CN104506065A - 三电平逆变器的中点电位控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三电平逆变器的中点电位控制方法，包括：建立三电平三相并网主电路结构，输入直流电压UD经第一电容C1、第二电容C2分压后提供给三电平逆变器，三电平逆变器的输出经三相滤波环节后并至三相电网，其中，设定流出三电平逆变器的电流为正，流入三电平逆变器的电流为负；对三电平逆变器的三相瞬时电压的输出同时叠加一个ΔU，则通过增加或减少第一电容C1、第二电容C2的充放电，使：ΔUc＝Uc1-Uc2，且ΔUc趋近于0，则完成对叠加后新的三相瞬时电压输出Ua、Ub和Uc的中点电位控制。本发明使用简单的电平移动方式达到控制输入的直流电压中点电平平衡的目的。
Description
技术领域
本发明涉及三电平逆变器的中点电位控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展及高性能的DSP芯片的出现，三电平逆变器在三相大功率电力电子装置中得到了越来越广泛的应用；与传统的三相半桥逆变器相比较，在相同的成本控制下，三相三电平逆变器能提供更大的输出功率，并以更高的效率输出失真度更小的三相正弦波。目前，在高性能的大功率的变频器、三相不间断电源及三相并网装置中，主电路已经开始采用三电平逆变器的拓扑结构。
由于三相三电平逆变器的主电路的拓扑结构比传统的三相半桥逆变器的主电路更为复杂，主电路的功率器件增加了一倍，因此，对控制电路的硬件性能及软件控制方法提出了更高的要求。
三电平逆变器的一个桥臂的输出有“+”、“-”和“0”三个状态的变化；该逆变器的直流输入必须有2个直流电源，实际使用时，把一个直流电源通过电容分压的原理分成2个串联的且带有中心抽头的直流电源，为了保证输出波形的对称，就要控制2个串联电容的电压的一致性，即“中点电位控制”。对于采用三电平主电路拓扑结构的逆变器，输入直流电源的“中点电位控制”是不可缺少的控制环节之一。
现有的三相并网逆变器的输出采用SV法，即空间矢量法，该方法的基本原理是应用三相三电平逆变器的27个矢量中的对输出具有相同作用的6对矢量的选取，以达到控制三相三电平逆变器中点电位的目的，具体如下：
三相三电平逆变器有以下27个空间矢量：
零矢量1对3个：“---”、“000”、“+++”；
小矢量6对12个：“+00”“0--”；“00-”“++0”；“0+0”“-0-”；“-00”“0++”；“00-”“++0”；“0-0”“+0+”；
中矢量6个：“+0-”；“0+-”；“-+0”；“-0+”；“0-+”；“+-0”；
大矢量6个：““+--”；“++-”；“-+-”；“-++”；“--+”；“+-+”；
在这27个矢量中，只有6对12个的小矢量，可以根据逆变器的输出电流方向及输出空间矢量所在的区间，在2个对于输出具有相同作用的小矢量中选择1个小矢量，进行“中点电位”的调节。
上述“空间矢量控制”的理论早在40年代中期有人提出，可是，由于其繁重的运算工作量，长期得不到实际的应用，近十余年来，随着现代微电子技术，特别是“高速处理器DSP”的发展，“空间矢量控制”得到了越来越广泛的应用。现有的三相三电平并网逆变器的中点电位控制，仍比较复杂，对处理器性能要求很高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供三电平逆变器的中点电位控制方法，使用简单的电平移动方式达到控制输入的直流电压中点电平平衡的目的。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
三电平逆变器的中点电位控制方法，包括：
建立三电平三相并网主电路结构，输入直流电压UD经第一电容C1、第二电容C2分压后提供给三电平逆变器，三电平逆变器的输出经三相滤波环节后并至三相电网，其中，设定流出三电平逆变器的电流为正，流入三电平逆变器的电流为负；
对三电平逆变器的三相瞬时电压的输出同时叠加一个ΔU，则通过增加或减少第一电容C1、第二电容C2的充放电，使：ΔUc＝Uc1-Uc2，且ΔUc趋近于0，则完成对叠加后新的三相瞬时电压输出Ua、Ub和Uc的中点电位控制；
对第一电容C1、第二电容C2的充放电满足以下条件：
a.若：Ua＞0，Ub和Uc≤0，则C1和C2处于放电状态，此时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；反之：当Ua＜0，Ub和Uc≥0，则C1和C2处于充电状态，此时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；
b.若：Ua＞0，Ub·Uc＜0，由于Ia+Ib＞0或Ia+Ic＞0，因此，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；反之：Ua＜0，Ub·Uc＜0，由于Ia+Ib＞0或Ia+Ic＞0，因此，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；
其中：Ua、Ub、Uc分别表示三电平逆变器的三相电压输出，Ia、Ib、Ic分别表示三电平逆变器表逆变器的三相电流输出；Uc1和Uc2为直流侧的第一电容C1和第二电容C2的电压，中点电位控制的目标为：Uc1＝Uc2，即：ΔUc＝Uc1－Uc2＝0。
进一步地，所叠加的ΔU值满足以下条件：
三电平逆变器的输出正电压的最大值小于等于Uc1，负电压绝对值的最大值小于等于Uc2；
所叠加的ΔU值不改变三电平逆变器原输出电压的极性，但可将原电压值由正变为0或由负变为0；
所叠加的ΔU值尽可能使三电平逆变器三相电压中的一相电压的瞬时值移到“Uc1”“-Uc2”或“0”电平。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明运用“三相三线制输出的逆变器，由于对负载起作用的是输出的线电压，因此，可在输出的三相相电压上叠加一个相同的ΔU值”，工作原理简单，只需通过简单的逻辑判断和加减运算即可完成电平移动电压ΔU的计算，与空间矢量法相比较，可节省CPU的程序处理时间；
2)根据电平移动电压ΔU值的界定条件，找到了一种计算ΔU值的方法，该方法仅用简单的加或减就可完成电平移动电压ΔU值的计算；
3)相电压经过电平移动处理后，由于总有一相电压处于正的最大值、负的最小值或0的三种状态之一，因此，在任何一个载波周期，总有一个桥臂不进行开关状态的切换，即：可节约1/3的开关动态损耗，总效率约可提高1％；
4)可最大限度的增加直流电压的利用率，即：较低的直流电压能产生较高的不失真的交流线电压。
5)可用简单的电平移动方法进行移动电压ΔU的计算，达到与繁复的空间矢量法的同样的效果，“提高直流电压的利用率和减少功率器件的切换次数，提高主电路工作效率”。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明三电平三相并网主电路的结构的示意图；
图2为本发明三电平并逆变器的中点电位控制流程图。
具体实施方式
如图1～2所示的三电平逆变器的中点电位控制方法，包括：
建立三电平三相并网主电路结构，输入直流电压UD经第一电容C1、第二电容C2分压后提供给三电平逆变器，三电平逆变器的输出经三相滤波环节后并至三相电网，其中，设定流出三电平逆变器的电流为正，流入三电平逆变器的电流为负；
对三电平逆变器的三相瞬时电压的输出同时叠加一个ΔU，则通过增加或减少第一电容C1、第二电容C2的充放电，使：ΔUc＝Uc1-Uc2，且ΔUc趋近于0，则完成对叠加后新的三相瞬时电压输出Ua、Ub和Uc的中点电位控制；
三电平三相并网主电路由12个可控的功率器件及若干个钳位二极管组成；输入功率由直流电源UD经C1和C2分压后提供。工作时，设：流出逆变器的电流为正，则：输入与输出的各物理量间的关系如下：
根据基尔霍夫定律，逆变器输出的三相电流之和等于0，即：
Ia+Ib+Ic＝0；
因为三相并网逆变器的输出为三相三线制，所以，三相输出电压之和的非0部分的值不会对输出电流产生影响，因此，可把三相瞬时电压的输出同时叠加一个ΔU；也可把三相瞬时电压的输出经以下公式转换成瞬时电压输出之和等于0的3个新变量，设这3个新变量依然用Ua、Ub、Uc表示，即：
Ua＝Ua-(Ua+Ub+Uc)/3；
Ub＝Ub-(Ua+Ub+Uc)/3；
Uc＝Uc-(Ua+Ub+Uc)/3；
处理后：Ua+Ub+Uc＝0，可用此新的Ua、Ub和Uc进行中点电位控制；
根据主电路的结构，可知：在一个载波周期内，当某相的输出电压大于0时，该相的输出电流就有C1提供；当某相的输出电压小于0时，该相的输出电流就有C2提供；
当某相的输出电压等于0时，该相的输出和直流侧无能量交换；设：ΔUc＝Uc1-Uc2,控制目标为：ΔUc趋近于0
在某个载波周期内，Ia、Ib和Ic中，Ia的绝对值最大且大于0；
则根据Ia+Ib+Ic＝0，必得到：Ib和Ic都小于等于0；
此时，可分以下2种情况进行分析；对第一电容C1、第二电容C2的充放电满足以下条件：
a.若：Ua＞0，Ub和Uc≤0，则C1和C2处于放电状态，此时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；反之：当Ua＜0，Ub和Uc≥0，则C1和C2处于充电状态，此时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；
b.若：Ua＞0，Ub·Uc＜0，由于Ia+Ib＞0或Ia+Ic＞0，因此，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；反之：Ua＜0，Ub·Uc＜0，由于Ia+Ib＞0或Ia+Ic＞0，因此，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；
其中：Ua、Ub、Uc分别表示三电平逆变器的三相电压输出，Ia、Ib、Ic分别表示三电平逆变器表逆变器的三相电流输出；Uc1和Uc2为直流侧的第一电容C1和第二电容C2的电压，中点电位控制的目标为：Uc1＝Uc2，即：ΔUc＝Uc1－Uc2＝0。
结合以上2种情况，进一步分析后可得到以下结论：
1)在某个载波周期内，Ia、Ib和Ic中，Ia的绝对值最大且大于0；
当Ua＞0时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；反之：Ua＜0时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；
2)在某个载波时刻，Ia、Ib和Ic中，Ia的绝对值最大且小于0；则当Ua＞0时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；反之：Ua＜0时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；
对于Ib和Ic绝对值最大的情况也可作相应的分析，此处就不再一一赘述。
电平移动ΔU值范围的界定需满足以下条件：
1.由于逆变器交流输出的相电压瞬时值不可能超过输入电容的Uc值，因此，附加的ΔU值要保证：输出正电压的最大值小于等于Uc1，负电压绝对值的最大值小于等于Uc2；
2.附加的ΔU值不改变原输出电压的极性，但可由正变为0或由负变为0；
3.为了减小功率器件的切换次数，附加的ΔU值尽可能使三相电压中的一相电压的瞬时值移到“Uc1”“-Uc2”或“0”电平。
根据以上工作原理和电平移动ΔU值范围的界定条件，可得高效绿色的三相三电平中点电位控制流程框图如图2所示；图1、图2中，各变量所代表的物理量如下：
3相即为三相；
Ua、Ub、Uc代表逆变器的三相电压输出；
Ia、Ib、Ic代表逆变器的三相电流输出，流出逆变器方向电流为正，流入为负；
Uc1和Uc2为直流侧的第一电容C1和第二电容C2的电压，中点电位控制的目标为：Uc1＝Uc2，
即：ΔUc＝Uc1－Uc2＝0；
当ΔUc＞0时，增加电容C1的放电或电容C2的充电；当ΔUc＜0时，则反之；
图2流程图中的上面部分为找寻逆变器三相输出电流中的电流绝对值最大的那相电流，并根据相应相的相电压及ΔUc的正和负，决定电平的移动方向；在电平移动ΔU值范围的界定的条件下，流程图的下面部分用于计算电平移动的ΔU值；最后，把各相相电压加上ΔU，即可得新的各相相电压。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (2)
1.三电平逆变器的中点电位控制方法，其特征在于包括：
建立三电平三相并网主电路结构，输入直流电压UD经第一电容C1、第二电容C2分压后提供给三电平逆变器，三电平逆变器的输出经三相滤波环节后并至三相电网，其中，设定流出三电平逆变器的电流为正，流入三电平逆变器的电流为负；
对三电平逆变器的三相瞬时电压的输出同时叠加一个ΔU，则通过增加或减少第一电容C1、第二电容C2的充放电，使：ΔUc＝Uc1-Uc2，且ΔUc趋近于0，则完成对叠加后新的三相瞬时电压输出Ua、Ub和Uc的中点电位控制；
对第一电容C1、第二电容C2的充放电满足以下条件：
a.若：Ua＞0，Ub和Uc≤0，则C1和C2处于放电状态，此时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；反之：当Ua＜0，Ub和Uc≥0，则C1和C2处于充电状态，此时，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；
b.若：Ua＞0，Ub·Uc＜0，由于Ia+Ib＞0或Ia+Ic＞0，因此，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1放电增加，C2放电减少，ΔUc下降；当ΔU＜0时，ΔUc上升；反之：Ua＜0，Ub·Uc＜0，由于Ia+Ib＞0或Ia+Ic＞0，因此，如给三相输出同时叠加一个电压ΔU，则当ΔU＞0时，C1充电增加，C2充电减少，ΔUc上升；当ΔU＜0时，ΔUc下降；
其中：Ua、Ub、Uc分别表示三电平逆变器的三相电压输出，Ia、Ib、Ic分别表示三电平逆变器表逆变器的三相电流输出；Uc1和Uc2为直流侧的第一电容C1和第二电容C2的电压，中点电位控制的目标为：Uc1＝Uc2，即：ΔUc＝Uc1－Uc2＝0。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器的中点电位控制方法，其特征在于：所叠加的ΔU值满足以下条件：
三电平逆变器的输出正电压的最大值小于等于Uc1，负电压绝对值的最大值小于等于Uc2；
所叠加的ΔU值不改变三电平逆变器原输出电压的极性，但可将原电压值由正变为0或由负变为0；
所叠加的ΔU值尽可能使三电平逆变器三相电压中的一相电压的瞬时值移到“Uc1”“-Uc2”或“0”电平。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 528000, No. 115, No. four, No. seven, Zhangcha Road, Chancheng District, Guangdong, Foshan Province, China, two to the third floor Patentee after: Spaceflight Burke (Guangdong) science and Technology Co., Ltd. Address before: 528000, two, No. 2, No. 2, No. 117, Chancheng, Chancheng District, Foshan City, Guangdong Patentee before: Foshan Burke New Energy Technology Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |