CN103475251B - 一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，以二极管钳位型五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点为中心，将五电平矢量图分解为12个两电平矢量图，并通过区域划分得到18个三角形区域。通过在每个三角形区域构造12个矢量序列，综合目标函数优化和内六边形矢量分解两种方法控制直流侧电容电压平衡，并通过设置电压误差滞环进行算法切换，当电压误差在滞环内时采用目标函数优化均压算法，而当电压误差超出滞环时，选择内六边形矢量分解均压算法实现快速电压平衡。该方法实现了二极管钳位型五电平逆变器在高调制比下的直流侧电容电压平衡控制，逆变器具有良好的谐波特性。

Description

一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法

技术领域

本发明涉及一种二极管钳位型五电平逆变器直流侧电容电压的平衡控制方法，尤其涉及一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，属于多电平逆变器技术。

背景技术

多电平变换器以耐压较低的功率器件实现高压输出，并且输出波形总谐波畸变率低、系统电磁干扰小、开关损耗小等优点，受到新能源并网发电、HVDC、高压SVG以及高压交流电机调速等领域的极大关注。基本的多电平拓扑结构归纳起来有3种：H桥级联型、二极管钳位型和飞跨电容性。其中二极管钳位型多电平逆变器由于结构简单，无需复杂移相变压器而更具有应用前景。

对钳位型多电平的研究多集中在其直流侧分压电容的电压平衡，这个问题对三电平的研究最为充分且目前有成熟的解决方法，利用冗余小矢量对中点电压的互补作用以及构造虚拟空间矢量等。虽然5L-DCC相对三电平可以输出更高的电压、具备更好的谐波特性等优点，但是为保证逆变器正常工作，需要对直流侧4个分压电容均压，在高调制比时电压平衡难度大，目前还没有成熟的解决方案。

三相二极管钳位型五电平逆变器矢量图由4个六边形由内到外中心嵌套构成，越外层六边形冗余矢量个数越少，其中5个为零矢量，第一层内层六边形含有6个有效矢量，每个矢量有4种冗余状态，而越外层六边形冗余矢量个数越少，其中最外层六边形的冗余矢量个数为零。传统基于目标函数优化最近三矢量SVM均压方法以冗余矢量为基础，当调制比较小时，冗余矢量较多，相应的矢量序列丰富，算法的均压能力较强，而随着调制比的增大，冗余矢量个数减少，算法对直流侧电容电压的控制变差，表现为调制比越高，功率因数越小，当调制比接近1时，逆变器几乎不能进行有功功率的输出，极大地限制了二极管钳位型五电平逆变器的应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，实现二极管钳位型五电平在高调制比高功率因数下的直流侧电容电压平衡控制，改善了逆变器输出的谐波特性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，利用第2层12个顶点为中心将五电平矢量图分解为12个两电平矢量图，通过区域划分得到18个三角形区域，并在每个三角形构造12个矢量序列，最后综合目标函数优化和内层六边形矢量分解两种均压方法，控制直流侧电容电压平衡，并通过设置电压误差滞环进行算法切换，当电压误差在滞环内时采用目标函数优化算法，而当电压误差超出滞环时，选择内六边形矢量分解均压算法实现快速电压平衡；具体包括如下步骤：

（1）矢量图分解：

（11）以三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点为中心，将其分解为12个两电平矢量图；

（12）通过对两电平矢量图重叠区域的对称划分，得到18个三角形区域；

（2）矢量序列的构造：

（21）对18个三角形区域的每个三角形，根据二极管钳位型五电平逆变器输出电压切换要求，在每两个矢量的中点取中间矢量进行状态过渡；

（22）对18个三角形区域的每个三角形，构造12个矢量序列，要求相电平不能越级跳跃且所构造的矢量序列在一个开关周期内最多动作两次；

（3）矢量序列的选择：

（31）设置电压误差滞环，并判断当前采样电压的误差；

（32）当电压误差在滞环内时，以第二层六边形矢量分解矢量序列为基础，采用基于目标函数优化均压算法进行均压；

（33）当电压误差在滞环外时，采用内六边形矢量分解均压算法进行均压。

所述12个两电平矢量图均为正六边形，所述三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点分别为12个正六边形的中心；三相五电平逆变器矢量图的中心点位于正六边形的一个顶点上或位于正六边形一条边的中点上，且正六边形至少有一条边位于三相五电平逆变器矢量图第4层六边形的边上。

所述18个三角形区域的每个三角形均为正三角形，其一个顶点为三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点中的一个，其另两个顶点为三相五电平逆变器矢量图第4层六边形的24个顶点中的两个。

有益效果：本发明提供的二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，实现了二极管钳位型五电平逆变器在高调制比时直流侧电容电压的平衡控制，且算法不受功率因数的影响；采用本发明提供的均匀方法，能够使得直流侧电容电压纹波小，电压平衡速度快；采用本发明提供的均匀方法的逆变器具有良好的谐波特性。

附图说明

图1为二极管钳位型五电平主电路拓扑；

图2为三相五电平逆变器矢量图；

图3为第I扇区矢量分解图；其中图3(a)给出了顶点编号，图3(b)给出了以顶点1为中心两电平矢量图在扇区I形成的三角形(1)，图3(c)给出了以顶点2为中心两电平矢量图在扇区I形成的三角形(2)，图3(d)给出了以顶点3为中心两电平矢量图在扇区I形成的三角形(3)；

图4为区间划分与三角形分布；其中图4(a)为区间划分图，图4(b)为三角形分布图；

图5为扇区I矢量分布；

图6为M=0.93内六边形矢量分解算法仿真波形；其中图6(a)为线电压，图6(b)为相电压，图6(c)为线电流，图6(d)为电容电压；

图7为M=0.93本发明算法仿真波形；其中图7(a)为线电压，图7(b)为相电压，图7(c)为线电流，图7(d)为电容电压；

图8为M=0.93内六边形矢量分解算法实验波形；其中图8(a)为线电压，图8(b)为电容电压稳态，图8(c)为线电流，图8(d)为电流THD；

图9为M=0.93本发明算法实验波形；其中图9(a)为线电压，图9(b)为电容电压稳态，图9(c)为线电流，图9(d)为电流THD；。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法包括如下步骤：

（1）矢量图分解：

（11）以三相五电平逆变器矢量图第2层正六边形的12个顶点为中心，将其分解为12个两电平矢量图；

（12）通过对两电平矢量图重叠区域的对称划分，得到18个三角形区域；

（2）矢量序列的构造：

（21）对18个三角形区域的每个三角形，根据二极管钳位型五电平逆变器输出电压切换要求，在每两个矢量的中点取中间矢量进行状态过渡；

（22）对18个三角形区域的每个三角形，构造12个矢量序列，要求相电平不能越级跳跃且所构造的矢量序列在一个开关周期内最多动作两次；

（3）矢量序列的选择：

（31）设置电压误差滞环，并判断当前采样电压的误差；

（32）当电压误差在滞环内时，以第二层六边形矢量分解矢量序列为基础，采用基于目标函数优化均压算法进行均压；

（33）当电压误差在滞环外时，采用内六边形矢量分解均压算法进行均压。

所述12个两电平矢量图均为正六边形，所述三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点分别为12个正六边形的中心；三相五电平逆变器矢量图的中心点位于正六边形的一个顶点上或位于正六边形一条边的中点上，且正六边形至少有一条边位于三相五电平逆变器矢量图第4层六边形的边上。

所述18个三角形区域的每个三角形均为正三角形，其一个顶点为三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点中的一个，其另两个顶点为三相五电平逆变器矢量图第4层六边形的24个顶点中的两个。

下面结合实例进一步说明。

二极管钳位型五电平主电路拓扑如图1所示，直流侧由四组电容器C1～C4串联构成5级电平，其中Rp为辅助均压电阻，电阻Rs、二极管Ds和电容Cs构成RCD吸收电路。逆变器的输出Vxo(x=a，b，c)可以有5种电平(-2E，E，0，E，2E)，对应5种不同的工作状态(0，1，2，3，4)。三相五电平逆变器有125个矢量，如图2所示，其中61个有效矢量，剩余的为冗余矢量。

新算法以五电平矢量图第二层六边形的12个顶点为中心，将五电平矢量图分解为12个两电平矢量图，以图2中带圈的顶点标记为顶点1，逆时针旋转依次为顶点2～顶点12，如图3(a)所示。

5L-DCC扇区I分解过程如图3所示，以顶点1为中心两电平矢量图在扇区I形成三角形(1)，见如3(b)，同样以顶点2和顶点3为中心两点平矢量图在扇区I分别形成三角形(2)和(3)。此时三角形(1)、(2)、(3)在扇区I存在相互重叠部分，如图4(a)所示ADF和BFH区域，使用对称性对重叠部分进行划分，以O1E对三角形(1)和三角形(2)划分后，区域O3CEA归为三角形(1)，同样以O2G对三角形(2)和三角形(3)划分，区域O4AEGB归为三角形(2)，而区域O5KGB归为三角形(3)。同样对扇区II～扇区VI进行分解和区域划分后，得到18个三角形区域分布，如图4(b)所示。

基于目标函数优化均压算法以冗余矢量序列为基础，冗余矢量序列越充足，算法的均压能力越强。以三角形(1)为例进行，其矢量分布如图5所示，以合成三矢量(200)、(400)、(420)进行分析，如果5L-DCC从状态(200)直接切换到(400)，则a相电平输出电平存在越级跳变，而从(420)到(200)时a、b两相均存在越级跳变。为减小逆变器输出du/dt，考虑插入中间矢量进行状态过渡，且假设过渡矢量的作用时间为ΔT，其取值与主电路功率器件的开关速度有关，最后得到插入过渡矢量后的矢量序列为200-300-400-410-420-310-200，应用同样的方法构造三角形(1)其余矢量序列，如表1所示。

表1三角形(1)冗余矢量序列

五电平逆变器基于目标函数优化均压算法以减小电容能量误差为依据，通过遍历矢量序列，结合五电平逆变器状态切换要求，选择使得目标函数取值最大的序列作为最优矢量序列，控制直流侧电容电压平衡，该算法实现逆变器在小调制比（M<0.5）下全功率因数下电压平衡，当调制比增大时，受功率因数的限制，表现为调制比越到，功率因数越低。

内六边形矢量分解均压算法针对五电平逆变器高调制比逆变器电容均压受功率因数限制的问题，利用五电平逆变器矢量图第二层六边形的冗余状态对直流侧电容电压的调节能力，以第二层六边形的12个顶点将五电平矢量图分解为12个两电平矢量图，判断直流侧电容电压的状态，通过矢量序列规则表选择最佳矢量序列控制直流侧电容电压平衡。

本发明综合基于目标函数优化和内六边形矢量分解两种均压算法，通过设置电压误差滞环进行切换，电压误差定义如下：

${\mathrm{\&delta;V}}_{\mathrm{ci}}=\frac{V_{\mathrm{ci}}-0.25V_{\mathrm{dc}}}{0.25V_{\mathrm{dc}}},i=\mathrm{1,2,3,4}---\left(1\right)$

为避免算法频繁切换，设置电压误差阈值δV_ci1和δV_ci2，且δV_ci2>δV_ci1，当4个电容电压误差均小于δV_ci1则选择目标函数优化算法，选择新型矢量分解所构造的矢量序列最大限度控制电容电压平衡，当只要有一个电容电压误差超出δV_ci2则选择内六边形矢量分解算法迅速将电容电压调节到平衡状态。

仿真参数为：直流侧电压550V，开关频率2kHz，过渡矢量作用时间4us，死区时间5us，最小脉宽7us，C1=C2=C3=C4=6800uF，阻感负载R=10Ω，L=15mH，调制比为0.93，输出频率45Hz，功率因数为0.91。图6为内六边形矢量分解算法仿真波形，电流THD为3.5%，电容电压纹波约为1V，图7为本发明所提算法仿真波形，电流THD为2.6%，电容电压纹波约为2V，可以看出本发明所提算法电容电压纹波稍大，但有效改善了逆变器输出谐波特性。

实验参数为：直流侧电压550V，开关频率2kHz，过渡矢量作用时间4us，死区时间5us，最小脉宽7us，C1=C2=C3=C4=6800uF，负载为三相异步电机，电机额定电压为380V，额定功率为15kW，调制比为0.93，输出频率45Hz。图8为内六边形矢量分解算法实验波形，电容电压纹波峰-峰值约为8V，电流THD为6.4%。图9为本发明所提算法实验波形，电容电压纹波峰-峰值约为10.5V，电流THD为5.4%。

图8、图9中，Vab表示ab相的线电压，Vbc表示bc相的线电压，Vca表示ca相的线电压，Vc1表示电容c1的电压，Vc2表示电容c2的电压，Vc3表示电容c3的电压，Vc4表示电容c4的电压，Ia表示a相线电流，Ib表示b相线电流，Ic表示c相线电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)矢量图分解：

(11)以三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点为中心，将其分解为12个两电平矢量图；

(12)通过对两电平矢量图重叠区域的对称划分，得到18个三角形区域；

(2)矢量序列的构造：

(21)对18个三角形区域的每个三角形，根据二极管钳位型五电平逆变器输出电压切换要求，在每两个矢量的中点取中间矢量进行状态过渡；

(22)对18个三角形区域的每个三角形，构造12个矢量序列，要求相电平不能越级跳跃且所构造的矢量序列在一个开关周期内最多动作两次；

(3)矢量序列的选择：

(31)设置电压误差滞环，并判断当前采样电压的误差；

(32)当电压误差在滞环内时，以第2层六边形矢量分解矢量序列为基础，采用基于目标函数优化均压算法进行均压；

(33)当电压误差在滞环外时，采用内六边形矢量分解均压算法进行均压。

2.根据权利要求1所述的二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，其特征在于：所述12个两电平矢量图均为正六边形，所述三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点分别为12个正六边形的中心；三相五电平逆变器矢量图的中心点位于正六边形的一个顶点上或位于正六边形一条边的中点上，且正六边形至少有一条边位于三相五电平逆变器矢量图第4层六边形的边上。

3.根据权利要求1所述的二极管钳位型五电平逆变器高调制比均压方法，其特征在于：所述18个三角形区域的每个三角形均为正三角形，其一个顶点为三相五电平逆变器矢量图第2层六边形的12个顶点中的一个，其另两个顶点为三相五电平逆变器矢量图第4层六边形的24个顶点中的两个。