CN105406745A - 三电平电力变换器中点电位综合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平电力变换器中点电位综合控制方法，包括的步骤有：步骤1：检测电容器电压；步骤2：确定中点电位偏移量；步骤3：判断小六边形编号变更条件是否成立；成立则继续下一步骤，否则转入步骤6；步骤4：变更小六边形编号；步骤5：按照新编号进行空间矢量调制；之后转入步骤9；步骤6：计算输出电平组合的作用时间；步骤7：调整冗余输出电平组合的作用时间；步骤8：生成三电平电力变换器功率模块的开关信号；步骤9：结束。本发明能够获得优于已有中点电位平衡控制策略的控制性能，最终实现对三电平电力变换器中点电位的有效控制。

Description

三电平电力变换器中点电位综合控制方法

技术领域

本发明涉及一种三电平电力变换器的控制方法，具体涉及一种三电平电力变换器中点电位综合控制方法。

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、甚至是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(ANewSimplifiedSpace-VectorPWMMethodforThree-LevelInverters,IEEETrans.PowerElectronics,Vol.16,No.4,July2001)指出可以采用改变开关顺序(ChangingtheSwitchingSequence)和重新排列冗余电压矢量的时间分布(Rearrangingthetimedistributionofredundantvoltagevectors)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)；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。但这两种方法都存在移动的适用条件，当不满足这些条件是，无法应用其对三电平电力变换器的中点电位平衡进行控制。

文献2(周京华，混合式三电平中点电位平衡控制策略，中国电机工程学报，2013年，8月25日，第33卷24期，82-89页)进一步提出了基于上述两种方法的混合式三电平中点电位平衡控制策略，其实质是根据占空比(m)的大小来选择不同的三电平中点电位平衡控制方法，具体为：当0≤m≤0.5时选择上述第一种方法，当0.5＜m≤1时选择上述第二种方法。显然，文献2的控制策略仅仅是对文献1中两种方法的简单组合应用，因而并未克服两种方法因适用条件所导致的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于上述两种三电平电力变换器中点电位平衡控制方法的综合控制方法，该方法通过综合应用上述两种三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，克服了两种方法以及基于二者简单组合的所谓混合式控制策略的不足，因而能够对三电平电力变换器中点电位平衡进行有效控制。

为解决上述技术问题，本发明的三电平电力变换器中点电位综合控制方法为：包括如下步骤：步骤1：检测电压并根据检测结果确定三电平电力变换器的中点电位偏移量；步骤2：判断参考电压矢量是否位于相邻小六边形的重叠区域内；若是，转入步骤3，否则，转入步骤6；步骤3：判断小六边形的编号变更条件是否成立；成立则转入步骤4，否则转入步骤6；步骤4：变更小六边形的编号；步骤5：按照新编号对三电平电力变换器进行空间矢量调制；之后转入步骤9；步骤6：按照空间矢量调制策略计算包括冗余开关状态在内的所有开关状态的作用时间；步骤7：根据三电平电力变换器的中点电位偏移量对冗余开关状态的作用时间进行调整；步骤8：按照调整后的冗余开关状态的作用时间及其它作用时间对三电平电力变换器进行开关控制；步骤9：结束。其中，小六边形是指在由三电平电力变换器的空间矢量构成的空间矢量图中，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小六边形；重叠区域是指由相邻的两个小六边形的重叠区域形成的、以零矢量、某一中矢量和与该中矢量相邻的2个小矢量为顶点连线组成的菱形区域；另外，步骤1与步骤2间还包括步骤：当所述中点电位偏移超过一定阈值时，转入步骤2，否则转入步骤9；步骤5与步骤6间还包括步骤：当对应于非冗余输出电平组合的中点电流超过一定阈值时，转入步骤6，否则转入步骤9；非冗余输出电平组合是指在一个输出电平组合序列中与同一小矢量对应的两个输出电平组合中唯一出现的输出电平组合。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明在深入分析上述两种三电平电力变换器中点电位平衡控制方法本质的基础上，通过合理设定两种三电平电力变换器中点电位平衡控制方法的选用条件，从而能够充分发挥两种方法的各自优点、使二者相得益彰，最终获得优于仅是应用单一方法或如文献2那样简单组合的所谓混合式策略的控制性能，最终实现对三电平电力变换器中点电位的有效控制。

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；

图2是本发明的三电平电力变换器中点电位综合控制策略实施步骤示意图。

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，SpaceVectorPulseWidthModulation)，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V₀为中心、6个大矢量为顶点的六边形划分成6个小六边形，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。

A、第1种方法

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V_ref位于重叠区域时，其所属小六边形有两种选择。所选择的小六边形不同，对应的输出电平组合序列也不相同，对应于输出电平组合的中点电流及其对中点电位的影响也不相同。文献1所述第一种方法就是通过选择更有利于减小中点电位偏移的小六边形实现对三电平电力变换器的中点电位平衡控制。

例如，当参考电压矢量V_ref位于由顶点V₀、V₁、V₇和V₂为顶点的重叠区域时，既可认为参考电压矢量V_ref位于以V₀、V₆、V₁₂、V₁₃、V₇和V₂为顶点的第1小六边形区域中，进而按照该小六边形进行后续的SVPWM，又可认为参考电压矢量V_ref位于以V₀、V₁、V₇、V₁₄、V₈和V₃为顶点的第2小六边形区域中，从而按照该小六边形进行后续的SVPWM。

当认为V_ref位于第1小六边形区域中时，对应的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)。当认为V_ref位于第2小六边形区域中时，对应的输出电平组合序列为：OON→PON→POO→PPO(对应中心对称调制的半个周期)。

对于第1小六边形，与输出电平组合序列对应的中点电流分别是：i_a、-i_c、i_b、-i_a，显然，当采用常规的中心对称SVPWM调制策略时，ONN和POO的作用时间相同，因此对应的中点电流i_a和i_a对中点电位的影响相互抵消。剩余可对中点电位产生影响的中点电流为-i_c和i_b，对应的输出电平组合分别为OON和PON，其中PON对应于中矢量V₇，OON对应于小矢量V₁。在输出电平组合序列ONN→OON→PON→POO中，与小矢量V₁对应的输出电平组合PPO和OON中，仅OON出现，因此，OON符合在一个输出电平组合序列中与同一小矢量对应的两个输出电平组合中唯一出现的输出电平组合这一条件，因此是非冗余输出电平组合。同理可分析得出：对于第2小六边形，去除对中点电位的影响相互抵消的中点电流后，剩余可对中点电位产生影响的中点电流为-i_a和i_b，对应的输出电平组合分别为非冗余输出电平组合POO和中矢量PON。第1小六边形中的中点电流对中点电位的影响和第2小六边形中的中点电流对中点电位的影响的差别在于对应于非冗余输出电平组合的中点电流对中点电位的影响。

当三电平电力变换器的中点电位过高时，如果与第2小六边形中的中点电流对中点电位的影响相比第1小六边形中在中点电流的影响下中点电位更加倾向于下降，那么按照第1小六边形对三电平电力变换器进行后续SVPWM，即可使其中点电位下降，从而有利于三电平电力变换器的中点电位重新恢复平衡。对于参考电压矢量V_ref位于其它重叠区域时可得出相同结论。

通过上述分析可知，通过选择适当的小六边形对三电平电力变换器的中点电位进行平衡控制，需要满足如下两个条件：

1)V_ref位于重叠区域；

2)选定小六边形的输出电平组合序列中非冗余输出电平组合对应的中点电流对中点电位的影响更有利于中点电位重新恢复平衡。

对于上述条件中的第2)点，是通过改变小六边形的编号实现的，具体为将其中一个小六边形的编号赋值给当前编号，然后判断相对于当前编号对应的小六边形另一小六边形是否更有利于中点电位重新恢复平衡，若是，则将另小六边形编号赋值给当前编号，否则保持当前编号不变。因此，第1种方法是通过改变小六边形编号来实现的，相应的，上述条件2变为：

相对于当前编号，对应于编号变更后小六边形的输出电平组合序列中的非冗余输出电平组合所对应的中点电流对中点电位的影响更有利于中点电位重新恢复平衡。

后续将上述条件1称之为编号变更条件1、将变化后的条件2称为编号变更条件2，编号变更条件1和编号变更条件2总称为编号变更条件。

本质上，第1种方法是利用非冗余输出电平组合的中点电流对中点电位的影响来实现对三电平电力变换器的中点电位平衡控制。

B、第2种方法

以参考电压矢量V_ref位于第1小六边形为例，此时的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)，对应的中点电流分别是：i_a、-i_c、i_b、-i_a。由于ONN和POO对应于同一小矢量，并且二者同时出现在一输出电平组合序列中，因此称之为冗余输出电平组合。由于与冗余输出电平组合ONN和POO对应的中点电流分别是：i_a和-i_a，显然二者大小相等，对中点电位的影响一个是使其升高、一个是使其降低。因此，根据三电平电力变换器的中点电位的偏移情况，适当调整冗余输出电平组合的作用时间，从而间接调整对应的中点电流对中点电位施加影响的作用时间，最终实现对三电平电力变换器的中点电位的平衡控制。当参考电压矢量V_ref接近于中矢量等特定位置时，因为冗余输出电平组合的作用时间相对很短，则所能调整的作用时间的范围会很小，因此该方法存在特殊情况下对三电平电力变换器的中点电位偏移的平衡控制能力有限的缺点。

显然，该方法是利用冗余输出电平组合的中点电流对中点电位的影响来实现对三电平电力变换器的中点电位平衡控制。

由上述分析可知，文献2的基于占空比的混合式三电平中点电位平衡控制策略是在0≤m≤0.5时选择第一种方法、在0.5＜m≤1时选择上述第二种方法。对两种方法的这样的简单组合存在如下缺点：

1)、在0≤m≤0.5时，尽管保证了第1种方法的条件1的成立，但不能保证条件2一定满足。此时，中点电位处于不控状态；

2)、在0.5＜m≤1时，如果占空比m接近1，会出现因平衡控制能力不足而导致中点电位偏移得不到及时抑制的现象。

根据前述分析结果可知，对于三电平电力变换器的中点电位平衡控制，

A、理论基础：第1种方法的理论基础在于小六边形编号变更前、后输出电平组合序列中非冗余输出电平组合对应的中点电流及其作用时间均不相同，其对中点电位的影响也不相同；第2种方法的理论基础在于同一输出电平组合序列中两个冗余输出电平组合对应的中点电流大小相等、方向相反，其对中点电位的影响正好相反，即一个导致中点电位升高、另一个必然是导致中点电位降低。

B、实现的技术途径

第1种方法实现对三电平电力变换器的中点电位平衡控制的技术途径为：通过改变小六边形编号使其满足编号变更条件2；第2种方法实现对三电平电力变换器的中点电位平衡控制的技术途径为：延长两个冗余输出电平组合中的一个冗余输出电平组合的作用时间，该冗余输出电平组合对应的中点电流导致的中点电位的变化有利于抑制中点电位的当前偏移。

这表明，这两种方法实现对三电平电力变换器的中点电位平衡控制的理论基础和实现的技术手段都是不同的，二者间不是非此即彼的关系，二者的适用范围间不但存在重叠区域，而且具有互补区域(比如，第1种方法条件不满足时仍可应用第2种方法进行平衡控制；第2种方法控制能力有限的区域(参考电压矢量V_ref位于重叠区域且靠近中矢量的区域)，应用第2种方法可能会获得更好的控制效果)。这就为对这两种方法进行综合应用，充分发挥各自的优点，利用一种方法对另一种方法进行补充和完善提供了可能。

考虑到第1种方法相对于第2种方法更为简洁、易于实现，本发明提出一种基于第1种方法和第2种方法的三电平电力变换器中点电位平衡综合控制方法，对于中点电位的偏移，该综合控制方法优先第1种方法，仅在第1种方法的适用条件不成立时才选择第2种方法。

如图2所示，本发明的综合控制方法具体包括如下步骤：

步骤1：检测三电平电力变换器直流侧电容器电压；

利用系统硬件资源对三电平电力变换器直流侧的电容器电压进行检测。可以检测直流侧电容器的正端P与其中点O间的电压V_PO和/或中点O间的电压与负端N间的电压V_ON，或进一步检测直流侧电容器的正端P与负端N间的电压；

步骤2：根据检测结果确定三电平电力变换器的中点电位偏移量；

根据检测结果计算三电平电力变换器的中点电位偏移量△V_O；

例如，可以按照下式计算：

△V_O＝(V_PO-V_ON)/2(1)

△V_O＝V_PO-0.5V_dc(2)

△V_O＝V_ON+0.5V_dc(3)

式中，V_PO、V_ON分别是三电平电力变换器直流侧电容器P和O间的电压V_PO、O和N间的电压V_ON，V_dc是P和N间电压的检测值或设计值。

由式(1)-(3)可知，为了计算中点电位波动量△V_O，只需对V_PO和V_ON中的一个进行检测即可，当同时检测V_PO和V_ON时，可以利用检测结果进行相互校验。

步骤3：判断小六边形编号变更条件是否成立；成立则继续下一步骤，否则转入步骤6；

为应用第1种方法，自然要先判断其适用条件(即前述的编号变更条件)是否成立，成立的话才可以进行后续的变更编号等，否则只能转而采用第2种方法。

第1种方法的适用条件有两个，即前述的编号变更条件1和编号变更条件2；

在实际判断中可分为如下两个子步骤：

步骤3.1：判断参考电压矢量V_ref是否位于重叠区域内；若是，转入步骤3.2，否则，转入后续的步骤6；

步骤3.2：判断对应于编号变更后小六边形的输出电平组合序列中非冗余输出电平组合所对应的中点电流对中点电位的影响是否比编号变更前更有利于中点电位恢复平衡。

步骤4：变更小六边形编号；

将变更后的小六边形编号赋值给当前编号，以供后续用于对三电平电力变换器进行空间矢量调制；

步骤5：按照新编号对三电平电力变换器进行空间矢量调制；之后转入步骤9；

以新编号的小六边形为基准，采用空间矢量调制策略对三电平电力变换器进行空间矢量调制；完成后，转入步骤9，本次调制结束；

空间矢量调制策略为现有技术，在此不做赘述。

步骤6：按照空间矢量调制策略计算输出电平组合的作用时间；

采用常规的三电平电力变换器空间矢量调制策略对三电平电力变换器进行空间矢量调制，得到包括冗余输出电平组合在内的所有输出电平组合的作用时间；

步骤7：根据三电平电力变换器的中点电位偏移量调整冗余输出电平组合的作用时间；

根据步骤2得到的三电平电力变换器的中点电位偏移量△V_O，对冗余输出电平组合的作用时间进行调整；调整时，通常是保持两个冗余输出电平组合作用时间的和不变，在延长冗余输出电平组合中的一个输出电平组合的作用时间的同时，等量地缩短另一输出电平组合的作用时间。作用时间被延长的输出电平组合所对应的中点电流所导致的中点电位的变化应有利于抑制三电平电力变换器的中点电位的现有偏移。即当三电平电力变换器的中点电位偏高时，作用时间被延长的输出电平组合所对应的中点电流所导致的中点电位的变化是使其降低；反之，当三电平电力变换器的中点电位偏低时，作用时间被延长的输出电平组合所对应的中点电流所导致的中点电位的变化是使其升高。

步骤8：按照调整后的冗余输出电平组合作用时间及其它输出电平组合作用时间生成三电平电力变换器功率模块的开关信号；

此处的其它输出电平组合包括非冗余输出电平组合、对应于大矢量的输出电平组合、对应于中矢量的输出电平组合以及对应于零矢量的输出电平组合。例如：当参考电压矢量V_ref位于以V₀、V₁和V₂为顶点的三角形中时，其它输出电平组合为对应于零矢量的输出电平组合和非冗余输出电平组合；当参考电压矢量V_ref位于以V₁、V₂和V₇为顶点的三角形中时，其它输出电平组合为非冗余输出电平组合和对应于中矢量的输出电平组合；当参考电压矢量V_ref位于以V₁、V₇和V₁₃为顶点的三角形中时，其它输出电平组合为对应于中矢量的输出电平组合和对应于大矢量的输出电平组合。

利用三电平电力变换器的调制策略，按照调整后的冗余输出电平组合作用时间以及其它输出电平组合作用时间进行空间矢量调制，得出三电平电力变换器功率模块的开关信号，使得三电平电力变换器功率模块在这些开关信号的作用下在三电平电力变换器的交流侧输出期望的输出电压；

本发明仅对冗余输出电平组合进行调整，而对其它输出电平组合不作调整。

步骤9：结束；

结束本次控制。

此外，为了减小微处理器的不必要的计算负荷，可以仅在中点电位偏移量△V_O超过一定阈值后，才对三电平电力变换器的中点电位进行平衡控制。为此，可以在上述步骤2和步骤3间增加如下附加步骤1：

附加步骤1：当所述中点电位偏移量超过一定阈值时，转入步骤3，否则转入步骤9。

考虑到第2种中点电位平衡控制方法实质上是通过冗余输出电平组合所对应的中点电流对中点电位的影响实现对三电平电力变换器的中点电位平衡控制的，因此当此时的中点电流很小时，该方法对三电平电力变换器的中点电位平衡控制作用将会非常有限，此时可以暂时性地去除对基于第2种方法(即基于冗余输出电平组合的作用时间调整的方法)三电平电力变换器的中点电位的平衡控制，为此，可以在上述步骤5和步骤6间增加如下附加步骤2：

附加步骤2：确定对应于冗余输出电平组合的中点电流，且当其小于一定阈值时，转入步骤9，否则继续后续步骤(即，采用第2种方法对三电平电力变换器的中点电位进行平衡控制)。

Claims (8)

1.一种三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：检测三电平电力变换器直流侧电容器电压；

步骤2：根据检测结果确定三电平电力变换器的中点电位偏移量；

步骤3：判断小六边形的编号变更条件是否成立；成立则继续下一步骤，否则转入步骤6；

步骤4：变更小六边形的编号；

步骤5：按照新编号对三电平电力变换器进行空间矢量调制；之后转入步骤9；

步骤6：按照空间矢量调制策略计算输出电平组合的作用时间；

步骤7：根据三电平电力变换器的中点电位偏移量调整冗余输出电平组合的作用时间；

步骤8：按照调整后的冗余输出电平组合作用时间及其它输出电平组合作用时间生成三电平电力变换器功率模块的开关信号；

步骤9：结束。

2.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括如下子步骤：

步骤3.1：判断参考电压矢量V_ref是否位于重叠区域内；若是，转入步骤3.2，否则，转入步骤6；

步骤3.2：判断对应于编号变更后小六边形的输出电平组合序列中非冗余输出电平组合所对应的中点电流对中点电位的影响是否比编号变更前更有利于中点电位恢复平衡。

3.根据权利要求2所述的三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，所述重叠区域是指由相邻的两个小六边形的重叠区域形成的、以零矢量、某一中矢量和与该中矢量相邻的2个小矢量为顶点连线组成的菱形区域。

4.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，所述小六边形是指在由三电平电力变换器的空间矢量构成的空间矢量图中，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小六边形。

5.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3间还包括如下附加步骤1：

附加步骤1：当所述中点电位偏移量超过阈值时，转入步骤3，否则转入步骤9。

6.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，所述步骤5与步骤6间还包括如下附加步骤2：

附加步骤2：确定对应于冗余输出电平组合的中点电流，且当其小于阈值时，转入步骤9，否则继续后续步骤。

7.根据权利要求2所述的三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，所述非冗余输出电平组合是指在一个输出电平组合序列中与同一小矢量对应的两个输出电平组合中唯一出现的那个输出电平组合。

8.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位综合控制方法，其特征在于，所述冗余输出电平组合是指在一个输出电平组合序列中与同一小矢量对应且同时出现的两个输出电平组合。