CN103872937A - 一种飞跨电容型五电平逆变装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用改进载波层叠PWM方法的飞跨电容型五电平逆变装置的控制方法，得出逆变器控制所需的“2”、“1”、“0”、“-1”、“-2”状态，利用飞跨电容开关状态冗余特性，增加电平向量选择环节，设定初值后合理分配电平向量状态，通过几种电平状态的切换，控制平衡飞跨电容电压。将改进的载波层叠PWM方法应用于飞跨电容型五电平逆变电路，相比传统载波移相PWM方法，灵活度大，实现简单，线电压谐波大大降低。

Description

一种飞跨电容型五电平逆变装置的控制方法

技术领域

本发明涉及并网发电用逆变器技术领域，具体是一种飞跨电容型五电平逆变装置的控制方法。

背景技术

近年来，多电平逆变器在高压大功率领域应用越来越多，现在应用较为成熟的主要有三种拓扑结构：二极管钳位型、级联型和飞跨电容型。二极管钳位型多电平逆变器拓扑有直流母线侧各电容电压均压困难和电压应力不均匀等缺点。级联型多电平逆变器拓扑在需提供有功功率场合，需要多个独立直流电源且不共地。飞跨电容型多电平逆变器拓扑和其他两种相比，利用电容钳位，克服了二极管钳位型逆变器的固有缺陷；利用一个直流电源，克服了级联型逆变器的多电源缺陷；并有大量的冗余开关状态，具有更容易向多电平发展的优良特点。

多电平脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术是多电平逆变器研究的核心技术。多电平逆变器脉宽调制技术的原理是用正弦波作为调制波，以恒定频率的三角波为载波，由于三角波的上下宽度是线性变化的，通过正弦调制波与三角波进行比较，可以得到一组幅值相等而宽度正比于正弦波的矩形脉冲序列，用开关量取代模拟量，并通过逆变开关管的通断控制，把直流电能变换成多电平PWM交流电能。

PWM调制的控制目的主要有两个：

一、对输出电压的控制；

二、对多电平逆变器自身运行状态的控制。

PWM调制技术包括载波PWM方法和空间矢量PWM方法。如下所示：

多电平逆变器的PWM控制，必须和其电路结构紧密联系，根据不同电路的不同特点，设计不同的应用方法。主要的载波方法有载波同相层叠PWM方法(PDPWM)、载波反相层叠PWM方法(APOD PWM)和载波移相PWM方法(PSPWM)等。其中载波同相层叠PWM方法(PDPWM)被广泛认为具有最低的线电压谐波性能，并且实现简单。但将PDPWM方法应用于飞跨电容型逆变器时，会造成电容上电压变化，而飞跨电容型逆变器利用电容钳位，必须保证电容上电压稳定，因此传统PDPWM方法不适用于飞跨电容型多电平逆变器。

飞跨电容型多电平逆变器只有载波移相PWM方法(PSPWM)适用，但将传统PSPWM方法应用于飞跨电容型多电平逆变器时，由于此算法固有特点，将在逆变器输出侧产生较大的线电压谐波，不利于发电并网；由于飞跨电容电压自动平衡，不能人为干预和调整，会使飞跨电容电压有一定的电压偏差，且无法改变。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种飞跨电容型五电平逆变装置的控制方法，通过载波层叠算法获得逆变器运行状态，在“1”，“0”，“-1”电平时增加电平选择环节，合理分配电平向量，利用飞跨电容型逆变装置特有的冗余状态平衡飞跨电容电压，降低输出线电压谐波。

本发明采用如下技术方案：

一种适用于飞跨电容型五电平逆变器的改进的载波层叠PWM控制方法，其特点在于该方法包括下列具体步骤：

步骤①、逆变控制模块设定飞跨电容型五电平逆变装置输出电平状态及开关组合状态，当飞跨电容型五电平逆变装置的输出电压为+V_dc/2，+V_dc/4，0，-V_dc/4，-V_dc/2时（V_dc为直流电源电压），分别定义逆变装置对应输出为“2”，“1”，“0”，“-1”，“-2”电平状态，其开关组合状态如下表，“1”代表闭合此开关，“0”代表关断此开关：

步骤②、逆变控制模块根据上位机给定的载波频率F1，产生幅值为0.5且恒定的四层三角载波；

逆变控制模块根据上位机给定的所述的飞跨电容型五电平逆变装置输出侧电压幅值及频率要求，产生恒定的正弦调制波，频率为F2；

步骤③、逆变控制模块根据载波频率F1及调制波频率F2，计算预设参数K，具体过程为：

首先计算单个调制周期中“0”电平出现次数n=F1/F2+1：

当n为偶数时，K=n;

当n为奇数时，K=(n-3)/2；

步骤④、逆变控制模块利用载波同相层叠方法，将步骤②得到的正弦调制波与四层三角载波进行比较，产生八个功率开关管开关信号，具体方法如下：

当正弦调制波的幅值比第一层三角载波的幅值大时，八个功率开关管状态为11110000，逆变器输出“2”电平状态；

当正弦调制波幅值介于第一、二层三角载波幅值之间时，八个功率开关管状态为11101000、01110001、10110010或11010100，四个电压向量各作用1/2调制波周期，交替循环，逆变器输出“1”电平状态；

当正弦调制波幅值介于第二、三层三角载波幅值之间时，逆变器输出“0”电平状态，八个功率开关管状态计算方法如下：

根据初始开关信号，记录“0”电平计数个数M，将M与预先设定参数K相模：

当模值小于等于K/2-1时，八个功率管开关状态为00110011、10010110或01010101，三个电压向量各作用1个调制波周期，交替循环，逆变装置输出“0+”状态；

当模值大于K/2-1时，八个功率管开关状态为11001100、10101010或01101001，三个电压向量各作用1个调制波周期，交替循环，逆变装置输出“0-”状态；

当正弦调制波幅值介于第三、四层三角载波幅值之间时，八个功率开关管状态为10001110、01001101、00101011或00010111，四个电压向量各作用1/2调制波周期，交替循环，逆变器输出“-1”电平状态；

当正弦调制波的幅值比第四层三角载波幅值小时，八个功率开关管状态为00001111，逆变器输出“-2”电平状态；：

步骤⑤、根据步骤④产生的开关信号，逆变控制模块将信号发送给各功率开关管，并驱动各功率开关管的开通和关断。

步骤⑥、重复执行步骤④～步骤⑤，保证稳定的正弦波输出。

与现有技术相比，本发明的特点如下：

1）改进本不适用于飞跨电容型五电平逆变器的载波同相层叠PWM方法使之适用；

2）具有更低的线电压谐波，更有利于逆变器并网运行；

3）灵活度大，实现简单，对硬件要求低；

4）增加电平选择环节，可以人为控制飞跨电容上的电压平衡，具有更好的控制性能；

5）飞跨电容型逆变器相比传统二极管钳位型逆变器，利用飞跨电容代替了复杂的钳位二极管，减少了器件数目。由于飞跨电容的存在，可以对有功和无功功率进行解耦控制，有利于逆变器并网。飞跨电容型逆变器开关冗余状态较多，容易推广到更高电平应用。

附图说明

图1为飞跨电容型五电平逆变主电路结构图，包含直流母线与一条桥臂；

图2为载波同相层叠五电平调制图；

图3为本发明改进的载波同相层叠PWM方法流程图；

图4为飞跨电容上的电压仿真图；

图5为改进的载波同相层叠PWM方法(PDPWM)与载波移相PWM方法(PSPWM)线电压谐波比较图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为采用改进载波层叠PWM方法（PDPWM）的飞跨电容型五电平逆变器的单相电路系统，它包括直流电源1，直流母线2，飞跨电容3，逆变桥4，滤波电感5和逆变控制模块6。

所述的直流母线2由四个电容C₁、C₂、C₃和C₄串联而成，即第一电容C₁的正极与直流电源1的正极连接，负极与第二电容C₂的正极连接；所述的第三电容C₃的正极与所述的第二电容C₂的负极连接，负极与所述的第四电容C₄的正极连接；所述的第四电容的负极与直流电源1的负极连接。从而提供五种不同的电平。

所述的逆变桥4由三条结构相同桥臂组成，每条桥臂包含由八个功率开关管、八个功率二极管构成的开关电路和由飞跨电容3构成的钳位电路。

所述的开关电路包含八个功率开关管和八个功率二极管，连接如下（以第一桥臂为例）：

功率开关管之间连接：

第一功率开关管Sa₁的集电极与直流母线的正极连接；

第一功率开关管Sa₁的发射极与第二功率开关管Sa₂的集电极连接；

第二功率开关管Sa₂的发射极与第三功率开关管Sa₃的集电极连接；

第三功率开关管Sa₃的发射极与第四功率开关管Sa₄的集电极连接；

第四功率开关管Sa₄的发射极与第五功率开关管Sa₅的集电极连接；

第五功率开关管Sa₅的发射极与第六功率开关管Sa₆的集电极连接；

第六功率开关管Sa₆的发射极与第七功率开关管Sa₇的集电极连接；

第七功率开关管Sa₇的发射极与第八功率开关管Sa₈的集电极连接；

第八功率开关管Sa₈的发射极与直流母线的负极连接。

功率开关管与功率二极管连接：

第一功率开关管Sa₁与第一功率二极管VD₁并联，即第一功率开关管Sa₁的集电极与第一功率二极管VD₁的阴极连接，第一功率开关管Sa₁的发射极与第一功率二极管VD₁的阳极连接；

第二功率开关管Sa₂与第二功率二极管VD₂并联；

第三功率开关管Sa₃与第三功率二极管VD₃并联；

第四功率开关管Sa₄与第四功率二极管VD₄并联；

第五功率开关管Sa₅与第四功率二极管VD₅并联；

第六功率开关管Sa₆与第四功率二极管VD₆并联；

第七功率开关管Sa₇与第四功率二极管VD₇并联；

第八功率开关管Sa₈与第四功率二极管VD₈并联；

所述的钳位电路为：

第一功率管Sa₁的发射极与飞跨电容C₇的正极连接；

第七功率管Sa₇的发射极与飞跨电容C₇的负极连接；

第二功率管Sa₂的发射极与飞跨电容C₆的正极连接；

第六功率管Sa₆的发射极与飞跨电容C₆的负极连接；

第三功率管Sa₃的发射极与飞跨电容C₅的正极连接；

第五功率管Sa₅的发射极与飞跨电容C₅的负极连接；

所述的功率开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率晶体管GTR。

所述的滤波电感5为绕线式电感。

所述的逆变控制模块6是数字信号处理器、单片机或计算机。逆变控制模块6的控制信号输出端分别与所述的功率单元的功率管的控制端(基极)相连，该逆变控制模块的输入端与上位机相连。功率开关管的控制信号由逆变控制模块提供。

一种适用于飞跨电容型五电平逆变器的改进的载波层叠PWM控制方法，其特点在于该方法包括下列具体步骤：

步骤①、逆变控制模块6设定飞跨电容型五电平逆变装置输出电平状态及开关组合状态，当飞跨电容型五电平逆变装置的输出电压为+V_dc/2，+V_dc/4，0，-V_dc/4，-V_dc/2时（V_dc为直流电源电压），分别定义逆变装置对应输出为“2”，“1”，“0”，“-1”，“-2”电平状态，其开关组合状态如下表，“1”代表闭合此开关，“0”代表关断此开关：

步骤②、逆变控制模块6根据上位机给定的载波频率F1，产生幅值为0.5且恒定的四层三角载波；

逆变控制模块6根据上位机给定的所述的飞跨电容型五电平逆变装置输出侧电压幅值及频率要求，产生恒定的正弦调制波，频率为F2；

步骤③、逆变控制模块6根据载波频率F1及调制波频率F2，计算预设参数K，具体过程为：

首先计算单个调制周期中“0”电平出现次数n=F1/F2+1：

当n为偶数时，K=n;

当n为奇数时，K=(n-3)/2；

步骤④、逆变控制模块6利用载波同相层叠方法，将步骤②得到的正弦调制波与四层三角载波进行比较，产生八个功率开关管开关信号，具体方法如下：

当正弦调制波的幅值比第一层三角载波的幅值大时，八个功率开关管状态为11110000，逆变器输出“2”电平状态；

当正弦调制波幅值介于第一、二层三角载波幅值之间时，八个功率开关管状态为11101000、01110001、10110010或11010100，四个电压向量各作用1/2调制波周期，交替循环，逆变器输出“1”电平状态；

当正弦调制波幅值介于第二、三层三角载波幅值之间时，逆变器输出“0”电平状态，八个功率管开关状态计算方法如下：

根据初始开关信号，记录“0”电平计数个数M，将M与预先设定参数K相模：

当模值小于等于K/2-1时，八个功率开关管状态为00110011、10010110或01010101，三个电压向量各作用1个调制波周期，交替循环，逆变装置输出“0+”状态；

当模值大于K/2-1时，八个功率开关管状态为11001100、10101010或01101001，三个电压向量各作用1个调制波周期，交替循环，逆变装置输出“0-”状态；

当正弦调制波幅值介于第三、四层三角载波幅值之间时，八个功率开关管状态为10001110、01001101、00101011或00010111，四个电压向量各作用1/2调制波周期，交替循环，逆变器输出“-1”电平状态；

当正弦调制波的幅值比第四层三角载波幅值小时，八个功率开关管状态为00001111，逆变器输出“-2”电平状态；：

步骤⑤、根据步骤④产生的开关信号，逆变控制模块6将信号发送给各功率开关管，并驱动各功率开关管的开通和关断。

步骤⑥、重复执行步骤④～步骤⑤，保证稳定的正弦波输出。

Claims (1)

1.一种飞跨电容型五电平逆变装置的控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤： 

步骤①、逆变控制模块设定飞跨电容型五电平逆变装置输出电平状态及开关组合状态，当飞跨电容型五电平逆变装置的输出电压为+V_dc/2，+V_dc/4，0，-V_dc/4，-V_dc/2时，分别定义逆变装置对应输出为“2”，“1”，“0”，“-1”，“-2”电平状态，其开关组合状态具体如下所示，“1”代表闭合此开关，“0”代表关断此开关： 

当逆变装置输出为“2”电平状态，第一功率开关管S_a1至第八功率开关管S_a8开关状态为11110000； 

当逆变装置输出为“1”电平状态，第一功率开关管S_a1至第八功率开关管S_a8开关状态为11101000、01110001、10110010或11010100； 

当逆变装置输出为“0”电平状态，分为两种，“0+”电平状态，第一功率开关管S_a1至第八功率开关管S_a8开关状态为00110011,10010110或01010101；“0-”电平状态，第一功率开关管S_a1至第八功率开关管S_a8开关状态为11001100,01101001或10101010； 

当逆变装置输出为“-1”电平状态，第一功率开关管S_a1至第八功率开关管S_a8开关状态为10001110,01001101,00101011或00010111； 

当逆变装置输出为“-2”电平状态，第一功率开关管S_a1至第八功率开关管S_a8开关状态为00001111； 

步骤②、逆变控制模块根据上位机给定的载波频率F1，产生幅值为0.5且恒定的四层三角载波； 

逆变控制模块根据上位机给定的所述的飞跨电容型五电平逆变装置输出侧电压幅值及频率要求，产生恒定的正弦调制波，频率为F2； 

步骤③、逆变控制模块根据载波频率F1及调制波频率F2，计算预设参数K，具体过程为： 

首先计算单个调制周期中“0”电平出现次数n=F1/F2+1： 

当n为偶数时，K=n; 

当n为奇数时，K=(n-3)/2； 

步骤④、逆变控制模块利用载波同相层叠方法，将步骤②得到的正弦调制波与四层三角载波进行比较，产生八个功率开关管开关信号，具体方法如下： 

当正弦调制波的幅值比第一层三角载波的幅值大时，八个功率开关管状态为11110000，逆变器输出“2”电平状态； 

当正弦调制波幅值介于第一、二层三角载波幅值之间时，八个功率开关管状态为11101000、01110001、10110010或11010100，四个电压向量各作用1/2调制波周期，交替循环，逆变器输出“1”电平状态； 

当正弦调制波幅值介于第二、三层三角载波幅值之间时，逆变器输出“0”电平状态，八个功率管开关状态计算方法如下： 

根据初始开关信号，记录“0”电平计数个数M，将M与预设参数K相模： 

当模值小于等于K/2-1时，八个功率开关管状态为00110011、10010110或01010101，三个电压向量各作用1个调制波周期，交替循环，逆变装置输出“0+”状态； 

当模值大于K/2-1时，八个功率开关管状态为11001100、10101010或01101001，三个电压向量各作用1个调制波周期，交替循环，逆变装置输出“0-”状态； 

当正弦调制波幅值介于第三、四层三角载波幅值之间时，八个功率开关管状态为10001110、01001101、00101011或00010111，四个电压向量各作用1/2调制波周期，交替循环，逆变器输出“-1”电平状态； 

当正弦调制波的幅值比第四层三角载波幅值小时，八个功率开关管状态为00001111，逆变器输出“-2”电平状态；

步骤⑤、根据步骤④产生的开关信号，逆变控制模块将信号发送给各功率开关管，并驱动各功率开关管的开通和关断。 

步骤⑥、重复执行步骤④～步骤⑤，保证稳定的正弦波输出。 

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