CN104811072A - 一种npc三电平逆变器中点电位平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，所述方法包括以下步骤：获取平均中点电流的最大值、最小值，以及三矢量四状态调制方法下控制平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子；根据调制度m、平均中点电流最大值、最小值以及平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子将工作区域划分为可控区域、不可控区域和存疑区域，并通过对比中点电流绝对值大小将存疑区域归属到可控区域或不可控区域；分别生成所述可控区域、所述不可控区域所需要的开关序列。本发明考虑到舍弃开关状态对中点电位平衡效果的影响，对控制区域进行了更精细的划分，达到了对中点电位平衡更优的控制效果。

Description

一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法

技术领域

本发明涉及交流逆变器变频调制领域，尤其涉及一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法。

背景技术

中点箝位型(neutral point clamped，NPC)三电平逆变器是目前中高压交流领域应用最广泛的多电平变换器，由于其直流侧使用两电容分压，工作时易产生中点电位不平衡问题，进而影响逆变系统的稳定运行及输出性能。为抑制中点电位波动，目前国内外提出的调制策略多会引起较高的开关频率，增加了逆变系统的开关损耗。然而，大功率应用场合要求尽量降低开关频率，如牵引系统要求开关频率低于1kHz，这使得需要较高开关频率以达到完全控制中点电位平衡的调制策略不再适用，在这种情况下只能尽量削弱中点电位的不平衡状态。

发明内容

本发明提供了一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，本发明在减少开关频率的情况下使中点电位波动得到有效抑制，详见下文描述：

一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，所述方法包括以下步骤：

获取平均中点电流的最大值、最小值，以及三矢量四状态调制方法下控制平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子；

根据调制度m、平均中点电流最大值、最小值以及平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子对工作区域进行可控区域、不可控区域的划分；

分别生成所述可控区域、所述不可控区域所需要的开关序列。

其中，所述根据调制度m、平均中点电流最大值、最小值以及平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子对工作区域进行可控区域、不可控区域的划分的步骤具体为：

当调制度0<m≤0.5时，将整个工作区域划分为可控区域；

当调制度m>0.5时，利用分配因子法判断工作区域是否为不可控区域，如果否，则将工作区域定义为可控区域；

如果是，则利用最值电流法进行判断，若判断结果为不可控区域，则将工作区域划分为不可控区域；若判断结果为可控区域，将工作区域划分为存疑区域；

若最值电流法产生的平均中点电流绝对值小，将存疑区域划分为可控区域，若对比分配因子法产生的平均中点电流绝对值小，将存疑区域划分为不可控区域。

其中，所述利用分配因子法判断工作区域是否为不可控区域具体为：

若所求得的两个小矢量的占空比分配因子k_S1和k_S2都在[-1,1]范围内，则判断工作区域为可控区域，否则为不可控区域。

其中，所述利用最值电流法进行判断具体为：

若平均中点电流最大值i_{NP_h}和平均中点电流最小值i_{NP_l}的乘积小于0，则判断工作区域为可控区域，否则为不可控区域。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明从控制中点电流出发，为获得较低的开关频率，在三矢量四状态合成方法的基础上，提出一种精细分区控制中点电位平衡方法。利用本发明进行三电平逆变器的调制，可有效控制中点电位波动，减少开关频率，具有以下效果：

1、控制策略充分考虑了降低开关频率的要求，在整个调制空间都使用较少的开关频率进行调制，从而有利于降低系统的开关损耗。

2、考虑到舍弃开关状态对中点电位平衡效果的影响，对控制区域进行了更精细的划分，达到了对中点电位平衡更优的控制效果。

附图说明

图1为基于精细分区控制中点电位平衡策略的流程图；

图2为不同调制度下，最值电流法和分配因子法对工作区域判断的结果；

其中，a为调制度m＝0.7、b为调制度m＝0.82、c为调制度m＝0.9下的最值电流法和分配因子法对工作区域判断的结果。

图3为最值电流法和分配因子法两种工作区域判断方法产生的中点电流波形示意图。

其中，a为最值电流法，b为分配因子法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了更好地满足充分公开，方便理解的要求，现将本发明实施例中用到的多个专业术语进行如下描述，该些专业术语均为本领域技术人员所公知，在教科书、期刊杂志中均可以查到，说明如下：

1、最近三矢量调制方法：即选择离参考矢量距离最近的三个矢量来合成参考矢量。

2、零矢量：矢量模长为0，位于空间矢量图的中心，每个零矢量对应3个开关状态。本专利所使用的零矢量只采用三相全为零电平的开关状态。

3、小矢量：矢量模长为直流侧电压1/3倍的基本空间矢量，位于空间矢量图中小六边形的六个顶点，每个小矢量对应2个开关状态。

4、中矢量：矢量模长为直流侧电压倍的基本空间矢量，位于空间矢量图中大六边形内切圆与大六边形的交点，每个中矢量对应1个开关状态。

5、大矢量：矢量模长为直流侧电压2/3倍的基本空间矢量，位于空间矢量图中大六边形的六个顶点，每个大矢量对应1个开关状态。

6、三矢量四状态：当离参考矢量最近的三个矢量共含有五个开关状态时，舍弃一个小矢量的开关状态，只使用四个开关状态。

7、分配因子法：根据分配因子判断参考矢量所在工作区域的方法。

8、最值电流法：根据中点电流的最大值和最小值判断参考矢量所在工作区域的方法。

9、伏秒平衡原理：各基本矢量与其作用时间之积等于参考矢量与采样周期之积。

10、可控区域：能将中点电流控制为0的区域(即该区域的中点电流值可以为0)。

11、不可控区域：不能将中点电流控制为0的区域(即该区域的中点电流值一定不为0)。

12、正小矢量开关状态：是小矢量的一个开关状态，产生的中点电流与规定的中点电流正方向相同。

13、负小矢量开关状态：是小矢量的一个开关状态，产生的中点电流与规定的中点电流正方向相反。

上述专业术语来源于本领域中的专业基础知识，下面例举出2篇文献进行说明：[1]邵虹君.基于混合SVPWM方法的NPC三电平逆变器中点电压平衡控制[D].天津大学,2012.[2]付勋波,郭金东,赵栋利等.基于线电压伏秒平衡的三电平SVM研究[J].电力自动化设备,2009,29(5):61-64.

参见图1，一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，该方法包括以下步骤：

101：获取平均中点电流的最大值、最小值，以及三矢量四状态调制方法下控制平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子；

根据最近三矢量调制方法，计算两个小矢量V_S1和V_S2的占空比d_S1和d_S2，中矢量V_M的占空比d_M；

定义两个小矢量的占空比分配因子分别为k_S1和k_S2，并设相应的正小矢量占空比为(1+k_S1)d_S1/2和(1+k_S2)d_S2/2，则对应负小矢量的占空比为(1-k_S1)d_S1/2和(1-k_S2)d_S2/2。两正小矢量开关状态产生的中点电流为i_S1和i_S2，中矢量开关状态产生的中点电流为i_M，则平均中点电流i_NP的数学表达式如下：

i_NP＝k_S1d_S1i_S1+d_Mi_M+k_S2d_S2i_S2

当k_S1＝-sgn(i_S1)且k_S2＝-sgn(i_S2)时，i_NP取最小值i_{NP_l}；当k_S1＝sgn(i_S1)且k_S2＝sgn(i_S2)时，i_NP取最大值i_{NP_h}。其中，sgn是符号函数，sgn(x)表示x的符号。

使用三矢量四状态调制方法，在有五个可选开关状态时，需舍弃一个控制平均中点电流能力差的小矢量开关状态，此时被舍弃开关状态的小矢量占空比分配因子为1或-1，因此k_S1和k_S2中只有一个量为未知，令i_NP＝0，可解得未知的小矢量占空比分配因子。

102：根据调制度m、平均中点电流最大值、最小值以及平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子对工作区域进行精细划分；

当调制度0<m≤0.5时，直接将整个工作区域定义为可控区域CI。

当调制度m>0.5时，首先利用分配因子法判断工作区域是否为不可控区域UI，如果否，则将工作区域定义为可控区域CI；如果是，则利用最值电流法进行再次判断。若判断结果同为不可控区域UI，则将工作区域定义为不可控区域UI；若判断结果为可控区域CI，将工作区域暂时定义为存疑区域DI，即还需对该区域的归属进行进一步的判断。

最后，对存疑区域DI按平均中点电流控制效果进行归属判定，通过对比分配因子法和最值电流法产生的平均中点电流绝对值大小，若最值电流法产生的平均中点电流绝对值小，则将工作区域划分为可控区域CI，否则工作区域为不可控区域UI。

其中，上述步骤102中的利用分配因子法判断工作区域是否为不可控区域UI具体为：

若所求得的两个小矢量的占空比分配因子k_S1和k_S2都在[-1,1]范围内，则判断工作区域为可控区域CI，否则为不可控区域UI。

其中，上述步骤102中的利用最值电流法进行再次判断工作区域具体为：

根据平均中点电流的最大值i_{NP_h}和最小值i_{NP_l}判断工作区域是否可控的方法，若平均中点电流最大值i_{NP_h}和平均中点电流最小值i_{NP_l}的乘积小于0，则判断工作区域为可控区域CI，否则为不可控区域UI。

103：分别生成可控区域CI、不可控区域UI所需要的开关序列。

当参考矢量位于可控区域CI时，利用求解出的小矢量占空比分配因子k_S1和k_S2对小矢量的冗余开关状态进行占空比分配，其他矢量(零矢量、中矢量和大矢量)则采用根据伏秒平衡原理计算出的占空比，并遵循开关序列内开关次数最少的原则选择所需要的开关序列。

当参考矢量位于不可控区域UI时，选择能够控制平均中点电流最大值i_{NP_h}或者最小值i_{NP_l}的开关序列，即当i_M>0时，采用产生平均中点电流最小值i_{NP_l}所对应的开关序列，当i_M<0时，采用产生平均中点电流最大值i_{NP_h}所对应的开关序列。

下面结合图2和图3详细的描述本方法的操作过程，详见下文描述：

1、根据参考矢量V_ref的角度，判断参考矢量V_ref所在的扇区；根据参考矢量V_ref向坐标轴的投影，判断参考矢量V_ref所在的具体三角形，确定所选用的离参考矢量V_ref最近的三个矢量。

2、根据伏秒平衡原理计算三矢量的作用占空比。

得到两个小矢量V_S1和V_S2的占空比d_S1和d_S2，中矢量V_M的占空比d_M。定义两个小矢量的占空比分配因子为k_S0和k_S1，并设正小矢量占空比为(1+k_S1)d_S1/2和(1+k_S2)d_S2/2，则对应负小矢量的占空比为(1-k_S1)d_S1/2和(1-k_S2)d_S2/2。两正小矢量开关状态产生的中点电流为i_S1和i_S2，则平均中点电流i_NP的数学表达式如下：

i_NP＝k_S1d_S1i_S1+d_Mi_M+k_S2d_S2i_S2

3、确定i_{NP_h}、i_{NP_l}及三矢量四状态方法下小矢量占空比分配因子k_S0或k_S1。当k_S1＝-sgn(i_S1)且k_S2＝-sgn(i_S2)时，i_NP取最小值i_{NP_l}；当k_S1＝sgn(i_S1)且k_S2＝sgn(i_S2)时，i_NP取最大值i_{NP_h}。其中，sgn是符号函数，sgn(x)表示x的符号。

使用三矢量四状态调制方法，在有五个可选开关状态时，需舍弃一个控制中点电流能力差的小矢量开关状态。若舍弃小矢量V_S2的正小矢量开关状态，则此时占空比分配因子k_S2＝-1，平均中点电流为：

i_NP＝k_S1d_S1i_S1+d_Mi_M-d_S2i_S2

令i_NP＝0，可解得

$k_{S1}=\frac{d_{S2}{i}_{S2}-d_M{i}_M}{d_{S1}{i}_{S1}}$

4、对控制区域进行精细划分。

当调制度0<m≤0.5时，将整个工作区域定义为可控区域CI。当m>0.5时，首先根据三矢量四状态方法求解出的占空比分配因子k_S1和k_S2是否在[-1,1]内判断工作区域是否为不可控区域UI。若k_S1和k_S2在[-1,1]内，则工作区域为可控区域CI；否则工作区域为不可控区域UI。若工作区域为不可控区域UI，则根据中点电流的最大值i_{NP_h}和最小值i_{NP_l}的乘积是否小于0对工作区域再次判断。若判断结果同为不可控区域UI，则将工作区域定义为不可控区域UI；若判断结果为可控区域CI，则将工作区域定义为存疑区域DI。

不同调制度下两种方法的判断结果如图2所示，图中粗实线(即图中B所示)表示最值电流法判断出的工作区域值，黑色细实线(即图中A所示)表示分配因子法判断出的工作区域值。值取1时表示可控区域CI，值取2时表示不可控区域UI。由图2(a)可知，当调制度m＝0.7时，B为直线，即采用最值电流法判断，工作区域全为可控区域CI；而A不是直线，出现脉冲，即采用分配因子法判断，工作区域存在不可控区域UI。当调制度增大，如图2(b)中m＝0.82时，A、B两条线都出现脉冲，不过两种判断方法的判断结果依然存在差异。随着调制度进一步增大，如图2(c)中m＝0.9时，A、B两条线完全重合，即此时两种判断方法的判断结果相同。图2中两种判断方法判断结果不相同的区域即为存疑区域DI。

最后，对存疑区域DI按平均中点电流控制效果进行归属判定，通过对比分配因子法和最值电流法产生的平均中点电流绝对值大小，若最值电流法产生的平均中点电流绝对值小，则将工作区域划分为可控区域CI，否则为不可控区域UI。两种判断方法产生的中点电流波形示意图如图3中粗实线(即阴影部分包络线)所示。

5、分别生成可控区域CI、不可控区域UI所需要的开关序列。

当参考矢量位于可控区域CI时，利用求解出的小矢量占空比分配因子k_S1和k_S2对小矢量的冗余开关状态进行占空比分配，其他矢量则采用根据伏秒平衡原理计算出的占空比，并遵循开关序列内开关次数最少的原则选择所需要的开关序列。

当参考矢量位于不可控区域UI时，选择能够控制平均中点电流最大值i_{NP_h}或者最小值i_{NP_l}的开关序列。当i_M>0时，调制策略采用产生i_{NP_l}所对应的开关序列，当i_M<0时，采用产生i_{NP_h}所对应的开关序列。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取平均中点电流的最大值、最小值，以及三矢量四状态调制方法下控制平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子；

根据调制度m、平均中点电流最大值、最小值以及平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子对工作区域进行可控区域、不可控区域的划分；

分别生成所述可控区域、所述不可控区域所需要的开关序列。

2.根据权利要求1所述的一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，其特征在于，所述根据调制度m、平均中点电流最大值、最小值以及平均中点电流为零时的小矢量占空比分配因子对工作区域进行可控区域、不可控区域的划分的步骤具体为：

当调制度0<m≤0.5时，将整个工作区域划分为可控区域；

当调制度m>0.5时，利用分配因子法判断工作区域是否为不可控区域，如果否，则将工作区域定义为可控区域；

如果是，则利用最值电流法进行判断，若判断结果为不可控区域，则将工作区域划分为不可控区域；若判断结果为可控区域，将工作区域划分为存疑区域；

若最值电流法产生的平均中点电流绝对值小，将存疑区域划分为可控区域，若对比分配因子法产生的平均中点电流绝对值小，将存疑区域划分为不可控区域。

3.根据权利要求2所述的一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，其特征在于，所述利用分配因子法判断工作区域是否为不可控区域具体为：

若所求得的两个小矢量的占空比分配因子k_S1和k_S2都在[-1,1]范围内，则判断工作区域为可控区域，否则为不可控区域。

4.根据权利要求2所述的一种NPC三电平逆变器中点电位平衡方法，其特征在于，所述利用最值电流法进行判断具体为：

若平均中点电流最大值i_{NP_h}和平均中点电流最小值i_{NP_l}的乘积小于0，则判断工作区域为可控区域，否则为不可控区域。