测三相五电平拓扑中每相飞跨电容的电压，并根据三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中开关管的开关状态组合及其相应开关状态的作用时间；通过控制开关管实现上述开关状态组合及其作用时间，使得电容电压达到平衡，不需要增加辅助电路，成本低且简单易实现，还保证了变换器电容电压平衡控制的准确度；同时，还实现了飞跨电容的电位控制，解决了现有技术的问题。

Description

一种三相五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，尤其涉及一种三相五电平变换器电容电位平衡控制方法及系统。

背景技术

在光伏发电、风力发电等新能源领域，多电平变换器因具有输出功率大、动态响应快、电磁兼容性好等特性而越来越受重视。但是因四电平及以上电平的变换器的电容电位不易平衡，电位控制过程复杂，或需要增加额外的电路装置来实现各电容电位的平衡控制，故限制了四电平及以上电平的变换器的应用。

特别的，现有图1（a）所示的三相五电平变换器系统（五种电平分别为+2E、+E、0、-E和-2E），其每相的五电平拓扑中均具有一飞跨电容C1，常见结构包括图1（b）所示的单相五电平拓扑及其简图。对于图1（a）所示三相五电平变换器，其除和一般多电平电路一样，需要平衡控制中点N的电位，还需要控制每相的飞跨电容C1上的电位，现有针对图1示三相五电平变换器系统的控制方法实现起来较为复杂，且效果不理想。

发明内容

有鉴于此，本申请目的在于提供一种三相五电平变换器电容电位平衡控制方法及系统，以在不增加辅助电路的前提下，实现三相五电平变换器电容电位平衡控制，同时实现每相飞跨电容电位的平衡控制。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种三相五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；

检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1；

根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的保持时间，其中，所述修正调制电压包括所述第一修正调制电压V_A′、V_B′和V_C′。

优选地，所述零序分量V_Z′的计算公式为：

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

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-2E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max })& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-2E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

优选地，所述修正调制电压还包括所述第二修正调制电压V_A″、V_B″和V_C″；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，得到所述第二修正调制电压V_A″、V_B″、V_C″。

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,2E-V_max)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z″=max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min)，则：

V_Z″=max(-V_max,-2E-V_min)。

一种三相五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；

电容电压检测模块，用于检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1；

第一修正计算模块，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′和V_C′；

开关控制模块，用于根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的保持时间；其中，所述修正调制电压包括所述第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′。

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′：

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

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-2E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max })& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-2E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

优选地，所述修正调制电压还包括所述第二修正调制电压V_A″、V_B″和V_C″；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，得到所述第二修正调制电压V_A″、V_B″、V_C″。

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,2E-V_max)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z″=max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,2E-V_max,-V_md)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min)，则：

V_Z″=max(-V_max,-2E-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，并根据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，并对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，得到修正调制电压；检测三相五电平拓扑中每相飞跨电容的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1，并根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间；其中，由于零序分量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指令值的基础上，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，不需要增加辅助电路，成本低且简单易实现，还保证了变换器电容电压平衡控制的准确度；同时，由于确定对应相的五电平拓扑中开关管的开关状态组合时参考了飞跨电容的电压，故本申请还实现了飞跨电容的电位控制。因此，本申请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（a）为现有三相五电平变换器系统的结构示意图；

图1（b）为现有单相五电平拓扑的一种结构及其简图；

图2为本申请实施例一提供的三相五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五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五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五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单相五电平拓扑的一种结构及其简图；

图7为可采用本申请实施例的单相五电平拓扑的另一种结构及其简图。

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五电平变换器电容电位平衡控制方法及系统，以简单有效的实现三相五电平变换器电容中点电位平衡控制，及每相飞跨电容电位的平衡控制。

参照图2，本申请实施例一提供了一种三相五电平变换器电容电位平衡控制方法，该三相五电平变换器的每相五电平拓扑中都具有一飞跨电容C1，该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；

对于五电平拓扑，E=V_DC/4，五种电平分别为-2E、-E、0、+E和+2E。

S104：检测所述变换器的电容中点电压偏移量ΔV_DC；

以图1所示变换器为例，ΔV_DC=V₁₀₂-V₁₀₃；其中，V₁₀₂为电容102的电压、V₁₀₃为电容103的电压。

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：检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容C1的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1；

S108：根据所述三相电流、第一修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间。

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，并根据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，并对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，得到修正调制电压；检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1，并根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间；其中，由于零序分量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指令值的基础上，注入该零序分量V_Z′即可抵消ΔV_DC，使得变换器直流侧电容电压在下一个周期内达到平衡，不需要增加辅助电路，成本低且简单易实现，还保证了变换器电容电压平衡控制的准确度；同时，由于确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合时参考了飞跨电容的电压，故本申请实施例还实现了飞跨电容的电位控制。因此，本申请实施例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：-2E≤V_A、V_B、V_C≤2E；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：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-2E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max })& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-2E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right..$

上文实施例一仅提供了零序分量VZ′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五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S208；

该预设范围具体为：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-2E-V_{\min },-V_{\mathrm{mid}})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max })& (V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-2E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max },-V_{\mathrm{mid}})& (V_{\mathrm{mid}}<0)\end{array}\right..$

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′，并执行步骤S210；

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

S208：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,2E-V_max)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z″=max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min)，则：

V_Z″=max(-V_max,-2E-V_min)。

S209：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″，并执行步骤S210；

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

S210：检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容C1的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1；

S211：根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间。

上述修正调制电压包括第一修正调制电压和第二修正调制电压。

具体的，上述步骤S205计算零序分量V_Z′的公式为：

$V_Z^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{S}{2i_{V\min }}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{T_S{i}_{V\min }}-V_{\min }& V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0\\ \frac{S}{2i_{V\max }}-\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{DC}}\mathrm{CE}}{T_S{i}_{V\max }}-V_{\max }& V_{\mathrm{mid}}<0\end{array}\right.$ (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（a）所示变换器系统，C为电容102和电容103的串联电容值。

下面以图1（b）所示一相五电平拓扑为例，对本申请实施例中确定开关管的开关状态组合及其作用时间的方法，以及公式一的推导过程进行详细阐述。

表1示出了任意一相x（包括A相、B相和C相）五电平拓扑中不同输出电平下开关管的开关状态、流入电容中点N的电流i_xN及流入该相飞跨电容C₁的电流i_xC1与输出电流i_x之间的对应关系表。

表1不同输出电压下开关管的开关状态、i_xN和i_xC1对应关系表

假设x相需要输出的电压为V_x(-2E≤V_x≤2E)；那么需要的开关状态组合及各开关状态的作用时间如表2示。

表2不同输出电压下开关状态组合、作用时间及i_xN对应关系表

以输出电压为0≤V_x≤2E为例，每个开关周期都有+E电平这个状态。在忽略两相邻控制周期内每相电流输出的差值及输出电压的差值及电容静态放电的前提下，在输出电平为+E时，可以通过依次选择开关状态V1、V2来实现一相五电平拓扑中电容C1电压的平衡，且相邻两个周期内V1、V2的作用时间相等；同理，在输出电平为-E时，可以通过依次选择开关状态V5、V6来实现一相五电平拓扑中电容C1电压的平衡，且相邻两个周期内V5、V6的作用时间相等。

那么结合表2和上述分析可知，-2E≤V_x≤2E范围内，通过选择开关状态组合实现每相飞跨电容电压平衡的前提下，对相邻开关周期内对任意一相x流入中点N的电流i_xN与该相负载电流i_x的关系做平均处理可得一开关周期内对任意一相x流入中点N的电流i_xN与该相负载电流i_x近似等效关系：

$i_{\mathrm{xN}}=\left\{\begin{array}{cc}(1-V_x/2E)i_x& (0<V_x\&le;2E)\\ (1+V_x/2E)i_x& (-2E\&le;V_x\&le;0)\end{array}\right..$

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：

$i_{\mathrm{xN}}=\left\{\begin{array}{cc}(1-(V_x+V_Z^{\&prime;})/2E)i_x& (0<V_x\&le;2E)\\ (1+(V_x+V_Z^{\&prime;})/2E)i_x& (-2E<V_x\&le;0)\end{array}\right..$

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′=(1-(V_max+V_Z′)/2E)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′=(1+(V_min+V_Z′)/2E)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：

$i_{\mathrm{VmidN}}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}(1-(V_{\mathrm{mid}}+V_Z^{\&prime;})/2E)i_{\mathrm{Vmid}}& V_{\mathrm{mid}}\&GreaterEqual;0\\ (1+(V_{\mathrm{mid}}+V_Z^{\&prime;})/2E)i_{\mathrm{Vmid}}& V_{\mathrm{mid}}<0\end{array}\right.$ （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：

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

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，不仅简单易实现，还保证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″。

进一步的，参照表1、2，以A相为例，根据A相电流i_A、A相的五电平拓扑中飞跨电容的电压V_AC1和A相第一修正调制电压V_A′或第二修正电压V_A″，确定A相开关管开关状态组合（以编号V0～V7表示）及对应的作用时间，具体方法为：

当i_A(V_AC1-E)≥0时：

若E<V_A′或V_A″≤2E，则确定开关状态组合为V0和V1；

若0<V_A′或V_A″≤E，则确定开关状态组合为V1和V3；

若-E<V_A′或V_A″≤0，则确定开关状态组合为V4和V5；

若-2E<V_A′或V_A″≤-E，则确定开关状态组合为V5和V7；

当i_A(V_AC1-E)<0时：

若E<V_A′或V_A″≤2E，则确定开关状态组合为V0和V2；

若0<V_A′或V_A″≤E，则确定开关状态组合为V2和V3；

若-E<V_A′或V_A″≤0，则确定开关状态组合为V4和V6；

若-2E<V_A′或V_A″≤-E，则确定开关状态组合为V6和V7。

其中，各开关状态的作用时间如表2示。

B相和C相的开关管开关状态组合确定方法与A相相同，在此不再赘述。

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，同时也实现了飞跨电容的电位控制。

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五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、第一修正计算模块409、电容电压检测模块410和开关控制模块411。

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。对于五电平拓扑，E=V_DC/4，五种电平分别为-2E、-E、0、+E和+2E。

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；以图1所示变换器为例，ΔV_DC=V₁₀₂-V₁₀₃；其中，V₁₀₂为电容102的电压、V₁₀₃为电容103的电压。

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。

第一修正计算模块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′；

电容电压检测模块410，用于检测三相五电平拓扑中飞跨电容C1的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1；

开关控制模块411，用于根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间；其中，所述修正调制电压包括第一修正计算模块409计算得到的第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′。

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，并根据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，并对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，得到修正调制电压；检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1，并根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间；其中，由于零序分量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指令值的基础上，注入该零序分量V_Z′即可抵消ΔV_DC，使得变换器直流侧电容电压在下一个周期内达到平衡，不需要增加辅助电路，成本低且简单易实现，还保证了变换器电容电压平衡控制的准确度；同时，由于确定对应相的五电平拓扑中开关管的开关状态组合时参考了飞跨电容的电压，故本申请实施例还实现了飞跨电容的电位控制。因此，本申请实施例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五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、第一修正计算模块509、电容电压检测模块510、开关控制模块511、零序分量修正模块512和第二修正计算模块513。

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、第一修正计算模块509和电容电压检测模块510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、第一修正计算模块409和电容电压检测模块410，在此不再赘述。

零序分量修正模块512，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″。

第二修正计算模块513，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″。

开关控制模块511，用于根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间；其中，根据零序分量V_Z′的大小，所述修正调制电压可能为第一修正计算模块509计算得到的第一修正调制电压V_A′、V_B′、V_C′，或者第二修正计算模块513计算得到的第二修正调制电压V_A″、V_B″、V_C″。

具体的，零序分量修正模块512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,2E-V_max)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max)；

若V_mid≥0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)，则：

V_Z″=max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′>min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)，则：

V_Z″=min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V_Z′<max(-V_max,-2E-V_min)，则：

V_Z′=max(-V_max,-2E-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′：

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

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，不仅简单易实现，还保证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。

需要说明的是，本申请实施例的控制对象为五电平拓扑中具有飞跨电容的三相五电平变换器系统，除了图1（b）所示的结构外，该五电平拓扑还可以为图6或图7所示的结构。其中，与图1（b）相同的，图6所示拓扑结构，其每相五电平拓扑中不同输出电平下开关管的开关状态、流入电容中点N的电流i_xN及流入该相飞跨电容C1的电流i_xC1与输出电流i_x之间的对应关系如表1所示，每相不同输出电压开关状态组合及各开关状态的作用时间如表2所示；对于图7所示拓扑结构，每相五电平拓扑中不同输出电平下开关管的开关状态、流入电容中点N的电流i_xN及流入该相飞跨电容C1的电流i_xC1与输出电流i_x之间的对应关系如下表3所示，每相不同输出电压开关状态组合及各开关状态的作用时间如表2所示。

表3图7拓扑中不同输出电压下开关管的开关状态、i_xN和i_xC1对应关系表

另外，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，因此本申请本申请实施例的应用范围既包括图1（a）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，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。

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 (10)

1.一种三相五电平变换器电容电位平衡控制方法，所述三相五电平变换器的每相五电平拓扑中具有一飞跨电容，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；

检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1；

根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间；其中，所述修正调制电压包括所述第一修正调制电压V′_A、V′_B和V′_C。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零序分量V′_Z的计算公式为：

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

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预设范围包括：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-2E-V_{\min },-V_{mid})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max })& (V_{mid}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-2E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max },V_{mid})& (V_{mid}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述修正调制电压还包括第二修正调制电压V″_A、V″_B和V″_C；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，得到所述第二修正调制电压V″_A、V″_B、V″_C。

5.根据权利要求4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,2E-V_max)，则：

V″_Z＝min(-V_min,2E-V_max)；

若V_mid≥0且V′_Z<max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z>min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)，则：

V″_Z＝min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z<max(-V_max,-2E-V_min)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-2E-V_min)。

6.一种三相五电平变换器电容电位平衡控制系统，所述三相五电平变换器的每相五电平拓扑中具有一飞跨电容，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；

第一修正计算模块，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和V′_C；

电容电压检测模块，用于检测三相五电平拓扑中所述飞跨电容的电压V_AC1、V_BC1和V_CC1；

开关控制模块，用于根据所述三相电流、修正调制电压和飞跨电容的电压，确定对应相的五电平拓扑中每个开关管的开关状态组合，及所述开关状态组合在当前开关周期内的作用时间；其中，所述修正调制电压包括所述第一修正调制电压V′_A、V′_B、V′_C。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述零序分量计算模块通过如下公式计算零序分量V′_Z：

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

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述预设范围包括：

$\left\{\begin{array}{cc}\max (-V_{\max },-2E-V_{\min },-V_{mid})\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max })& (V_{mid}\&GreaterEqual;0)\\ \max (-V_{\max },-2E-V_{\min })\&le;V_Z^{\&prime;}\&le;\min (-V_{\min },2E-V_{\max },V_{mid})& (V_{mid}<0)\end{array}\right.;$

其中，V_max为所述V_A、V_B和V_C中的最大值；V_min为所述V_A、V_B和V_C中的最小值；V_mid为所述V_A、V_B和V_C中的中间值。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述修正调制电压还包括第二修正调制电压V″_A、V″_B和V″_C；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，得到所述第二修正调制电压V″_A、V″_B、V″_C。

10.根据权利要求9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,2E-V_max)，则：

V″_Z＝min(-V_min,2E-V_max)；

若V_mid≥0且V′_Z<max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-2E-V_min,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z>min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)，则：

V″_Z＝min(-V_min,2E-V_max,-V_mid)；

若V_mid＜0且V′_Z<max(-V_max,-2E-V_min)，则：

V″_Z＝max(-V_max,-2E-V_min)。