CN103607131A - 三电平逆变器中点电位平衡控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三电平逆变器中点电位平衡控制系统及方法，用于对大功率二极管钳位型三电平逆变器中点电位进行有效平衡控制，实时采集三电平逆变器的直流母线电压和直流侧两电容中点的电压值；将采集信号送至两个独立的PI调节器生成对应的控制量；根据获得的控制量决定系统的工作模式以及与之对应的开关管开关状态，同时应满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件；据此调节改进型三电平DC/DC模块中两个开关管的占空比，从而控制直流侧母线电压并实现直流侧两支撑电容的动态均压过程。最终有效减小或抑制三电平逆变器中点电位的波动，改善系统性能，提高系统响应能力和三电平拓扑电路的稳定性。

Description

三电平逆变器中点电位平衡控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子技术，特别涉及一种基于三电平DC/DC的三电平逆变器中点电位平衡控制方法。

背景技术

多电平逆变器相对传统两电平逆变器而言，具有开关器件承受电压低，输出电压谐波小，开关频率低等优点，因此其在电力电子大功率应用场合得到了越来越广泛的应用。三电平逆变器由于其拓扑较成熟，是其中应用最广泛的一种。

由于三电平逆变器拓扑独特的结构及控制策略，导致该电路存在直流侧电容中点电压偏移的问题。该问题会导致系统输出的低次谐波增加，效率降低，严重时会缩短直流侧电容寿命，甚至会因直流侧正负母线电容电压不均衡而导致功率器件过压和损坏，从而破坏系统的正常运行。目前主要采用滞环控制和平均中点电流控制等方法抑制中点电压偏移，但是这些方法要求负载工作在完全平衡状态，然而在实际应用中，负载难以达到完全平衡状态，因此采用滞环控制和平均中点电流控制等方法控制精度不高，中点电压仍会在较大范围内波动，并且会在中点电位中引入大量的高频分量。在整个控制过程中，动态响应慢，鲁棒性差，不能保证三电平逆变器平稳地运行。也有通过纯软件的办法，改进三电平逆变器SVPWM控制算法中控制矢量选取的规则，从而抑制中点电压偏移，但是这样会增加系统控制算法设计的难度，同时增加算法执行的系统资源开销。因此，研究一种简便高效的三电平逆变器中点电位平衡控制方法具有较强的现实意义。

为了有效避免中点电位不平衡造成的危害，保证三电平逆变器直流侧拓扑电路的稳定性，提高系统输出效率，本发明提出了一种新的基于三电平DC/DC的三电平逆变器中点电位平衡控制方法。较传统三电平逆变器而言，仅增加了两个开关管和两个二极管的硬件投入。该控制方法精度高，能有效解决三电平逆变器直流侧两电容电压不平衡问题，使三电平逆变器能够平稳安全地运行，同时系统动态响应快，电路拓扑及控制方法易于实现。

发明内容

本发明是针对三电平逆变器直流侧中点电压波动的问题，提出了一种三电平逆变器中点电位平衡控制系统及方法，较传统三电平逆变器而言，仅增加了两个开关管和两个二极管的硬件投入。该控制方法精度高，能有效解决三电平逆变器直流侧两电容电压不平衡问题，使三电平逆变器能够平稳安全地运行，同时系统动态响应快，电路拓扑及控制方法易于实现。

本发明的技术方案为：一种三电平逆变器中点电位平衡控制系统，包括输入模块、三电平DC/DC主电路、直流三电平控制模块、电压采样模块、三相三电平逆变器、输出负载模块，所述三电平DC/DC主电路模块包括一个升压电感、两个二极管、两个场效应管，输入模块输出电源正极通过三电平DC/DC主电路模块的升压电感和串联的两个场效应管接电源负极，两个场效应管源极和漏极串联连接点与三相三电平逆变器的两个直流母线支撑电容串联连接点相连，在场效应管源极和漏极上并联串联的一个直流母线支撑电容和一个二极管，电压采样模块实时采集三相三电平逆变器的直流母线电压和串联的两个直流母线支撑电容的串联连接点电压，直流母线电压即为串联的两个直流母线支撑电容上的电压，采集两电压送直流三电平控制模块，直流三电平控制模块输出控制信号接两个场效应管栅极，三电平DC/DC主电路模块输出通过三相三电平逆变器后接输出负载模块。

一种三电平逆变器中点电位平衡控制方法，包括三电平逆变器中点电位平衡控制系统，具体包括如下步骤：

1）通过电压采样模块实时采集三电平逆变器的直流母线电压U(t)以及负母线电容的电压值U _C2 (t)，负母线电容的电压值即串联的两个直流母线支撑电容的串联连接点电压；

2）根据采样信号计算直流侧两支撑电容的电压差值ΔU _dc (t)= U(t)- 2U _C2 (t)；

3）将获得的U(t)及ΔU _dc (t)送至直流三电平控制模块中两个独立的PI控制模块生成三电平DC/DC模块中两场效应管对应的控制量；

4）根据获得的控制量决定系统的工作模式以及与之对应的场效应管开关状态，同时应满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件，据此调节三电平DC/DC模块中两个开关管的占空比，从而控制直流侧母线电压U(t)和两个母线支撑电容的电压差ΔU _dc (t)，为后级三电平逆变器提供所需要的直流电压值；具体调节步骤如下：

根据采样信号得到三电平逆变器的直流母线电压U(t)和直流侧两支撑电容的电压差值ΔU _dc (t)= U(t)- 2U _C2 (t)；

当|ΔU _dc (t)|<ε时，ε为一个小正数，为可以接受的最大中点电压偏移量，则进入工作模式一：两个场效应管同为开通和关断状态轮流切换，通过对两场效应管同时进行PWM控制，从而获得后级三电平逆变器期望的U(t)；

当ΔU _dc (t)>+ε时，则进入工作模式二：接电源输出正的场效应管处于开通状态，接电源输出负的场效应管处于关断状态，对负母线电容进行充电，从而抑制中点电压不平衡；

当ΔU _dc (t)<-ε时，则进入工作模式三：接电源输出正的场效应管处于关断状态，接电源输出负的场效应管处于开通状态，对正母线电容进行充电，从而抑制中点电压不平衡；

如此循环控制，根据两个PI调节器所获得的控制量，同时应满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件，据此调节三电平DC/DC模块中的两个场效应管的占空比。

本发明的有益效果在于：本发明三电平逆变器中点电位平衡控制系统及方法，可有效减小或抑制三电平逆变器中点电位的波动，改善系统性能，提高系统响应能力和三电平拓扑电路的稳定性，，提高系统输出效率。

附图说明

图1为本发明基于三电平DC/DC的三电平逆变器的功能模块连接示意图；

图2为本发明三电平DC/DC拓扑结构图；

图3为本发明基于传统DC/DC的三电平逆变器运转时中点电压偏移量曲线及系统输出电流波形图；

图4为本发明基于三电平DC/DC的三电平逆变器运转时中点电压偏移量曲线及系统输出电流波形图。

具体实施方式

如图1所示基于三电平DC/DC的三电平逆变器的功能模块连接示意图，一种三电平逆变器中点电位平衡控制系统100包括：输入模块101、三电平DC/DC主电路102，直流三电平控制模块103，电压采样模块104，三相三电平逆变器105，输出负载模块106。

系统通过电压采样模块104实时采集三相三电平逆变器105的直流母线电压和直流侧两电容中点电压，送至直流三电平控制模块103生成对应的控制量；根据获得的控制量决定系统的工作模式以及与之对应的开关管开关状态，同时满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件，据此调节三电平DC/DC主电路102中两个开关管的占空比，从而控制直流侧母线电压和两个母线支撑电容的电压差，达到在实现升压的同时抑制中点电位波动的目的。

如图2所示三电平DC/DC拓扑结构图，三电平DC/DC主电路102包括一个升压电感L、两个二极管，分别为第一二极管D₁，第二二极管D₂，两个开关管，分别为第一场效应管SW₁，第二场效应管SW₂以及两个直流母线支撑电容，分别为第一支撑电容C₁，第二支撑电容C₂。输入模块101的电源U_i的正极通过电感连接第一场效应管SW₁的漏极，电源的负极连接第二场效应管的源极，第一场效应管SW₁的源极与第二场效应管SW₂的漏极串联连接形成节点，从节点分别通过三电平变换器的两个耦合共用的直流支撑电容中的正母线电容C₁和第一二极管D₁连接到第一场效应管SW₁的漏极，通过三电平变换器的两个耦合共用的直流支撑电容中的负母线电容C₂和第二二极管D₂连接到第二场效应管SW₂的源极。三电平DC/DC控制模块包含两个PI调节器和控制芯片，中点电压差值检测模块包含电压检测电路和变换电路，获取控制模块可识别的电信号。其中，三电平DC/DC控制模块与三电平DC/DC主电路中的第一场效应管SW₁、第二场效应管SW₂的栅极连接，正母线电容C₁连接在由电源正极引出的母线上，负母线电容C₂连接在由电源负极引出的母线上。

中点电压差值采样模块104通过电压检测电路分别获取正母线电容C₁以及负母线电容C₂两端的电压值，由变换电路计算得到正母线电容C₁与负母线电容C₂的电压偏差值，即三电平变换器的中点上的电压偏差值，三电平DC/DC控制模块103的PI调节器根据电压偏差值生成比例积分控制量，控制三电平DC/DC模块中两个场效应管的开关状态，对正母线电容C₁和负母线电容C₂进行能量补偿，实现控制三电平变换器的中点电位，消除电压偏差，从而保持三电平逆变器直流侧的中点电位的平衡。

基于三电平DC/DC的三电平逆变器中点电位平衡控制方法，利用三电平变换器控制模块103和中点电压差值检测模块104实现对三电平变换器105的中点电位平衡的控制，由下列步骤实现：

步骤S1-101：

通过电压采样模块104实时采集三电平逆变器105的直流母线电压U(t)以及负母线电容C₂的电压值U _C2 (t)；

步骤S1-102：

根据采样信号计算直流侧两支撑电容的电压差值ΔU _dc (t)= U(t)- 2U _C2 (t)；

步骤S1-103：

将获得的U(t)及ΔU _dc (t)送至两个独立的PI控制模块生成三电平DC/DC模块中两开关管对应的控制量；

步骤S1-104：

根据获得的控制量决定系统的工作模式以及与之对应的开关管开关状态，同时应满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件，据此调节三电平DC/DC模块中两个开关管的占空比，从而控制直流侧母线电压U(t)和两个母线支撑电容的电压差ΔU _dc (t)，为后级三电平逆变器提供所需要的直流电压值，并实现直流侧两支撑电容的动态均压过程，从而有效减小或抑制三电平逆变器中点电位的波动，改善系统性能。

在三电平DC/DC控制策略中存在3种工作模式和4种开关状态，其开关状态如表1所示，其中SW₁和SW₂分别表示正负母线电容旁并联的开关管，1表示开关管导通，0表示关断。

表1

根据采样信号得到三电平逆变器的直流母线电压U(t)和直流侧两支撑电容的电压差值ΔU _dc (t)= U(t)- 2U _C2 (t)；当|ΔU _dc (t)|<ε时（ε为一个小正数，是可以接受的最大中点电压偏移量），则进入工作模式一：开关状态I和轮流切换，通过对开关管SW₁、SW₂同时进行PWM控制，从而获得后级三电平逆变器期望的U(t)；当ΔU _dc (t)>+ε时，则进入工作模式二：开关管处于开关状态

，通过开通开关管SW₁、关断开关管SW₂，对负母线电容C2进行充电，从而抑制中点电压不平衡；当ΔU _dc (t)<-ε时，则进入工作模式三：开关管处于开关状态

，通过开通开关管SW₂、关断开关管SW₁，对正母线电容C1进行充电，从而抑制中点电压不平衡；如此循环控制，根据两个PI调节器103所获得的控制量，同时应满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件，据此调节三电平DC/DC模块中的两个开关管的占空比。

图3为基于传统DC/DC的三电平逆变器运转时中点电压偏移量曲线及系统输出电流波形图。在三电平逆变器传统拓扑及相关控制方法中未进行中点电位干预，中点电位波动振幅较大，输出电流纹波较为明显。系统最大中点电压波动在±40V范围之内，系统稳定后（0.04s后），中点电压波动范围±30V之内。

如图4所示基于三电平DC/DC的三电平逆变器运转时中点电压偏移量曲线及系统输出电流波形图。采用基于三电平DC/DC的三电平逆变器的系统拓扑及应用其控制方法后，对比附图3，中点电位偏移量振幅明显减小，同时输出电流纹波得到了较好的抑制。系统进入稳态后（0.01s后），中点电压波动在±8V范围之内，有效地控制了中点电位平衡。

本实施例中的基于三电平DC/DC的三电平逆变器中点电位平衡控制方法，通过在传统三电平逆变器硬件拓扑的前级加入三电平DC/DC模块，经电压采样模块实时采集三电平逆变器的直流母线电压和直流侧两电容中点电压，送至两个独立的PI调节器生成对应的控制量；根据获得的控制量决定系统的工作模式以及与之对应的开关管开关状态，同时满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件；据此调节三电平DC/DC模块中的两个开关管的占空比，从而控制直流侧母线电压，并实现直流侧两支撑电容的动态均压过程。实施例结果表明，中点电位偏移从原系统±40V降低至±8V范围之内，有效降低80%以上，改善了系统性能；原系统进入稳态时间为0.04s，采用新方法改进后系统进入稳态时间为0.01s，提高了系统响应能力；同时新控制方法确保了三电平拓扑电路的稳定性并且易于实现。

Claims (2)

1.一种三电平逆变器中点电位平衡控制系统，包括输入模块、三电平DC/DC主电路、直流三电平控制模块、电压采样模块、三相三电平逆变器、输出负载模块，其特征在于，所述三电平DC/DC主电路模块包括一个升压电感、两个二极管、两个场效应管，输入模块输出电源正极通过三电平DC/DC主电路模块的升压电感和串联的两个场效应管接电源负极，两个场效应管源极和漏极串联连接点与三相三电平逆变器的两个直流母线支撑电容串联连接点相连，在场效应管源极和漏极上并联串联的一个直流母线支撑电容和一个二极管，电压采样模块实时采集三相三电平逆变器的直流母线电压和串联的两个直流母线支撑电容的串联连接点电压，直流母线电压即为串联的两个直流母线支撑电容上的电压，采集两电压送直流三电平控制模块，直流三电平控制模块输出控制信号接两个场效应管栅极，三电平DC/DC主电路模块输出通过三相三电平逆变器后接输出负载模块。

2.一种三电平逆变器中点电位平衡控制方法，包括三电平逆变器中点电位平衡控制系统，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）通过电压采样模块实时采集三电平逆变器的直流母线电压U(t)以及负母线电容的电压值U _C2 (t)，负母线电容的电压值即串联的两个直流母线支撑电容的串联连接点电压；

2）根据采样信号计算直流侧两支撑电容的电压差值ΔU _dc (t)= U(t)- 2U _C2 (t)；

3）将获得的U(t)及ΔU _dc (t)送至直流三电平控制模块中两个独立的PI控制模块生成三电平DC/DC模块中两场效应管对应的控制量；

4）根据获得的控制量决定系统的工作模式以及与之对应的场效应管开关状态，同时应满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件，据此调节三电平DC/DC模块中两个开关管的占空比，从而控制直流侧母线电压U(t)和两个母线支撑电容的电压差ΔU _dc (t)，为后级三电平逆变器提供所需要的直流电压值；具体调节步骤如下：

根据采样信号得到三电平逆变器的直流母线电压U(t)和直流侧两支撑电容的电压差值ΔU _dc (t)= U(t)- 2U _C2 (t)；

当|ΔU _dc (t)|<ε时，ε为一个小正数，为可以接受的最大中点电压偏移量，则进入工作模式一：两个场效应管同为开通和关断状态轮流切换，通过对两场效应管同时进行PWM控制，从而获得后级三电平逆变器期望的U(t)；

当ΔU _dc (t)>+ε时，则进入工作模式二：接电源输出正的场效应管处于开通状态，接电源输出负的场效应管处于关断状态，对负母线电容进行充电，从而抑制中点电压不平衡；

当ΔU _dc (t)<-ε时，则进入工作模式三：接电源输出正的场效应管处于关断状态，接电源输出负的场效应管处于开通状态，对正母线电容进行充电，从而抑制中点电压不平衡；

如此循环控制，根据两个PI调节器所获得的控制量，同时应满足开关器件的关断时间之比决定中点电位，导通时间之和决定母线电压的约束条件，据此调节三电平DC/DC模块中的两个场效应管的占空比。

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