CN105406744B - 用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法，当由三电平电力变换器的期望输出电压构成的参考电压矢量位于相邻主扇区的重叠区域中时，在选中主扇区与未选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中小矢量所对应的输出电平组合中，与同一小矢量对应的两个输出电平组合中仅有其中一个出现的输出电平组合所对应的中点电流与其作用时间的积分的代数和之间的差值的符号与所述三电平电力变换器中点电位的偏移折算出的电荷数量符号相同。本发明可以简单、便捷地通过改变主扇区编号实现对三电平电力变换器中点电位的平衡控制。

Description

用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种三电平电力变换器的控制方法，具体涉及一种用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法。

背景技术

与传统两电平变换器相比，三电平电力变换器具有功率器件承受电压应力小、电压变化率dv/dt小、输出波形谐波特性好、开关频率低和效率高等优点，特别适用于高压大容量功率变换场合。但是，三电平电力变换器在运行过程中，其直流电容的中点电位会发生波动，若不加以适当的限制，中点电位的波动会导致三电平电力变换器输出性能的降低、甚至会引发三电平电力变换器的功率模块过压烧毁等严重故障。因此，需要对三电平电力变换器的中点电位波动进行适当控制。

目前，对于基于空间矢量控制的三电平电力变换器的中点电位平衡控制问题，文献1(ANew Simplified Space-Vector PWM Method for Three-Level Inverters,IEEETrans.Power Electronics,Vol.16,No.4,July 2001)指出可以采用改变开关顺序(Changing the Switching Sequence)和重新排列冗余电压矢量的时间分布(Rearrangingthe time distribution of redundant voltage vectors)两种方法对三电平电力变换器的中点电位进行平衡控制。第一种方法是通过改变由三电平电力变换器的期望输出电压构成的参考电压矢量所在主扇区编号来改变最终的输出电平组合(即输出电平组合的改变是通过改变开关序列来实现)，算法简单、易于实现；第二种方法根据三电平电力变换器的中点电位偏移情况对对三电平电力变换器的小矢量作用时间进行调整，使得在对应于小矢量的中点电流的作用下三电平电力变换器的中点电位偏移得到抑制，但该方法较为复杂、计算量相对第一种方法要大。

文献1在阐述第一种方法时，仅是指出当负载电流(此处的负载电流即后文中的中点电流)流出直流电容时，负载电流对下电容放电，同时对上电容充电；反之亦然。因此可根据中点电位偏移情况来改变主扇区编号。但是，但每个PWM(脉冲宽度调制)周期内，三电平电力变换器具有多种不同的输出电平组合，相应的具有多种不同的中点电流情况：中点电流可能是流入直流电容器，也可能是流出电容器；对应不同输出电平组合的中点电流的大小也通常是不同的。因此，在一个PWM周期内，对应于不同输出电平组合的中点电流对三电平电力变换器的中点电位的总的作用并不能简单地根据中点电流是流入或是流出直流电容器来判定。因此，虽然文献1指出了可以通过改变参考电压矢量所在主扇区编号来实现对三电平电力变换器的中点电位进行平衡控制，但并未给出切实可行的实现方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于选定参考电压矢量所在主扇区编号的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，该方法根据对应于不同输出电平组合的中点电流对三电平电力变换器的中点电位的总的作用的判定结果以及三电平电力变换器的中点电位的偏移情况选择适当的参考电压矢量所在主扇区编号实现对三电平电力变换器的中点电位进行平衡控制。

为解决上述技术问题，本发明用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法为：

当由三电平电力变换器的期望输出电压构成的参考电压矢量位于相邻主扇区的重叠区域中时，选中主扇区，使得选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流与其作用时间的积分的代数和，与未选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流与其作用时间的积分的代数和之间的差值的符号，与所述三电平电力变换器中点电位的偏移折算出的电荷数量符号相同；和/或当由三电平电力变换器的期望输出电压构成的参考电压矢量位于相邻主扇区的重叠区域中时，选中主扇区，使得选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流的符号，与未选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流的符号相反，且选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中小矢量所对应的输出电平组合中，与同一小矢量对应的两个输出电平组合中仅有其中一个出现的输出电平组合所对应的中点电流对三电平电力变换器的中点电位的作用将减小三电平电力变换器已有的中点电位偏移；所述非冗余输出电平组合是指：小矢量所对应的输出电平组合中对应于同一小矢量的两个输出电平组合中仅有其中一个出现的输出电平组合。

所述中点电流的正方向定义为由三电平电力变换器流入直流电容的方向。

所述三电平电力变换器中点电位的偏移折算出的电荷数量Q是按照下式完成的：

Q＝C_dc×△V_O/2

其中，C_dc是三电平电力变换器直流侧电容器的容量；

△V_O是三电平电力变换器的中点电位偏移量，且△V_O＝(V_PO-V_ON)/2；

V_PO和V_ON分别是三电平电力变换器直流侧的正端P与直流侧电容器中点O间的电压和三电平电力变换器直流侧电容器中点O与直流侧的负端N间的电压。

所述中点电流对三电平电力变换器的中点电位的作用是指中点电流从三电平电力变换器直流侧电容器的中点O向其注入电荷或由中点O从三电平电力变换器中抽取电荷时，所导致的中点O的电位的变化。

本发明可以达到的技术效果是：

通过给出一种针对与不同输出电平组合相对应的中点电流对三电平电力变换器的中点电位的总的作用的切实可行的判定方法以及基于判定结果和三电平电力变换器的中点电位的偏移情况的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，简单、便捷地实现了对三电平电力变换器中点电位的平衡控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是三电平电力变换器的空间矢量图。

具体实施方式

图1给出了三电平电力变换器的空间矢量图，可见，三电平电力变换器的空间矢量共计19个，包括1个零矢量(V₀)、6个小矢量(V₁～V₆)、6个中矢量(V₇～V₁₂)、6个大矢量(V₁₃～V₁₉)。零矢量(V₀)对应3个输出电平组合，每个小矢量对应2个输出电平组合，每个中矢量和每个大矢量均对应1个输出电平组合，共计27种输出电平组合。例如：对应于小矢量V₀的输出电平组合为ONN和POO，此处的P、O和N是指三电平电力变换器的交流侧三相(X相、Y相和Z相)输出的正电压P、零电压O和负电压N。

为了对三电平电力变换器进行SVPWM(空间矢量脉宽调制，Space Vector PulseWidth Modulation)，通常是将图1所示的、由三电平电力变换器的空间矢量构成的空间矢量图进行区域划分。例如，将由以零矢量为中心、6个大矢量为顶点的六边形划分成6个小六边形(后续亦称之为主扇区)，每个小六边形都是由以某一小矢量为中心点、以零矢量以及与该作为中心点的小矢量相邻的2个小矢量、2个中矢量和1个大矢量为顶点连线组成的六边形。6个小六边形依次编号为1～6，称之为主扇区编号，以小矢量V₁为中心的小六边形编号为1，以小矢量V₂为中心的小六边形编号为2，以此类推。显然，相邻小六边形存在重叠区域。对于编号为1和2的小六边形，其重叠区域为由顶点V₀、V₁、V₇和V₂为顶点的菱形区域，其它重叠区域的确定可参照进行。

接下来以由三电平电力变换器的期望输出电压构成的参考电压矢量V_ref位于相邻的第1主扇区和第2主扇区的重叠区域(即前述由顶点V₀、V₁、V₇和V₂为顶点的菱形区域)为例对本发明的用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法进行说明。对于参考电压矢量V_ref位于重叠区域的情形可参照进行。

将上述菱形区域进一步分成以V₁、V₇和V₂为顶点的第1三角形和以V₀、V₁和V₂为顶点的第2三角形。

(1)、参考电压矢量V_ref位于第1三角形中

如果在第1主扇区内对参考电压矢量V_ref进行合成，可以选择的合成矢量分别为V₁、V₇和V₂。在采用中心对称调制方式下，遵循功率模块开关次数最少原则，可选定输出电平组合序列为：ONN→OON→PON→POO(对应中心对称调制的半个周期)。

如果规定流入三电平电力变换器直流侧电容器的中点电流为正，反之为负，规定由三电平电力变换器交流侧流向三电平电力变换器自身的电流为正，反之为负，那么与前述输出电平组合序列对应的中点电流i_o分别为i_X、-i_Z、i_Y和-i_X。

如果在第2主扇区内对参考电压矢量V_ref进行合成，可以选择的合成矢量同样是V₁、V₇和V₂。同样在采用中心对称调制方式下，遵循功率模块开关次数最少原则，可选定输出电平组合序列为：OON→PON→POO→PPO。与之对应的中点电流i_O分别为-i_Z、i_Y和-i_X和i_Z。

显然，在不考虑输出电平组合的持续时间的前提下，在第1主扇区内合成参考电压矢量V_ref和在第2主扇区内合成参考电压矢量V_ref的差别仅在于ONN和PPO。由于中点电流i_O表现的多样性(i_X与-i_X、i_Y、i_Z与-i_Z)，且三相电流i_X、i_Y和i_Z大小关系的变化，单单根据i_O的正负特性(即流入还是流出直流电容器)是无法确定整个输出电平组合序列中与各个输出电平组合对应的中点电流对直流电容器中点电位的总的作用，也就不能藉此实现对三电平电力变换器中点电位的平衡控制。

由电工原理可知，中点电流对直流电容器中点电位的影响，事实上是由通过中点O进出直流电容器的电荷所引起的，因此可以通过分析在输出电平组合序列中中点电流通过中点O向直流电容器注入的净电荷量Q_net(即中点电流通过中点O向直流电容器注入的电荷量Q₁与中点电流通过中点O从直流电容器抽取的电荷量Q₂的代数和，其中注入电荷量为正，抽取电荷量为负)。

在第1主扇区中，与小矢量V₁对应的两个输出电平组合ONN和POO同时出现，且与之对应的中点电流分别为i_X和-i_X，且对于标准的三电平电力变换器控制矢量调制策略而言，其ONN和POO的作用时间是相同的，因此中点电流i_O＝i_X通过中点O向直流电容器注入的电荷(即电流i_X与时间的积分，当电流i_X的周期远小于PWM周期时，可近似认为电流i_X恒定不变，则简化为电流i_X与时间的乘积，后续认为该条件成立，故将电流与时间的积分全部简化为电流与时间的乘积)量Q₁与中点电流i_O＝-i_X通过中点O从直流电容器抽取的电荷(即电流-i_X与时间的积分，同样当电流i_X的周期远小于PWM周期时，可近似认为电流i_X恒定不变，则简化为电流-i_X与时间的乘积)量Q₂的绝对值相等，故二者的代数和为零，即Q_net＝0。小矢量V₂对应的两个输出电平组合OON和POO中仅有OON出现，与之对应的中点电流-i_Z的作用时间为T_Z；与中矢量V₇对应的输出电平组合是PON，与之对应的中点电流i_Y的作用时间为T_Y。因此，第1主扇区的净电荷量Q_{net_1}＝(-i_Z)×T_Z+i_Y×T_Y。同理可分析得到第2主扇区的净电荷量Q_{net_2}＝(-i_X)×T_X+i_Y×T_Y。

另一方面，将三电平电力变换器的中点电位偏移量△V_O定义为：

△V_O＝(V_PO-V_ON)/2 (1)

其中，V_PO和V_ON分别是三电平电力变换器直流侧的正端P与直流侧电容器中点O间的电压和三电平电力变换器直流侧电容器中点O与直流侧的负端N间的电压。

在此基础上，即可按照下式计算对应于三电平电力变换器中点电位的偏移量△V_O的电荷数量Q_Vdc：

Q_Vdc＝C_dc×△V_O/2 (2)

其中，C_dc是三电平电力变换器直流侧电容器的容量。

显然，当从直流电容器中点O向电容器注入电荷量Q_Vdc(抽取时，电荷Q_Vdc为负值)时，三电平电力变换器中点电位就会出现偏移量-△V_O；或者说，当三电平电力变换器中点电位出现偏移量△V_O时，只要从直流电容器中点O注入电荷量Q_Vdc就可以消除偏移量△V_O。

也就是说，为了以从直流电容器中点O注入电荷这一方式消除三电平电力变换器中点电位出现的偏移量△V_O，需遵循的原则为：当△V_O>0时Q_Vdc>0，当△V_O<0时Q_Vdc<0；或者△V_O×Q_Vdc>0。

情况A、

对于三电平电力变换器中点电位出现的正偏移量(即△V_O>0)，为了保证Q_Vdc>0，如果选定第2主扇区，则需满足：

Q＝Q_{net_2}-Q_{net_1}＝(-i_X)×T_X-(-i_Z)×T_Z>0 (3)

如果选定第1主扇区，则需满足：

Q＝Q_{net_1}-Q_{net_2}＝(-i_Z)×T_Z-(-i_X)×T_X>0 (4)

对于三电平电力变换器中点电位出现的负偏移量(即△V_O<0)，为了保证Q<0，如果选定第2主扇区，则需满足：

Q＝Q_{net_2}-Q_{net_1}＝(-i_X)×T_X-(-i_Z)×T_Z<0 (5)

如果选定第1主扇区，则需满足：

Q＝Q_{net_1}-Q_{net_2}＝(-i_Z)×T_Z-(-i_X)×T_X<0 (6)

显然，上述推理可逆，只要式(3)～(6)中的其中一个条件成立，即可通过选定适当的主扇区编号对相应的三电平电力变换器中点电位出现的偏移量△V_O进行平衡控制。

下面分别对△V_O>0且第1主扇区为选定主扇区而第2主扇区为未选定主扇区这一情况为例作进一步说明。

对于选定主扇区第1主扇区而言，合成参考电压矢量V_ref所需的电压矢量是V₁、V₇和V₂，其中小矢量为V₁和V₂，与只对应的输出电平组合分别为ONN和POO、OON和PPO。在输出电平组合序列ONN→OON→PON→POO中，与同一小矢量V₁对应的输出电平组合ONN和POO同时出现，与同一小矢量V₂对应的输出电平组合OON和PPO中仅有一个输出电平组合OON出现，与输出电平组合OON对应的中点电流是-i_Z，其作用时间为T_Z。中点电流是-i_Z与其作用时间T_Z的积分因中点电流是-i_Z与的周期远小于PWM周期而近似认为中点电流是-i_Z在PWM周期内不变而简化为二者的乘积，即(-i_Z)×T_Z。

对于未选定主扇区第2主扇区而言，合成参考电压矢量V_ref所需的电压矢量同样是V₁、V₇和V₂，其中小矢量为V₁和V₂，与只对应的输出电平组合分别为ONN和POO、OON和PPO。在输出电平组合序列OON→PON→POO→PPO中，与同一小矢量V₂对应的输出电平组合OON和PPO同时出现，与同一小矢量V₁对应的输出电平组合ONN和POO中仅有一个输出电平组合POO出现，与输出电平组合POO对应的中点电流是--i_X，其作用时间为T_X。同样中点电流是-i_X与其作用时间T_X的积分因中点电流是-i_X与的周期远小于PWM周期而近似认为中点电流是-i_X在PWM周期内不变而简化为二者的乘积，即(-i_X)×T_X。

选中主扇区与未选中主扇区中，由式(4)计算得到中点电流与其作用时间的积分的代数和Q>0。

另一方面，因△V_O>0，则由式(2)可知折算出的电荷数量Q_Vdc>0。

因此，Q与Q_Vdc的符号相同。故此，该情形满足权利要求1中“或者”前的条件表述。同理可对其它情形进行分析，此处不作赘述。

情况B、

在遵循“当△V_O>0时Q_Vdc>0，当△V_O<0时Q_Vdc<0；或者△V_O×Q_Vdc>0”这一原则下：

对于三电平电力变换器中点电位出现的正偏移量(即△V_O>0)，为了保证Q_Vdc>0，如果选定第1主扇区，只要中点电流-i_Z>0、-i_X<0，则不论其作用时间如何，均可保证式(4)成立；如果选定第2主扇区，只要中点电流-i_X>0、-i_Z<0，则不论其作用时间如何，均可保证式(3)成立。

同理，对于三电平电力变换器中点电位出现的正偏移量(即△V_O<0)，为了保证Q_Vdc<0，如果选定第1主扇区，只要中点电流-i_Z<0、-i_X>0，则不论其作用时间如何，均可保证式(6)成立；如果选定第2主扇区，只要中点电流-i_X<0、-i_Z>0，则不论其作用时间如何，均可保证式(3)成立。

下面分别对△V_O>0且第1主扇区为选定主扇区而第2主扇区为未选定主扇区这一情况为例作进一步说明。

由前面说明可知，-i_Z和-i_X满足权利要求1中“或者”后的条件表述中对于中点电流的限定条件，且二者符号相反，而且中点电流i_O＝-i_Z>0，其是通过三电平电力变换器的O点向其注入电荷，实质是对下直流电容器充电、对上直流电容器放电，则使得中点电位上升。由式(1)可知，其引起的中点电位变化量为负，故此可以减小三电平电力变换器已有的正的中点电位偏移(即△V_O>0)。

且选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中小矢量所对应的输出电平组合中，与同一小矢量对应的两个输出电平组合中仅有其中一个出现的输出电平组合所对应的中点电流对三电平电力变换器的中点电位的作用将减小三电平电力变换器已有的中点电位偏移。故此，该情形满足权利要求1中“或者”后的条件表述。同理可对其它情形进行分析，此处不作赘述。

由前面分析可知，为了对三电平电力变换器的中点电位进行平衡控制，既可选取情况A中和情况B中的中点电流条件的一个，又可二者同时选取。

此外，纯粹从数学意义上讲，中点电流条件可以看作是情况A中中点电流条件(即公式(3～(6))的特例，比如，只要中点电流-i_Z>0、-i_X<0，则式(4)必然成立。

(2)、参考电压矢量V_ref位于第2三角形中

参考电压矢量V_ref位于第1三角形中与位于第2三角形中相似，此处仅对不同之处加以说明。

当参考电压矢量V_ref位于第1三角形中时，如果在第1主扇区内对参考电压矢量V_ref进行合成，可以选择的合成矢量分别V₁、V₀和V₂。在采用中心对称调制方式下，遵循功率模块开关次数最少原则，可选定输出电平组合序列为：ONN→OON→OOO→POO，对应的中点电流i_o分别为i_X、-i_Z、0和-i_X，0表示此时i_o＝0，亦即无中点电流存在。如果在第2主扇区内对参考电压矢量V_ref进行合成，同样可以选择的合成矢量分别V₁、V₀和V₂。在采用中心对称调制方式下，遵循功率模块开关次数最少原则，可选定输出电平组合序列为：OON→OOO→POO→PPO，对应的中点电流i_o分别为-i_Z、0和-i_X和i_Z，0表示此时i_o＝0，亦即无中点电流存在。其它发后续分析与参考电压矢量V_ref位于第2三角形中基本相同，可参照进行得出相同结论。

本发明中，中点电流对三电平电力变换器的中点电位的作用是指中点电流从三电平电力变换器直流侧电容器的中点O向其注入电荷或由中点O从三电平电力变换器中抽取电荷时，所导致的中点O的电位的变化。

Claims (4)

1.一种用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法，其特征在于：

当由三电平电力变换器的期望输出电压构成的参考电压矢量位于相邻主扇区的重叠区域中时，选中主扇区，使得选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流与其作用时间的积分的代数和，与未选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流与其作用时间的积分的代数和之间的差值的符号，与所述三电平电力变换器中点电位的偏移折算出的电荷数量符号相同；和/或

当由三电平电力变换器的期望输出电压构成的参考电压矢量位于相邻主扇区的重叠区域中时，选中主扇区，使得选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流的符号，与未选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中，非冗余输出电平组合所对应的中点电流的符号相反，且选中主扇区中为合成所述参考电压矢量所需的合成电压矢量中小矢量所对应的输出电平组合中，与同一小矢量对应的两个输出电平组合中仅有其中一个出现的输出电平组合所对应的中点电流对三电平电力变换器的中点电位的作用将减小三电平电力变换器已有的中点电位偏移；

所述非冗余输出电平组合是指：小矢量所对应的输出电平组合中对应于同一小矢量的两个输出电平组合中仅有其中一个出现的输出电平组合。

2.根据权利要求1所述的用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述中点电流的正方向定义为由三电平电力变换器流入直流电容的方向。

3.根据权利要求1所述的用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述三电平电力变换器中点电位的偏移折算出的所述电荷数量是按照下式完成的：

Q＝C_dc×△V_O/2；

其中，Q为电荷数量；

C_dc是三电平电力变换器直流侧电容器的容量；

△V_O是三电平电力变换器的中点电位偏移量，且△V_O＝(V_PO-V_ON)/2；

V_PO和V_ON分别是三电平电力变换器直流侧的正端P与直流侧电容器中点O间的电压和三电平电力变换器直流侧电容器中点O与直流侧的负端N间的电压。

4.根据权利要求1所述的用于三电平电力变换器的中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述中点电流对三电平电力变换器的中点电位的作用是指中点电流从三电平电力变换器直流侧电容器的中点O向其注入电荷或由中点O从三电平电力变换器中抽取电荷时，所导致的中点O的电位的变化。