CN103516245A - 一种二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法，该方法利用内六边形6个有效矢量4种冗余状态对电容电压的调节能力，以内六边形的6个顶点为中心将五电平矢量图分解为6个两电平矢量图，并通过区域划分得到12个三角形区域，然后在每个三角形区域找出16个矢量序列并将其分为4组，最后根据矢量序列选择规则选择最佳矢量序列控制直流侧电容电压。该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，算法不受逆变器功率因数的影响。

Description

一种二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法

技术领域

本发明涉及一种二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法，属于电力电子领域。

背景技术

在高压大容量电力电子应用方面，多电平变换器技术与两电平变换器相比具有电压等级更高、电压畸变率低、开关损耗小等优点，因此在高压电机调速、静止无功补偿、新型直流输电以及分布式发电等领域具有良好的应用前景。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。

二极管钳位型多电平存在的主要问题是直流侧电容电压不均衡，一个奇数次多电平会逐渐退变为三电平，而偶数次多电平会退变为两电平。其中二极管钳位型三电平变换器的电容均压研究已经相当成熟，利用冗余小矢量对中点电流的互补作用以及虚拟空间矢量方法等，而更高电平数的钳位型多电平直流侧电容电压平衡目前还没有成熟的方案。

二极管钳位型五电平逆变器矢量图由4个六边形中心嵌套组成，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。当调制比较小时，传统基于目标函数优化最近三矢量SVM均压方法利用内两层六边形数量众多的冗余矢量进行均压，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：本发明提出一种二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法，实现了二极管钳位型五电平逆变器在高调制比情况下直流侧电容电压地平衡控制。

技术方案：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均压控制方法，包括以下步骤：

1）对三相五电平矢量图进行分解，划分成多个两电平矢量图和多个三角形区域，并将参考矢量转换到两电平矢量图中；

2）在每个三角形区域中找出多个矢量序列，并根据矢量序列的起始矢量将其分组；

3）根据电容充放电控制规律、电容电压状态以及矢量序列组别，得到矢量序列的选择规则。

作为本发明的又一种改进，所述步骤1）包括以下步骤：

1）以内六边形的6个顶点为中心将五电平矢量图分解为6个两电平矢量图，通过区域划分得到12个三角形区域；

2）根据参考矢量顶点的位置，判断参考矢量所在三角形区域，通过变换求出两电平矢量图新参考矢量。

作为本发明的一种改进，所述步骤2）包括以下步骤：

1）在每个三角形区域找出16个矢量序列，要求矢量序列在一个开关周期内最多动作两次；

2）根据矢量序列的起始矢量将16个矢量序列分为4组。

作为本发明的另一种改进，所述步骤3）包括以下步骤：

1）由二极管钳位型五电平逆变器对输出电平切换要求，判断选择矢量序列的组别；

2）判断控制电流的极性确定对电容的充放电控制；

3）根据电容电压确定电容电压的状态；

4）根据电容充放电控制规律、电容电压状态以及矢量序列组别，得到矢量序列的选择规则。

有益效果：本发明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，算法不受功率因数的影响。算法仅需进行简单的逻辑判断，实现简单，消耗的时间少。本发明所提出的控制方法还具有良好的动态性能，电容电压纹波小。

附图说明

图1为现有改进型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为冗余矢量主电路工作情况；

图4为扇区I矢量分解；

图5为区间划分与三角形分布；

图6为第一三角形矢量分布；

图7为矢量序列对应的驱动信号；

图8为M=0.93情况下的仿真波形；

图9为M=0.93情况下的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

改进的二极管钳位型五电平主电路拓扑如图1所示。直流侧由第一至第四电容器C1～C4串联构成5级电平，其中Rp为辅助均压电阻，吸收电阻Rs、吸收二极管Ds和吸收电容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矢量图所示，其中61个有效矢量，剩余的为冗余矢量。

考察图2矢量图中内层六边形顶点的6个有效矢量，以带圈的顶点为顶点1，逆时针旋转依次为顶点2～6。以顶点1为例，4种冗余状态分别为(100)、(211)、(322)和(433)，其对应的主电路工作情况如图3所示。通过分析可知，矢量(100)三相输出通过第一电容C1构成回路，且与第二电容C2至第四电容C4无关，矢量(211)通过第二电容C2进行能量交换，而矢量(322)通过第三电容C3进行能量交换，最后矢量(433)通过第四电容C4构成回路，并且流过电容器的电流均为i_a，如i_a＞0则对电容放电，反之则对电容充电。因此，通过判断i_a的极性然后选择合适的冗余矢量即可实现对直流侧电容电压的控制。结合内六边形的另外5个有效矢量，得控制规律如表1所示。

为了利用内六边形冗余矢量对电容电压的调节能力，以内六边形的6个顶点为中心对5L-DCC矢量图进行分解得到6个两电平矢量图，然后将参考矢量变换到新的两电平矢量图进行计算。图4为五电平逆变器矢量图在扇区I的分解情况，以顶点1和2为中心分别得到图4(a)和(b)所示两个两电平矢量图。此时第一三角形（1）和第二三角形（2）在扇区I存在三角形CEF重叠部分，如图5(a)所示。考虑对称性，通过中分线ON进行划分，ON右下区域O1ANC划分为第一三角形(1)，而ON左上区域O2BNC划分为第二三角形(2)。对扇区II～VI进行同样的分解划分，得到12个三角形区域的分布图，如图5(b)所示。

表1

假设某采样周期参考矢量为

如图5(a)所示，此时参考矢量位于第一三角形(1)，因此需要求出以O1为中心两电平新的参考矢量，即图中的

而矢量作用时间的计算与两电平SVM相同，只是需要乘以系数1/3。

当五电平逆变器输出电平需要改变时，只允许相邻电平切换，禁止输出电平越级跳变，否则与多电平更小的du/dt设计初衷不符，这即是五电平逆变器输出电平的切换规则。为了避免输出电平越级跳变，减小逆变器输出du/dt，考虑插入中间矢量进行状态过渡。以(100)、(400)和(430)三矢量为例，如图6所示，插入过渡矢量后的矢量序列为100-200-300-400-410-420-430-320-210-100，由表1可知该矢量序列可以实现对电容C1的充放电控制，其对应的驱动信号如图7所示，其中过渡矢量的作用时间为ΔT，取值与主电路功率器件的开关速度有关，然后从T2和T3中减去过渡矢量作用时间。应用同样的方法，根据图6所示矢量分布图，得到三角形(1)的16个矢量序列如表2所示。

表2

图1中V_dc＝4E，根据直流侧电容电压的取值将电容电压分为14种状态，如表3所示。根据起始矢量的不同，将表2所示16个矢量序列分为4组，分别记为“C1组”、“C2组”、“C3组”和“C4组”，其起始矢量分别为(100)、(211)、(322)和(433)。其中“C1组”包含矢量序列1～4，“C2组”包含矢量序列5～8，“C3组”包含矢量序列9～12，“C4组”包含矢量序列13～16。

表3

依据逆变器当前工作状态，通过五电平逆变器输出电平切换规则判断选择矢量序列的组别。根据控制电流的极性，对电容电压的控制分为“充电”和“放电”两种情况，记“最小”为采样电压值最小的电容，而“最大”为采样电压值最大的电容，矢量序列的选择规则如表4所示。

表4

仿真参数为：直流侧电压400V，开关频率2kHz，过渡矢量作用时间4us，死区时间5us，最小脉宽7us，第一至第四电容C1=C2=C3=C4=6800uF，阻感负载R=22Ω，L=5mH。调制比M=0.93，调制波频率45Hz，功率因数为0.998，仿真波形如图8所示，其中图8(a)为逆变器输出线电压波形，图8(b)为直流侧电容电压波形，可以看出电容电压稳定在额定值100V，且纹波电压小于2V，均压效果理想。

实验参数为：直流侧电压400V，开关频率2kHz，过渡矢量作用时间4us，死区时间5us，最小脉宽7us，第一至第四电容C1=C2=C3=C4=6800uF，阻感负载R=22Ω，L=5mH,调制比M=0.93，调制波频率45Hz，功率因数为0.998，实验结果如图9所示。其中图9(a)为逆变器输出线电压波形，图9(b)为直流侧电容电压稳态波形，图9(c)为电容电压纹波，图9(d)为直流侧电容电压动态波形。可以看出，电容电压稳定在额定值100V，且纹波电压控制在2V左右。动态试验时，第一电容C1和第二电容C2的初始电压为225V，第三电容C3和第四电容C4的初始电压为25V，算法启动后，第一电容C1、第三电容C3和第四电容C4经过大约5s达到较好的效果，而第二电容C2达到平衡花费的时间最长，约为20s。

Claims (4)

1.一种二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对三相五电平矢量图进行分解，划分成多个两电平矢量图和多个三角形区域，并将参考矢量转换到两电平矢量图中；

2）在每个三角形区域中找出多个矢量序列，并根据矢量序列的起始矢量将其分组；

3）根据电容充放电控制规律、电容电压状态以及矢量序列组别，得到矢量序列的选择规则。

2.根据权利要求1所述的二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法，其特征在于，所述步骤1）包括以下步骤：

1）以内六边形的6个顶点为中心将五电平矢量图分解为6个两电平矢量图，通过区域划分得到12个三角形区域；

2）根据参考矢量顶点的位置，判断参考矢量所在三角形区域，通过变换求出两电平矢量图新参考矢量。

3.根据权利要求1所述的二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法，其特征在于，所述步骤2）包括以下步骤：

1）在每个三角形区域找出16个矢量序列，要求矢量序列在一个开关周期内最多动作两次；

2）根据矢量序列的起始矢量将16个矢量序列分为4组。

4.根据权利要求1所述的二极管钳位型五电平逆变器均压控制方法，其特征在于，所述步骤3）包括以下步骤：

1）由二极管钳位型五电平逆变器对输出电平切换要求，判断选择矢量序列的组别；

2）判断控制电流的极性确定对电容的充放电控制；

3）根据电容电压确定电容电压的状态；

4）根据电容充放电控制规律、电容电压状态以及矢量序列组别，得到矢量序列的选择规则。

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