CN105391330A - 一种三电平逆变器及其母线电压平衡控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种三电平逆变器及其母线电压平衡控制方法和控制装置，其中，该控制方法包括：在三电平逆变器停机状态下，若判断得到VPos-VNeg＞Vthrs，则控制S2和S0互补导通并保持S1关断，直至VPos-VNeg≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；以及，若判断得到VNeg-VPos＞Vthrs，则控制S1和S0互补导通并保持S2关断，直至VNeg-VPos≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；其中，S2、S0、S1分别表示三电平逆变器输出电平+VPos、0、-VNeg时对应导通的开关管。本申请实现了在不增加硬件成本的前提下，使三电平逆变器快速恢复母线电压平衡状态。

Description

一种三电平逆变器及其母线电压平衡控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种三电平逆变器及其母线电压平衡控制方法和控制装置。

背景技术

三电平逆变器的主电路结构如图1所示，包括三电平逆变桥100、输出滤波电路200、并网开关300、正母线电容C2和负母线电容C1等，其中：C2和C1串联起来支撑并平衡母线电压(即三电平逆变桥100的直流侧电压)；所谓母线电压平衡，是指正母线电压VPos与负母线电压-VNeg的模值相等，工程上认为只要两者偏差不超过最大允许偏差值Vthrs即可视为母线电压平衡。

在三电平逆变器并网运行过程中，由于电网故障等原因可能造成母线电压不平衡并保护停机，三电平逆变器需等到母线电压恢复平衡后再重新启动，否则可能会因启动运行过程中三电平逆变桥100中的开关管承受的电压应力过大而造成开关管过压损坏。

传统的恢复母线电压平衡的方法是在C2和C1上各自并联一个放电电路，共同构成母线电压平衡电路400，如图2所示，其中：C2上并联的放电电路由开关S22和电阻R2串联构成，C1上并联的放电电路由开关S11和电阻R1串联构成；当VPos-VNeg＞Vthrs时，就闭合S22，通过R2对C2进行放电，直至VPos-VNeg≤Vthrs；当VNeg-VPos＞Vthrs时，就闭合S11，通过R1对C1进行放电，直至VNeg-VPos≤Vthrs。该方法原理简单，但由于放电电路的功率限制，其放电速度缓慢，通常为分钟级，因而重启等待时间较长；且增加了硬件成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种三电平逆变器及其母线电压平衡控制方法和控制装置，以实现在不增加硬件成本的前提下，使三电平逆变器快速恢复母线电压平衡状态。

一种三电平逆变器的母线电压平衡控制方法，包括：

在三电平逆变器停机状态下，若判断得到VPos-VNeg＞Vthrs，则控制S2和S0互补导通并保持S1关断，直至VPos-VNeg≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；以及，若判断得到VNeg-VPos＞Vthrs，则控制S1和S0互补导通并保持S2关断，直至VNeg-VPos≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；

其中，VPos和VNeg分别表示三电平逆变器正、负母线电压的模值；Vthrs表示VPos与VNeg间的最大允许偏差值；S2表示三电平逆变器输出电平为+VPos时对应导通的开关管，S0表示三电平逆变器输出电平为0时对应导通的开关管，S1表示三电平逆变器输出电平为-VNeg时对应导通的开关管。

其中，所述控制S2和S0互补导通并保持S1关断，和所述控制S1和S0互补导通并保持S2关断，均采用的是两电平空间矢量脉宽调制策略。

可选地，在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，和判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，均还包括：设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值。

可选地，在恢复三电平逆变器停机状态前，还包括：将所述调制度从所述设定值开始按照一定的斜率逐渐降低至0。

一种三电平逆变器的母线电压平衡控制装置，包括：

判断单元，用于在三电平逆变器停机状态下，判断是否有VPos-VNeg＞Vthrs或VNeg-VPos＞Vthrs；其中，VPos和VNeg分别表示三电平逆变器正、负母线电压的模值，Vthrs表示VPos与VNeg间的最大允许偏差值；

第一处理单元，用于在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，控制S2和S0互补导通并保持S1关断，直至VPos-VNeg≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；其中，S2表示三电平逆变器输出电平为+VPos时对应导通的开关管，S0表示三电平逆变器输出电平为0时对应导通的开关管，S1表示三电平逆变器输出电平为-VNeg时对应导通的开关管；

第二处理单元，用于在判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，控制S1和S0互补导通并保持S2关断，直至VNeg-VPos≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态。

其中，所述第一处理单元和所述第二处理单元均为采用两电平空间矢量脉宽调制策略的单元。

可选地，所述第一处理单元为在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，还设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值的单元；

所述第二处理单元为在判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，还设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至所述设定值的单元。

可选地，所述第一处理单元和所述第二处理单元均为在恢复三电平逆变器停机状态前，还将所述调制度从所述设定值开始按照一定的斜率逐渐降低至0的单元。

一种三电平逆变器，包括如上述公开的任一种母线电压平衡控制装置。

其中，所述三电平逆变器为单相三电平逆变器或三相三电平逆变器。

从上述的技术方案可以看出，在母线电压不平衡时，本发明通过使能三电平逆变器开环工作在输出电平为+VPos和0的两电平模式或是输出电平为-VNeg和0的两电平模式下，来对相应母线电容进行放电，以平衡母线电压，相较于现有技术，本发明中参与放电的功率器件均为三电平逆变器本身的硬件且功率等级也相对较高，因此母线电容放电速度快且不会带来硬件成本的增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种三电平逆变器主电路结构示意图；

图2为现有技术公开的一种带母线电压平衡电路的三电平逆变器主电路结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种三电平逆变器的母线电压平衡控制方法流程图；

图4为本发明实施例公开的又一种三电平逆变器的母线电压平衡控制方法流程图；

图5为本发明实施例公开的一种三电平逆变器的母线电压平衡控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图3，本发明实施例公开了一种三电平逆变器的母线电压平衡控制方法，以实现在不增加硬件成本的前提下，使三电平逆变器快速恢复母线电压平衡状态，包括：

步骤301：在三电平逆变器停机状态下，获取VPos和VNeg，其中，VPos和VNeg分别表示三电平逆变器正、负母线电压的模值；

其中，参见图1，所谓三电平逆变器停机状态，是指并网开关300以及三电平逆变桥100中的开关管均处于断开状态。

步骤302：判断是否有|VPos-VNeg|＞Vthrs，其中Vthrs表示VPos与VNeg间的最大允许偏差值；

若|VPos-VNeg|＞Vthrs，说明三电平逆变器母线电压不平衡，在三电平逆变器启动前有必要对正母线电容C2或负母线电容C1进行放电，此时进入步骤303；

步骤303：判断是否有VPos>VNeg；

若VPos>VNeg，说明VPos-VNeg＞Vthrs，在三电平逆变器启动前需要对正母线电容C2进行放电，此时进入步骤304；

否则，说明VNeg-VPos＞Vthrs，在三电平逆变器启动前需要对负母线电容C1进行放电，此时进入步骤305；

步骤304：控制S2和S0互补导通，并保持S1关断，直至VPos-VNeg≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态，至此，本轮逻辑控制结束；其中，S2表示三电平逆变器输出电平为+VPos时对应导通的开关管，S0表示三电平逆变器输出电平为0时对应导通的开关管，S1表示三电平逆变器输出电平为-VNeg时对应导通的开关管；

具体的，对于三电平逆变器来说，当S2导通、S0和S1关断时，三电平逆变器输出电平为+VPos；当S0导通、S2和S1关断时，三电平逆变器输出电平为0。在控制S2和S0互补导通、并保持S1关断的过程中，三电平逆变器以C2支撑三电平逆变桥100直流侧电压，输入的直流电经三电平逆变桥100逆变、输出滤波电路200滤波后交替输出电平+VPos和0，从而利用电流流经三电平逆变桥100时产生的开关管损耗以及流经输出滤波电路200时产生的电抗器电容器损耗即可对C2进行放电，无需额外增加硬件；并且，相对于现有技术，由于三电平逆变桥100和输出滤波电路200的功率等级相对较高，因此C2放电速度很快。

步骤305：控制S1和S0互补导通，并保持S2关断，直至VNeg-VPos≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态，至此，本轮逻辑控制结束；

具体的，对于三电平逆变器来说，当S1导通、S0和S2关断时，三电平逆变器输出电平为-VNeg；当S0导通、S2和S1关断时，三电平逆变器输出电平为0。在控制S1和S0互补导通、并保持S2关断的过程中，三电平逆变器以C1支撑三电平逆变桥100直流侧电压，输入的直流电经三电平逆变桥100逆变、输出滤波电路200滤波后交替输出电平-VNeg和0，从而利用电流流经三电平逆变桥100时产生的开关管损耗以及流经输出滤波电路200时产生的电抗器电容器损耗即可对C1进行放电，无需额外增加硬件；并且，相对于现有技术，由于三电平逆变桥100和输出滤波电路200的功率等级相对较高，因此C1放电速度很快。

通过上述描述可知，本实施例在VPos-VNeg＞Vthrs时，通过使能三电平逆变器开环工作在输出电平为+VPos和0的两电平模式下，对C2进行放电；以及在VNeg-VPos＞Vthrs时，通过使能三电平逆变器开环工作在输出电平为-VNeg和0的两电平模式下，对C1进行放电，以达到平衡母线电压的目的。相对于现有技术，由于参与放电的功率器件均为三电平逆变器自身的硬件且功率等级也相对较高，因此母线电容放电速度快且不会增加硬件成本。待母线电压恢复平衡后再按照正常开机逻辑启动三电平逆变器，即可使之并网运行在输出电平为+VPos、-VNeg和0的三电平模式下。

其中，作为优选，本实施例优先采用两电平SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation，空间矢量脉宽调制)策略来使能三电平逆变器开环工作在两电平模式下。相较于其他调制策略，SVPWM调制策略可以在相同直流侧电压下提高逆变桥100的桥臂输出电压幅值，进而使得电流流经开关管、电抗器、电容器等时产生的功率损耗更高，母线电容放电速度也就更快。

基于上述技术方案，参见图4，本发明实施例公开了又一种三电平逆变器的母线电压平衡控制方法，以实现在不增加硬件成本的前提下，使三电平逆变器快速恢复母线电压平衡状态，包括：

步骤401：在三电平逆变器停机状态下，获取VPos和VNeg，其中，VPos和VNeg分别表示三电平逆变器正、负母线电压的模值；

步骤402：判断是否有|VPos-VNeg|＞Vthrs，其中Vthrs表示VPos与VNeg间的最大允许偏差值；若|VPos-VNeg|＞Vthrs，进入步骤403；

步骤403：判断是否有VPos>VNeg；若VPos>VNeg，进入步骤404；否则，进入步骤407；

步骤404：控制S2和S0互补导通，并保持S1关断，同时设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值m1；

步骤405：判断是否有VPos-VNeg≤Vthrs，若VPos-VNeg≤Vthrs，进入步骤406；否则，返回步骤404；

步骤406：将所述调制度从m1开始按照一定的斜率逐渐降低至0，之后恢复三电平逆变器停机状态；至此，本轮逻辑控制结束。

步骤407：控制S1和S0互补导通，并保持S2关断，同时设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值m1；

步骤408：判断是否有VNeg-VPos≤Vthrs，若VNeg-VPos≤Vthrs，进入步骤409；否则返回步骤407；

步骤409：将所述调制度从m1开始按照一定的斜率逐渐降低至0，之后恢复三电平逆变器停机状态，至此，本轮逻辑控制结束。

相较于图3所示技术方案，图4所示技术方案在使能三电平逆变器开环工作在两电平模式时，还将其调制度给定为一较高值m1(m1≤1)，调制度m1越高，三电平逆变桥100的桥臂输出电压幅值就越高、桥臂输出电流就越大，电流流经开关管、电抗器、电容器等时产生的功率损耗就越大，母线电容放电速度也就越快；但为了防止三电平逆变桥100的桥臂输出电压陡升而造成输出滤波电路200中的电容器受到较大的电流冲击和电压冲击，出现损坏，本实施例设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值m1。

同理，在母线电压恢复平衡时，也可以在将所述调制度从m1开始按照一定的斜率逐渐降低至0后，才恢复三电平逆变器停机状态，以防止三电平逆变桥100的桥臂输出电压陡降而造成输出滤波电路200中的电容器受到较大的电流冲击和电压冲击，出现损坏。

此外，参见图5，本发明实施例还公开了一种三电平逆变器及其母线电压平衡控制装置，以实现在不增加硬件成本的前提下，使三电平逆变器快速恢复母线电压平衡状态，包括：

判断单元501，用于在三电平逆变器停机状态下，判断是否有VPos-VNeg＞Vthrs或VNeg-VPos＞Vthrs；其中，VPos和VNeg分别表示三电平逆变器正、负母线电压的模值；Vthrs表示VPos与VNeg间的最大允许偏差值；

第一处理单元502，用于在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，控制S2和S0互补导通，并保持S1关断，直至VPos-VNeg≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；其中，S2表示三电平逆变器输出电平为+VPos时对应导通的开关管，S0表示三电平逆变器输出电平为0时对应导通的开关管，S1表示三电平逆变器输出电平为-VNeg时对应导通的开关管；

第二处理单元503，用于在判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，控制S1和S0互补导通，并保持S2关断，直至VNeg-VPos≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态。

其中，第一处理单元502和第二处理单元503均为采用两电平SVPWM调制策略的单元。

可选地，第一处理单元为502在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，还设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值的单元；

第二处理单元503为在判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，还设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至所述设定值的单元。

可选地，第一处理单元502和第二处理单元503均为在恢复三电平逆变器停机状态前，还将所述调制度从所述设定值开始按照一定的斜率逐渐降低至0的单元。

此外，本发明实施例还公开了一种三电平逆变器，它包括上述公开的任一种母线电压平衡控制装置，以实现在不增加硬件成本的前提下，使三电平逆变器快速恢复母线电压平衡状态。

其中，所述三电平逆变器可以是单相三电平逆变器、三相三电平逆变器等，并不局限。

综上所述，在母线电压不平衡时，本发明通过使能三电平逆变器开环工作在输出电平为+VPos和0的两电平模式或是输出电平为-VNeg和0的两电平模式下，来对相应母线电容进行放电，以平衡母线电压，相较于现有技术，本发明中参与放电的功率器件均为三电平逆变器本身的硬件且功率等级也相对较高，因此母线电容放电速度快且不会带来硬件成本的增加。待母线电压恢复平衡后再按照正常开机逻辑启动三电平逆变器，即可使之并网运行在输出电平为+VPos、-VNeg和0的三电平模式下。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种三电平逆变器的母线电压平衡控制方法，其特征在于，包括：

在三电平逆变器停机状态下，若判断得到VPos-VNeg＞Vthrs，则控制S2和S0互补导通并保持S1关断，直至VPos-VNeg≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；以及，若判断得到VNeg-VPos＞Vthrs，则控制S1和S0互补导通并保持S2关断，直至VNeg-VPos≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；

其中，VPos和VNeg分别表示三电平逆变器正、负母线电压的模值；Vthrs表示VPos与VNeg间的最大允许偏差值；S2表示三电平逆变器输出电平为+VPos时对应导通的开关管，S0表示三电平逆变器输出电平为0时对应导通的开关管，S1表示三电平逆变器输出电平为-VNeg时对应导通的开关管。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制S2和S0互补导通并保持S1关断，和所述控制S1和S0互补导通并保持S2关断，均采用的是两电平空间矢量脉宽调制策略。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，和判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，均还包括：

设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在恢复三电平逆变器停机状态前，还包括：

将所述调制度从所述设定值开始按照一定的斜率逐渐降低至0。

5.一种三电平逆变器的母线电压平衡控制装置，其特征在于，包括：

判断单元，用于在三电平逆变器停机状态下，判断是否有VPos-VNeg＞Vthrs或VNeg-VPos＞Vthrs；其中，VPos和VNeg分别表示三电平逆变器正、负母线电压的模值，Vthrs表示VPos与VNeg间的最大允许偏差值；

第一处理单元，用于在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，控制S2和S0互补导通并保持S1关断，直至VPos-VNeg≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态；其中，S2表示三电平逆变器输出电平为+VPos时对应导通的开关管，S0表示三电平逆变器输出电平为0时对应导通的开关管，S1表示三电平逆变器输出电平为-VNeg时对应导通的开关管；

第二处理单元，用于在判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，控制S1和S0互补导通并保持S2关断，直至VNeg-VPos≤Vthrs时才恢复三电平逆变器停机状态。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述第一处理单元和所述第二处理单元均为采用两电平空间矢量脉宽调制策略的单元。

7.根据权利要求5或6所述的控制装置，其特征在于，所述第一处理单元为在判断得到VPos-VNeg＞Vthrs时，还设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至设定值的单元；

所述第二处理单元为在判断得到VNeg-VPos＞Vthrs时，还设定三电平逆变器的调制度从0开始按照一定的斜率逐渐上升至所述设定值的单元。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述第一处理单元和所述第二处理单元均为在恢复三电平逆变器停机状态前，还将所述调制度从所述设定值开始按照一定的斜率逐渐降低至0的单元。

9.一种三电平逆变器，其特征在于，包括如权利要求5-8中任一项所述的母线电压平衡控制装置。

10.根据权利要求9所述的三电平逆变器，其特征在于，所述三电平逆变器为单相三电平逆变器或三相三电平逆变器。