CN104917416B - 二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制方法，属于逆变器直流侧中点电位平衡控制方法。这种控制方法无需增加反馈控制环节，即无需通过传感器检测逆变器直流侧上下电容电压以及中点电流的变化情况来控制中点电位的平衡，直接利用三电平的统一快速算法和随机函数通过调节偏移时间T_offset使其在不同开关周期内对不同小矢量设置不同的时间分配，来增加相应的正负小矢量对三电平逆变器直流侧中点电流的控制能力，实现对二极管钳位型三电平逆变器直流侧上下电容电压的平衡控制。本发明所述方法原理简单，结构清晰，只需利用统一快速算法和随机函数的特性调整偏移时间参数T_offset的值便可使逆变器直流侧上下电容电压得到有效的平衡控制。

Description

二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器直流侧中点电位平衡控制方法，特别是一种二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制方法。

背景技术

近年来，三电平逆变器在高压大功率场合的应用越来越广泛。与两电平逆变器相比，三电平逆变器使器件承受较小的开关应力，并且能大大改善输出波形。在典型的三电平逆变器拓扑结构中，二极管钳位型三电平逆变器的应用最为突出。但是由于二极管钳位型三电平逆变器的直流侧是由两个电容串联构成，所以在实际的运行过程中逆变器的中点电流会对两个电容具有充放电的作用，致使直流侧上下电容电压不平衡，因此，关于二极管钳位型三电平逆变器直流侧上下电容电压的平衡问题仍然是众多学者研究的热点。

当二极管钳位型三电平逆变器直流侧上下电容电压出现不平衡时，会导致开关器件的过压和损坏，从而影响设备的正常运行，现有的对二极管三电平逆变器直流侧上下电容电压的平衡控制主要是采用以下方法来实现的：1)滞环控制法；2)中点电荷守恒法；3)利用传统算法和虚拟矢量算法之间切换的方法；4)充分利用两对冗余正负小矢量的方法对逆变器进行十段式触发；5)利用PI调节器对正负小矢量的时间分配因子进行反馈调节控制。

上述控制方法一方面需要增加反馈控制环节来实现对逆变器直流侧中点电位的平衡控制，即需要通过传感器来检测逆变器直流侧电容电压和中点电流变化情况来控制逆变器直流侧上下电容电压的平衡；另一方面，在控制逆变器直流侧上下电容电压的平衡时，需要利用电压传感器和电流传感器检测回来的信号来建立复杂的数学模型。这不仅会增加系统的设备成本，而且还会增加对逆变器直流侧中点电位平衡控制的计算量和算法实现的复杂性。

发明内容

本发明的目的是要提供一种二极管钳位型三电平逆变器直流侧中点电位平衡控制方法，该方法无需增加反馈控制环节，实现对三电平逆变器直流侧上下电容电压的平衡控制。

本发明的目的是这样实现的：本发明三电平逆变器直流侧中点电位平衡控制方法为，将参考电压矢量U_ref经过修正分解后得到其对应的两电平分矢量U＇_ref，利用统一快速算法得到两电平分量对应的有效时间T_eff以及三相桥臂的假想开关时刻T_as、T_bs、T_cs，并计算有效时间T_eff的最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin，再利用随机函数f(t)得到最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin之间的某一个偏移时间值T_offset，以此实现在不同开关周期T_s内对不同正负小矢量设置不同的时间分配，来增加相应的正负小矢量对逆变器直流侧中点电流的控制能力，实现对三电平逆变器直流侧上下电容电压的平衡控制；具体实现步骤为：

步骤一：将三电平空间矢量图分为六个扇区，以相邻两个中矢量之间所夹的区域为一个扇区S，并分别编号为1～6；

步骤二：将参考电压矢量U_ref的α轴分量U_refα和β轴分量U_refβ利用下式的矩阵变换得到三相静止坐标系abc中的三相分量U_refa、U_refb、U_refc：

步骤三：根据下表判断参考电压矢量U_ref所在的扇区：

扇区S	判别条件
		1	Urefa>0&Urefb<0&Urefc<0
2	Urefa>0&Urefb>0&Urefc<0
		3	Urefa<0&Urefb>0&Urefc<0
4	Urefa<0&Urefb>0&Urefc>0
		5	Urefa<0&Urefb<0&Urefc>0
6	Urefa>0&Urefb<0&Urefc>0

步骤四：根据参考电压矢量U_ref所在扇区的中心矢量U_base，将参考电压矢量U_ref进行修正分解为中心矢量U_base和两电平分矢量U＇_ref，并且不同扇区对应的中心矢量的三相分量是不同的，具体如下表所示：

扇区S	Ubasea	Ubaseb	Ubasec
				1	Udc/3	﹣Udc/6	﹣Udc/6
2	Udc/6	Udc/6	﹣Udc/3
				3	﹣Udc/6	Udc/3	﹣Udc/6
4	﹣Udc/3	Udc/6	Udc/6
				5	﹣Udc/6	Udc/3	﹣Udc/6
6	Udc/6	﹣Udc/3	Udc/6

步骤五：利用下式可得到两电平分矢量U＇_ref的三相的值U＇_refa、U＇_refb、U＇_refc：

U'_ref＝U_ref-U_base

U_ref＝[U_refa U_refb U_refc]^T

U_r'_ef＝[U'_refa U'_refb U'_refc]^T

U_base＝[U_basea U_baseb U_basec]^T

U_r'_efa＝U_refa-U_basea

U'_refb＝U_refb-U_baseb

U′_refc＝U_refc-U_basec

步骤六：利用统一快速算法，将两电平分矢量U＇_ref的三相的值经过下式处理后可得到对应的两电平分矢量的三相桥臂的假想开关时刻T_as、T_bs、T_cs：

T_max＝max(T_as,T_bs,T_cs)

T_min＝min(T_as,T_bs,T_cs)

T_eff＝T_max-T_min

其中，U_dc表示三电平逆变器直流侧电压，x∈(a，b，c)，T_max和T_min分别表示三相桥臂的假想开关时刻中的最大值和最小值，T_eff为有效时间，所谓的有效时间，指的是逆变器在一个开关周期T_s内三相桥臂的输出电平数不同时的时间段；

步骤七：利用下式可得到有效时间T_eff的最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin，并定义某函数f(t)，利用此函数的特性来求得有效时间T_eff在最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin之间的某一个随机的偏移时间T_offset：

T_offsetmin＝-T_min

f(t)＝rand(1)

T_offset＝T_offsetmin+(T_offsetmax-T_offsetmin)·f(t)

其中，f(t)表示从0到1之间的随机数；

步骤八：利用下式可得到对应的两电平分矢量的三相桥臂的实际开通时刻T_ga、T_gb、T_gc：

T_gx＝T_ax+T_offset

其中，x∈(a，b，c)；

步骤九：由步骤八得到的两电平分矢量的开关状态，它只有(0，1)两种，当驱动二极管钳位型三电平逆变器工作就需要对修正后的两电平分矢量所在扇区的开关状态进行反修正，即加上所在扇区区域中心矢量的一组开关状态；根据步骤一和步骤二的扇区划分方法，1～6扇区对应的中心矢量的开关状态如下表所示：

扇区S	中心矢量开关状态
		1	100
2	110
		3	010
4	011
		5	001
6	101

其中，0、1、2分别表示三电平逆变器每相n、o、p输出电平，利用上表列出的不同扇区对应的中心矢量的开关状态就可以对所有的两电平分矢量的开关状态完成反修正过程；

步骤十：根据步骤九获得的开关状态，计算三电平逆变器中各路功率开关管的开关信号的占空比；

步骤十一：配置数字信号处理器的定时器1，用于产生5kHz高频的三角载波信号；

步骤十二：根据步骤十得到的三电平逆变器中各路功率管开关的开关信号占空比计算并更新数字信号处理器中比较寄存器的值，从而在数字信号处理器的事件管理器A中产生6路脉冲，再利用现场可编程门阵列对从数字信号处理器发出的6路脉冲进行取反，得到12路脉冲驱动二极管钳位型三电平逆变器工作，完成对三电平逆变器空间矢量调制和直流侧上下电容电压平衡控制的过程。

有益效果，由于采用了上述方案，无需增加反馈控制环节，通过利用统一快速算法和随机函数来产生随机的偏移时间T_offset，使其在不同开关周期T_s内对不同小矢量设置不同的时间分配，来增加相应的正或负小矢量对中点电流的控制能力，可简单、有效的实现对二极管钳位型三电平逆变器直流侧上下电容电压的平衡控制。

优点：原理简单，结构清晰，只需利用统一快速算法和随机函数的特性调整偏移时间参数T_offset的值便可使逆变器直流侧上下电容电压得到有效的平衡控制。

附图说明

图1为本发明二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制方法流程图。

图2为本发明三电平逆变器主拓扑结构图。

图3为本发明三电平逆变器空间电压矢量分布以及对应的扇区划分图。

图4为本发明参考电压矢量处于扇区S＝1时的修正分解原理图。

图5为本发明统一快速算法原理图。

图6为本发明T_offset对应的最大、中间、最小值图。

图7为本发明随机函数特性曲线图。

图8为本发明调制度m_a＝0.9时逆变器线电压U_ab和相电流i_a的仿真波形图。

图9为本发明调制度m_a＝0.9时逆变器线直流侧上下电容电压u_c1、u_c2的仿真波形图。

图10为本发明调制度m_a＝0.3时逆变器线电压U_ab和相电流i_a的仿真波形图。

图11为本发明调制度m_a＝0.3时逆变器线直流侧上下电容电压u_c1、u_c2的仿真波形图。

图12为本发明调制度m_a＝0.9时逆变器线电压U_ab和相电流i_a的实验波形图。

图13为本发明调制度m_a＝0.9时逆变器线直流侧上下电容电压u_c1、u_c2的实验波形图。

图14为本发明调制度m_a＝0.3时逆变器线电压U_ab和相电流i_a的实验波形图。

图15为本发明调制度m_a＝0.3时逆变器线直流侧上下电容电压u_c1、u_c2的实验波形图。

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明所实施方式作进一步说明，本实施方式所述的一种新的二极管钳位型三电平逆变器直流侧中点电位平衡的控制方法，是基于无反馈模型的，该方法为：首先将三电平空间矢量图分为六个扇区，判断参考电压矢量所处的扇区后，将参考电压矢量进行修正分解为所处扇区的中心矢量和两电平分矢量，得到两电平分矢量在三相静止坐标系abc中的三相的值，利用统一快速算法将两电平分矢量三相的值转化为相对应的三相桥臂的假想开关时刻，进而得到有效时间，利用随机函数将有效时间进行随机置放，实现在不同开关周期T_s内对不同正负小矢量设置不同的时间分配，来增加相应的正负小矢量对逆变器直流侧中点电流的控制能力，实现对三电平逆变器直流侧上下电容电压的平衡控制。

该方法由数字信号处理器及现场可编程门阵列实现，具体包括以下步骤：

步骤一：将三电平空间矢量图分为六个扇区，以相邻两个中矢量之间所夹的区域为一个扇区S，并分别编号为1～6；

步骤二：将参考电压矢量U_ref的α轴分量U_refα和β轴分量U_refβ利用下式的矩阵变换得到三相静止坐标系abc中的三相分量U_refa、U_refb、U_refc：

步骤三：根据下表判断参考电压矢量U_ref所在的扇区：

扇区S	判别条件
		1	Urefa>0&Urefb<0&Urefc<0
2	Urefa>0&Urefb>0&Urefc<0
		3	Urefa<0&Urefb>0&Urefc<0
4	Urefa<0&Urefb>0&Urefc>0
		5	Urefa<0&Urefb<0&Urefc>0
6	Urefa>0&Urefb<0&Urefc>0

步骤四：根据参考电压矢量U_ref所在扇区的中心矢量U_base，将参考电压矢量U_ref进行修正分解为中心矢量U_base和两电平分矢量U＇_ref，并且不同扇区对应的中心矢量的三相分量是不同的，具体如下表所示：

扇区S	Ubasea	Ubaseb	Ubasec
				1	Udc/3	﹣Udc/6	﹣Udc/6
2	Udc/6	Udc/6	﹣Udc/3
				3	﹣Udc/6	Udc/3	﹣Udc/6
4	﹣Udc/3	Udc/6	Udc/6
				5	﹣Udc/6	Udc/3	﹣Udc/6
6	Udc/6	﹣Udc/3	Udc/6

步骤五：利用下式可得到两电平分矢量U＇_ref的三相的值U＇_refa、U＇_refb、U＇_refc：

U'_ref＝U_ref-U_base

U_ref＝[U_refa U_refb U_refc]^T

U'_ref＝[U'_refa U'_refb U'_refc]^T

U_base＝[U_basea U_baseb U_basec]^T

U'_refa＝U_refa-U_basea

U'_refb＝U_refb-U_baseb

U'_refc＝U_refc-U_basec

步骤六：利用统一快速算法，将两电平分矢量U＇_ref的三相的值经过下式处理后可得到对应的两电平分矢量的三相桥臂的假想开关时刻T_as、T_bs、T_cs：

T_max＝max(T_as,T_bs,T_cs)

T_min＝min(T_as,T_bs,T_cs)

T_eff＝T_max-T_min

其中，U_dc表示三电平逆变器直流侧电压，x∈(a，b，c)，T_max和T_min分别表示三相桥臂的假想开关时刻中的最大值和最小值，T_eff为有效时间，所谓的有效时间，指的是逆变器在一个开关周期T_s内三相桥臂的输出电平数不同时的时间段；

步骤七：利用下式可得到有效时间T_eff的最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin，并定义某函数f(t)，利用此函数的特性来求得有效时间T_eff在最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin之间的某一个随机的偏移时间T_offset：

T_offsetmin＝-T_min

f(t)＝rand(1)

T_offset＝T_offsetmin+(T_offsetmax-T_offsetmin)·f(t)

其中，f(t)表示从0到1之间的随机数；

步骤八：利用下式可得到对应的两电平分矢量的三相桥臂的实际开通时刻T_ga、T_gb、T_gc：

T_gx＝T_ax+T_offset

其中，x∈(a，b，c)；

步骤九：由步骤八得到的两电平分矢量的开关状态，它只有(0，1)两种，如果要驱动二极管钳位型三电平逆变器工作就需要对修正后的两电平分矢量所在扇区的开关状态进行反修正，即加上所在扇区区域中心矢量的一组开关状态。根据步骤一和步骤二的扇区划分方法，1～6扇区对应的中心矢量的开关状态如下表所示：

扇区S	中心矢量开关状态
		1	100
2	110
		3	010
4	011
		5	001
6	101

其中，0、1、2分别表示三电平逆变器每相n、o、p输出电平，利用上表列出的不同扇区对应的中心矢量的开关状态就可以对所有的两电平分矢量的开关状态完成反修正过程；

步骤十：根据步骤九获得的开关状态，计算三电平逆变器中各路功率开关管的开关信号的占空比；

步骤十一：配置数字信号处理器的定时器1，用于产生5kHz高频的三角载波信号；

步骤十二：根据步骤十得到的三电平逆变器中各路功率管开关的开关信号占空比计算并更新数字信号处理器中比较寄存器的值，从而在数字信号处理器的事件管理器A中产生6路脉冲，再利用现场可编程门阵列对从数字信号处理器发出的6路脉冲进行取反，得到12路脉冲驱动二极管钳位型三电平逆变器工作，完成对三电平逆变器空间矢量调制和直流侧上下电容电压平衡控制的过程。

由仿真波形及实验波形可知，采用此控制方法控制三电平逆变器运行时，AB相线电压波形、A相电流波形良好，逆变器直流侧的上下两电容电压的波动范围小，大小基本相等，在低调制度时逆变器直流侧上下两电容电压的波动比在高调制度下的波动更小。

Claims (1)

1.一种二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，方法的具体步骤为：

步骤一：将三电平空间矢量图分为六个扇区，以相邻两个中矢量之间所夹的区域为一个扇区S，并分别编号为1～6；

步骤二：将参考电压矢量U_ref的α轴分量U_refα和β轴分量U_refβ利用下式的矩阵变换得到三相静止坐标系abc中的三相分量U_refa、U_refb、U_refc：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{refa}\\ U_{refb}\\ U_{refc}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{ref\mathrm{\α}}\\ U_{ref\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

步骤三：根据下表判断参考电压矢量U_ref所在的扇区：

扇区S 判别条件 1 U_refa>0&U_refb<0&U_refc<0 2 U_refa>0&U_refb>0&U_refc<0 3 U_refa<0&U_refb>0&U_refc<0 4 U_refa<0&U_refb>0&U_refc>0 5 U_refa<0&U_refb<0&U_refc>0 6 U_refa>0&U_refb<0&U_refc>0

步骤四：根据参考电压矢量U_ref所在扇区的中心矢量U_base，将参考电压矢量U_ref进行修正分解为中心矢量U_base和两电平分矢量U＇_ref，并且不同扇区对应的中心矢量的三相分量是不同的，具体如下表所示：

扇区S U_basea U_baseb U_basec 1 U_dc/3 ﹣U_dc/6 ﹣U_dc/6 2 U_dc/6 U_dc/6 ﹣U_dc/3 3 ﹣U_dc/6 U_dc/3 ﹣U_dc/6 4 ﹣U_dc/3 U_dc/6 U_dc/6 5 ﹣U_dc/6 U_dc/3 ﹣U_dc/6 6 U_dc/6 ﹣U_dc/3 U_dc/6

步骤五：利用下式可得到两电平分矢量U＇_ref的三相的值U＇_refa、U＇_refb、U＇_refc：

U＇_ref＝U_ref-U_base

U_ref＝[U_refa U_refb U_refc]^T

U＇_ref＝[U＇_refa U＇_refb U＇_refc]^T

U_base＝[U_basea U_baseb U_basec]^T

U＇_refa＝U_refa-U_basea

U＇_refb＝U_refb-U_baseb

U＇_refc＝U_refc-U_basec

步骤六：利用统一快速算法，将两电平分矢量U＇_ref的三相的值经过下式处理后可得到对应的两电平分矢量的三相桥臂的假想开关时刻T_as、T_bs、T_cs：

$T_{xs}=\frac{U_{refx}^{\&prime;}}{U_{dc}}\&CenterDot;T_s$

T_max＝max(T_as,T_bs,T_cs)

T_min＝min(T_as,T_bs,T_cs)

T_eff＝T_max-T_min

其中，U_dc表示三电平逆变器直流侧电压，x∈(a，b，c)，T_max和T_min分别表示三相桥臂的假想开关时刻中的最大值和最小值，T_eff为有效时间，所谓的有效时间，指的是逆变器在一个开关周期T_s内三相桥臂的输出电平数不同时的时间段；

步骤七：利用下式可得到有效时间T_eff的最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin，并定义某函数f(t)，利用此函数的特性来求得有效时间T_eff在最大偏移时间T_offsetmax和最小偏移时间T_offsetmin之间的某一个随机的偏移时间T_offset：

T_offsetmin＝-T_min

$T_{offset\max }=\frac{T_s}{2}-T_{max}$

f(t)＝rand(1)

T_offset＝T_offsetmin+(T_offsetmax-T_offsetmin)·f(t)

其中，f(t)表示从0到1之间的随机数；

步骤八：由于利用统一快速算法得到的逆变器三相桥臂的假想开关时刻T_as、T_bs、T_cs有正有负，而实际的逆变器三相桥臂的实际开关时刻必须是大于0的，所以需要利用下式将三相桥臂的假想开关时刻T_as、T_bs、T_cs加上随机的偏移时间T_offset来得到对应的两电平分矢量的三相桥臂的实际开关时刻：

T_ga＝T_as+T_offset

T_gb＝T_bs+T_offset

T_gc＝T_cs+T_offset

其中，T_ga、T_gb、T_gc分别表示两电平分矢量的三相桥臂的实际开关时刻；

步骤九：由步骤八得到的三相桥臂的实际开关时刻去驱动二极管钳位型三电平逆变器时只能产生0、1两种开关状态，如果要驱动二极管钳位型三电平逆变器输出三种开关状态0、1、2，那么就需要对修正后的两电平分矢量U＇_ref所在扇区所产生的开关状态进行反修正，即加上所在扇区区域中心矢量的一组开关状态；根据步骤一和步骤二的扇区划分方法，1～6扇区对应的中心矢量的开关状态如下表所示：

扇区S 中心矢量开关状态 1 100 2 110 3 010 4 011 5 001 6 101

其中，0、1、2分别表示三电平逆变器每相输出电平为-U_dc/2、0、U_dc/2，利用上表列出的不同扇区对应的中心矢量的开关状态就可以对所有的两电平分矢量的开关状态完成反修正过程；

步骤十：根据步骤九获得的开关状态，计算三电平逆变器中各路功率开关管的开关信号的占空比；

步骤十一：配置数字信号处理器的定时器1，用于产生5kHz高频的三角载波信号；

步骤十二：根据步骤十得到的三电平逆变器中各路功率开关管的开关信号占空比计算并更新数字信号处理器中比较寄存器的值，从而在数字信号处理器的事件管理器A中产生6路脉冲，再利用现场可编程门阵列对从数字信号处理器发出的6路脉冲进行取反，得到12路脉冲驱动二极管钳位型三电平逆变器工作，完成对三电平逆变器空间矢量调制和直流侧上下电容电压平衡控制的过程。