CN104410311B - 一种三电平逆变器不连续pwm调制中点平衡方法 - Google Patents
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Abstract
一种三电平逆变器不连续PWM调制中点平衡方法，属于电力、电子技术及其相关的控制技术领域。通过两种DPWM算法交替调用，来实现中点电压的平衡的。在常用的60°不连续PWM调制过程中，有两种调制算法，DPWM2和DPWM3，两者的钳位状态分别是：在第一扇区分别钳位在A＝P和C＝N；在第二扇区分别钳位在C＝N和B＝P；在第三扇区分别钳位在B＝P和A＝N；在第四扇区分别钳位在A＝N和C＝P；在第五扇区分别钳位在C＝P和B＝N；在第六扇区分别钳位在B＝N和A＝P。通过改变P和N型不连续区域的宽度，来平衡中点电压。实现了对中点电压的有效控制。
Description
技术领域
本发明属于电力、电子技术及其相关的控制技术领域，特别是提供了一种三电平逆变器不连续PWM调制中点平衡方法，适用于大功率中低压、低频AC-DC-AC电压源型逆变器和电网侧整流器的中点电压的平衡控制。
背景技术
随着电力电子、智能电网、新能源等技术的发展，为了降低对电网侧注入的谐波以及提高对电机侧的控制质量，对变频器技术的控制要求越来越严格。
在传统的PWM和SVPWM控制算法中，变频器控制性能的提高受限于开关器件的开关频率，进而受限于作为开关器件的IGCT或IGBT等开关管子在调制过程中由于开关的开通、关断动作带来的开关损耗。因此，如何降低开关器件的开关损耗，成为变频器控制性能提高的一个很重要因素。
对于电压源型逆变器(VSI)的PWM调制而言，连续PWM调制最为简便易行，容易操作。但是随着逆变器输出电压的电平数目的增加，其较高的开关损耗，对提高开关器件的开关频率，影响很大。
而通过合理分配各个参与调制的电压矢量的作用顺序和作用时间，DPWM调制(不连续PWM调制)不仅具有连续PWM调制下较宽的线性调制区，较小的谐波畸变率，易于实施，而且其可以在相当一段时间内，控制部分开关器件不做开/关动作。这样，可以很大程度地减少开关器件的开关频率。但，同时DPWM调制也存在中点电压的平衡问题。
针对三电平DPWM调制所存在的中点电压不平衡的共性问题，文中设计出了一种新型三电平逆变器不连续PWM调制的中点电压平衡方法。该算法可以不用添加额外的硬件电路，通过对检测到的两个直流侧电容电压的差值大小，合理选择相应的控制算法，即可以实现对中点电压的有效控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三电平逆变器不连续PWM调制中点平衡方法。可以在不连续PWM算法下，实现对中点电压的有效控制(即可以控制中点电压在有效范围内波动)。
该平衡方法主要是通过两种DPWM算法(DPWM2和DPWM3)交替调用，来实现中点电压的平衡的。在常用的60°不连续PWM调制过程中，有两种调制算法，DPWM2和DPWM3，两者的钳位状态分别是：
在第一扇区分别钳位在A＝P和C＝N；
在第二扇区分别钳位在C＝N和B＝P；
在第三扇区分别钳位在B＝P和A＝N；
在第四扇区分别钳位在A＝N和C＝P；
在第五扇区分别钳位在C＝P和B＝N；
在第六扇区分别钳位在B＝N和A＝P。
如果采用两者任何一种算法，由于要考虑到钳位状态，都不能如连续PWM调制那样，可以通过调节P型或N型小矢量的作用时间来平衡中点电压。在此，本方法选择了将两者相结合，根据两个电容电压差值大小，来作为更新调节P或N型不连续区域的宽度的参数的输入控制量。
1、设定一个电压限值Um,采样两个电容电压得到uc1(k)，uc2(k)；
2、计算两个电容电压差值为uc1(k)-uc2(k)＝delt_u(k)；
3、比较电容电压差值，若|delt_u(k)|<Um,认为中点电压稳定，此时即，不做中点电压平衡；此时，DPWM2和DPWM3交替使用，各工作30°角度，P和N各钳位60°区域：在第一扇区，0～小于30°区间内使用DPWM2，A相钳位在P电平，30°～小于60°区间内采用DPWM3方法，C相钳位在N电平；同样，第二扇区内，60°～小于90°区间内，采用DPWM2方法，C相钳位在N电平，90°～小于120°区间内采用DPWM3方法，B相钳位在P电平；第三扇区内120°～小于150°区间内，采用DPWM2方法，B相钳位在P电平，150°～小于180°区间内，采用DPWM3方法，A相钳位在N电平；第四扇区内，180°～小于210°区间内，采用DPWM2方法，A相钳位在N电平，210°～小于240°区间内采用DPWM3方法，C相钳位在P电平；第五扇区内，240°～小于270°区间内采用DPWM2方法，C相钳位在P电平，270°～小于300°区间内采用DPWM3方法，B相钳位在N电平；第六扇区内，300°～小于330°区间内采用DPWM2方法，B相钳位在N电平，330°～360°区间内采用DPWM3方法，A相钳位在P电平。
如此，DPWM2和DPWM3交替使用，使得P和N电平交替钳位在以A,B,C三个坐标轴为中心的60°区域内，但A,B,C三相的P和N电平不连续区间均有120°的可调节作用范围。
4、比较电压差，当delt_u(k-1)>Um，在两个电容电压不平衡时，此时uc1(k)-uc2(k)>0,即上面电容电压(直流母线正极侧电容)大于下面电容电压(直流母线负极侧电容)时，可适当增大P型不连续区的宽度，以增大P型电压小矢量的作用时间，使流入n点电流增加；并等量减小N型不连续区的宽度，来减少N型电压小矢量的作用时间，使流出n点电流减小。此时应有相应的六个扇区内，每个扇区内，P型区间均增大角度，而如此相应的N型扇区减少角度，使得P型矢量作用时间增加了。那么n点电压会逐渐升高，uc2逐渐变大，uc1逐渐变小，直到两者基本平衡。
5、比较电压差，delt_u(k-1)<-Um时，在两个电容电压不平衡时，上面电容电压小于下面电容电压时，此时，值应为负，六个扇区内，P型区间均减小角度，N型区间均增大角度。如此，可适当减小P型不连续区宽度，使流入n点电流减小，增大N型不连续区宽度，使流出n点电流增大，从而调节两个电容两侧的电压大小，直到两者基本平衡为止。
这样，根据实时采样得到的两个电容电压的偏差，通过实时调节P型和N型不连续区间的宽度，来调节P型和N型小矢量的作用时间，以控制流入和流出电容中点的电流总量，进而实现电容中点电压的平衡控制。
附图说明
图1为NPC型三电平逆变器逆变电路。
图2为P和N型小矢量对电容中点电压的影响。
图3为DPWM2和DPWM3在单独作用时，ABC三相的钳位区域。
图4为DPWM2和DPWM3共同调制下，当两个电容电压差值在允许范围内，不做中点电压平衡时，ABC三相的钳位区域。
图5为两种不连续调制方法共同作用下，ABC三相钳位区域的可调节范围。
图6为根据两个电容电压差值，调节中点电压的流程图。
图7为P和N型不连续区域的调节控制量的作用图。
图8为处理PN型跳变时，1,2小三角形区域钳位在O电平效果图。
图9为两种方法切换下，可能存在的PN型跳变类型。
图10为根据的不同取值，两种方法在第1,6扇区的作用范围。
具体实施方式
为了更为具体地描述本方法，下面结合附图及实施过程对本方法的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图1所示，为本方法所适用的NPC型三电平逆变器逆变电路。其中，Udc为610V，C1＝C2＝56mF，T1～T12为IGBT开关管，D1～D6为普通二极管(作为钳位二极管)。图中两个电容中点n即为所要调节的电压节点。ABC三相桥臂分别有四个IGBT开关器件作为开关管，在每相桥臂的中间两个开关器件间输出对应的三电平P,O,N相电压Uan,Ubn,Ucn。
如图2所示，为27种开关状态所对应的27种基本电压矢量中的P型和N型小矢量对n点电压的影响。其中，P型小矢量，经负载向n点注入电流，使得C2电容电压升高，C1电压降低，而N型小矢量对n点作用刚好相反。
如图3所示，为两种不连续PWM调制DPWM2和DPWM3单独作用时，ABC三相的钳位区域。把DPWM2顺时针旋转60°，刚好可以得到DPWM3。正由于两种调制方法的钳位区域是固定的，而其相应扇区的小矢量类型也是固定的，因此不可能通过改变小矢量的类型及其作用时间来控制中点电压的平衡。
如图4所示，为同时使用DPWM2和DPWM3，在不做中点电压平衡时的输出三相相电压的钳位区域。可以看到，每一相仍然是钳位60°的区间，但跟单独使用两种方法比，其钳位区域均向中间靠拢——即，钳位在两种方法所钳位区域的中间。因此，其钳位区间要跨越两个扇区。
如图5所示，为同时使用DPWM2和DPWM3时，ABC三相的钳位区域的可调节区间。在此，由于同时使用了两种方法，每一相的P或N型钳位电平均有120°的调节范围。而实际只用到了60°的钳位区域。因此，正是这120°的可调范围，为中点电压的平衡提供了可能。
如图6所示，为应用本方法做中点平衡的控制流程图。先由初始化设定，电压不调制区Um,基波频率fc,采样频率(开关频率)fs，直流母线电压Udc，调制度m等。然后采样获得Uc1,Uc2电压，比较得到其差值delt-Uc,再取绝对值，与Um比较判断。
如图7所示，为P和N型不连续区域的调节控制量的作用图。如图所示，为delt-Uc>Um时，Uc1>Uc2，此时应增大P型不连续区域的宽度，并对应减小N型不连续区域的宽度。从图中可以看到，此时P型区域宽度均由图4所示区域，向两边拓宽了角度。而相应的N型区域宽度则从图4的两边向中间收缩了角度。
但是，这样两种方法来回切换很容易使输出的相电压产生PN或NP电平跳变，而危害电器设备，尤其是在电机的电动和制动的动态过程中和中点电压的调节过程中。此时，PN跳变问题是必须要解决的。
从根本来说，PN跳变主要是由于参考电压矢量的变化产生的，而参考矢量的变化主要有3种情况：仅幅值跳变，仅相角跳变，幅值相角同时跳变，这三种跳变还包括了DPWM2和DPWM3调制方法之间的跳变。对于幅值跳变(仅指幅值跳出其所属的三角区域，同一三角区域内参考矢量的幅值或相角的跳变并不会产生PN跳变，此处不予分析)，包括幅值由大到小和由小到大的跳变，我们采取了在小三角区域内把相应的相位钳位在O电平来解决，如图8所示。
如图8所示，为调制算法在第一扇区和六个扇区的1,2小三角区域内的钳位状态。此时对于DPWM2和DPWM3算法的各扇区相应相均钳位在O电平。从而解决了在幅值大小跳变可能产生的PN跳变问题。
然而，即使参考矢量的幅值不变，其在一个周期内规律性地变化，由于各扇区发波序列不同，在扇区切换和DPWM2与DPWM3切换时依然有可能产生PN跳变，此时的PN跳变仍然需要处理，其类型如图9所示。
如图9所示，为在做中点平衡过程中，扇区切换和DPWM2与DPWM3方法切换时，各个小三角形区域之间，可能存在的PN跳变类型。
如图10所示，为在做中点电压平衡过程中，值为负，为正，为零，为+30°，为-30°时的DPWM2(DSVP2)和DPWM3(DSVP3)，两种方法的作用区间。
对于上述图9，提到的可能存在的PN跳变问题，本方法通过调整发波序列，可以完全避免。比如在第一扇区，其6个扇区的发波序列可以为：
DPWM2在第一扇区(其他扇区类似)6个小三角形区域的发波序列：
该发波方法主要选择小矢量首发(第1,2小三角形区域除外)，根据其钳位状态，在不同的扇区，其对应的相位在既定的钳位电平下，选择其对应的小矢量。
DPWM3在第一扇区(其他扇区类似)6个小三角形区域的发波序列：
给定各个扇区的发波序列，根据实时采集得到的两个电容电压值，确定其P和N型不连续区域宽度的调节量，即可通过两种不连续PWM调制算法的合理选择，实现对电容中点电压的有效控制。
Claims (1)
1.一种三电平逆变器不连续PWM调制中点平衡方法，其特征在于，通过两种DPWM算法中DPWM2和DPWM3交替调用，来实现中点电压的平衡的；在60°不连续PWM调制过程中，有两种调制算法，DPWM2和DPWM3，两者的钳位状态分别是：
在第一扇区分别钳位在A＝P和C＝N；
在第二扇区分别钳位在C＝N和B＝P；
在第三扇区分别钳位在B＝P和A＝N；
在第四扇区分别钳位在A＝N和C＝P；
在第五扇区分别钳位在C＝P和B＝N；
在第六扇区分别钳位在B＝N和A＝P；
将两者相结合，根据两个电容电压差值大小，作为更新调节P或N型不连续区域的宽度的参数的输入控制量：
(1)设定一个电压限值Um,采样两个电容电压得到uc1，uc2；
(2)计算两个电容电压差值为uc1(k)-uc2(k)＝delt_u(k)；
(3)比较电容电压差值，若|delt_u(k)|＜Um,认为中点电压稳定，此时即，不做中点电压平衡；此时，DPWM2和DPWM3交替使用，各工作30°角度，P和N各钳位60°区域：在第一扇区，0～小于30°区间内使用DPWM2，A相钳位在P电平，30°～小于60°区间内采用DPWM3方法，C相钳位在N电平；同样，第二扇区内，60°～小于90°区间内，采用DPWM2方法，C相钳位在N电平，90°～小于120°区间内采用DPWM3方法，B相钳位在P电平；第三扇区内120°～小于150°区间内，采用DPWM2方法，B相钳位在P电平，150°～小于180°区间内，采用DPWM3方法，A相钳位在N电平；第四扇区内，180°～小于210°区间内，采用DPWM2方法，A相钳位在N电平，210°～小于240°区间内采用DPWM3方法，C相钳位在P电平；第五扇区内，240°～小于270°区间内采用DPWM2方法，C相钳位在P电平，270°～小于300°区间内采用DPWM3方法，B相钳位在N电平；第六扇区内，300°～小于330°区间内采用DPWM2方法，B相钳位在N电平，330°～360°区间内采用DPWM3方法，A相钳位在P电平；
如此，DPWM2和DPWM3交替使用，使得P和N电平交替钳位在以A,B,C三个坐标轴为中心的60°区域内，但A,B,C三相的P和N电平不连续区间均有120°的可调节作用范围；
(4)比较电压差，当delt_u(k-1)＞Um，在两个电容电压不平衡时，此时uc1(k)-uc2(k)＞0,即上面电容电压大于下面电容电压，其中，上面电容为直流母线正极侧电容，下面电容为直流母线负极侧电容，增大P型不连续区的宽度，以增大P型电压小矢量的作用时间，使流入n点电流增加；并等量减小N型不连续区的宽度，来减少N型电压小矢量的作用时间，使流出n点电流减小；此时应有相应的六个扇区内，每个扇区内，P型区间均增大角度，而如此相应的N型扇区减少角度，使得P型矢量作用时间增加了；那么n点电压会逐渐升高，uc2逐渐变大，uc1逐渐变小，直到两者平衡；n点电流的n点是指两个电容的中点，即直流母线正极侧电容和直流母线负极侧电容的中点；
(5)比较电压差，delt_u(k-1)＜-Um时，在两个电容电压不平衡时，上面电容电压小于下面电容电压时，此时，值应为负，六个扇区内，P型区间均减小角度，N型区间均增大角度；如此，减小P型不连续区宽度，使流入n点电流减小，增大N型不连续区宽度，使流出n点电流增大，从而调节两个电容两侧的电压大小，直到两者平衡为止。
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