CN105406746B - 三电平电力变换器中点电位平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，该方法根据所述三电平电力变换器的中点电位偏移量产生补偿量，对用于与载波比较产生功率模块的开关信号的调制电压信号进行补偿，藉此实现对三电平电力变换器的中点电位的平衡控制。该方法在不计算小矢量作用时间的情况下即可实现对三电平电力变换器中点电位平衡进行有效控制，且计算量小、算法简单。

Description

三电平电力变换器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，特别是一种三电平电力变换器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。此外，在相同的直流电压条件下，三电平电力变换器的dv/dt、共模干扰比两电平逆变器小，大大地减少了电磁干扰和电机绕组上的尖峰电压，有利于电机的安全运行。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，最为常见的是小矢量作用时间调整法，该方法通常是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。但是，已有的小矢量作用时间调整法都需要通过将得出的小矢量作用时间调整量加到三电平电力变换器空间矢量调制策略得到的小矢量作用时间上，再将得到的和作为最终的小矢量作用时间。显然，要应用小矢量作用时间调整法对三电平电力变换器的中点电位平衡进行控制，就必须提前由三电平电力变换器空间矢量调制策略提前计算出小矢量作用时间。

由于小矢量作用时间的计算通常较为复杂、计算量较大，因此，有必要对三电平电力变换器的中点电位平衡控制问题进行深入分析和研究，提出一种能够不需直接计算小矢量作用时间、计算量小、算法简单的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法。

发明内容

本发明的目的在于通过提出一种无需计算小矢量作用时间、计算量小、易于实现的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，利用该方法实现对三电平电力变换器中点电位的平衡控制。

为解决上述技术问题，本发明三电平电力变换器中点电位平衡控制方法为：根据所述三电平电力变换器的中点电位偏移量产生补偿量，对用于与载波比较产生功率模块的开关信号的调制电压信号进行补偿，实现对三电平电力变换器的中点电位的平衡控制，而且该方法在对所述调制电压信号进行补偿时，是将调制电压信号作一个整体进行补偿，从而保持调制电压信号间的相对大小不变；该方法在对所述调制电压信号进行补偿时，通过对补偿量大小进行限幅使得补偿后的调制电压信号位于载波的有效范围内；该方法将所述补偿量与所述调制电压信号的和作为最终与载波进行比较而产生开关信号的补偿后调制电压信号；所述补偿量分别与所述调制电压信号的每一分量进行求和运算，再将所得结果作为所述补偿后调制电压信号；所述调制电压信号是由三电平电力变换器的交流侧输出的期望电压经：a、利用映射矢量对所述期望电压进行零矢量迁移和b、在A的输出结果基础上进行3次谐波注入，使得注入后得到的电压指令与载波进行比较得到的开关信号等效于SVPWM得到的开关信号后得到的；所述补偿量的计算公式为：△V_ref＝(C_dc×△U_O)/(2×i₀×T_PWM)；所述补偿量是一补偿控制器的输出，该控制器根据中点电位波动量及其指令值对三电平电力变换器的中点电位的平衡进行控制；在应用所述补偿量对所述调制电压信号进行补偿前，还需做如下限幅处理：-1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)≤△V_cmp≤1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)；所述补偿控制器为一PI控制器，且其I作用输出在经如下限幅后再与P作用的输出作和运算，并将所得到的和作为PI控制器的最后输出：-1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)≤V_cmpI≤1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)。

本发明可以达到的有益效果是：

不需直接计算小矢量作用时间即可实现对三电平电力变换器中点电位平衡进行有效控制、计算量小、算法简单。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是一种三电平变换器的系统结构示意图；

图2是中心对称SVPWM时三电平调制与两电平调制间的对应关系；

图3是采用了本发明三电平电力变换器中点电位平衡控制方法的控制系统的三电平电力变换器中点电位平衡控制系统结构图；

图4是本发明的另一实施例的三电平电力变换器中点电位平衡控制系统结构图。

具体实施方式

众所周知，三电平电力变换器的中点电位平衡控制与其控制策略密切相关。本实施例中以文献1(Texas Instrument公司，编号为SPRABS6-October 2012的ApplicationReport)介绍的控制策略为基础对本发明的中点电位平衡控制方法进行详细说明，但本发明的中点电位平衡控制方法的应用并不局限于该控制策略，自然文献1中的控制策略不能构成对本发明的保护范围的限定。

文献1详细介绍了一种基于映射矢量的零矢量迁移的三电平电力变换器调制策略，该策略利用映射矢量将三电平电力变换器的调制问题转换为常规的两电平变换器的调制问题，然后再利用成熟的两电平空间矢量调制策略进行SVPWM(空间矢量脉宽调制，SpaceVector Pulse Width Modulation)，最终得到三电平电力变换器调制策略。在该调制策略中，三电平电力变换器的期望输出电压信号(V_x、V_y、V_z)被映射矢量(V_map)转换为常规的两电平调制电压信号(V’_x、V’_y、V’_z)，之后再根据调制电压信号(V’_x、V’_y、V’_z)生成两电平变换器的空间矢量调制用开关信号，最后根据两电平变换器的开关信号和三电平电力变换器的开关信号间的关系得到最终的三电平电力变换器的开关信号，详见文献1。当然，对于调制电压信号(V’_x、V’_y、V’_z)的生成，还可以采用其它不同于文献1的方法。对于两电平变换器的开关信号，利用公式进行直接计算自然是最为直接的方式，但其计算复杂、计算量大。为了减小微处理器的计算负荷，可以采用与公式计算等效的谐波注入法，即在调制电压信号(V’_x、V’_y、V’_z)基础上注入适当的3次谐波信号得到马鞍形调制电压信号(V’_3x、V’_3y、V’_3z)，利用得到的马鞍形调制电压信号(V’_3x、V’_3y、V’_3z)与三角载波进行比较，可以得到与公式计算法等效的SVPWM开关信号，详见相关文献资料。

图1所示是一三电平电力变换器的系统结构图。图中，P、O和N分别是三电平电力变换器直流侧的正端、直流电容中间点和负端。三电平变换器正常运行中点电位无波动时，其P端的电位V_p＝0.5V_dc、O端的电位V_O＝0、N端的电位V_N＝─0.5V_dc。三电平电力变换器的中点电位平衡控制就是通过控制保证O点电位维持在P、N间电位的中间点，即保证P和O间的电压V_PO与O和N间的电压V_ON相等。

下面详细介绍在已得到了马鞍形调制电压信号(V’_3x、V’_3y、V’_3z)的情况下如何根据三电平电力变换器的中点电位偏移量△V_O来生成中点电位偏移补偿量△V_cmp来对马鞍形调制电压信号(V’_3x、V’_3y、V’_3z)进行补偿。

实施例一

对图1所示的三电平电力变换器的电压V_PO和/电压V_ON进行检测，然后根据下式计算中点电压偏移量△V_O：

将三电平中点电位的波动△V_O定义为：

△V_O＝(V_PO-V_ON)/2 (1)

式中，V_PO和V_ON分别是三电平电力变换器P和O间的电压V_PO以及O和N间的电压V_ON的检测值。

V_PO、V_ON、△V_O以及直流母线电压V_dc间满足如下关系式：

△V_O＝V_PO-0.5V_dc (2)

△V_O＝V_ON+0.5V_dc (3)

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。

在应用上述公式(1)-(3)计算出中点电位波动量△V_O后，补偿量计算单元根据中点电位波动量△V_O按照下式计算补偿量△V_cmp：

△V_cmp＝(C_dc×△V_O)/(2×i_o×T_PWM) (4)

式中，T_PWM是载波信号周期，i_o是对应的流入直流电容的中点电流，C_dc是三电平电力变换器直流侧的直流电容，且满足：

C_dc1＝C_dc2＝C_dc/2

接下来利用补偿量△V_cmp对用于与载波比较产生功率模块的开关信号的马鞍形调制电压信号(V’_3x、V’_3y、V’_3z)进行补偿，藉此实现对三电平电力变换器的中点电位的平衡控制。

图2是文献1中调制策略中由三电平电力变换器期望输出电压构成的参考电压矢量位于第一主扇区中的第一子扇区中时采用中心对称SVPWM时的三电平调制与两电平调制间的对应关系。为了在对ONN和POO的作用时间进行调整的同时维持PNN和PON的作用时间不变，需要将调制电压信号的各个分量(即图中的d1、d2和d3)作为一个整体进行补偿，即对调制电压信号的各个分量作相同补偿，从而在改变d1、d2和d3相对于三角载波的相对大小的同时保持d1、d2和d3三者中任意两者间的相对大小，即维持d1、d2和d3三者中任意两者间的差值不变。此外，为了确保ONN和POO的作用时间的非负性，在利用上述补偿量对调制电压信号的各个分量(即图中的d1、d2和d3)进行补偿时，需要确保补偿后得到的调制电压信号的各个分量的位于载波的有效范围内，即最大值不超过三角载波的正峰值、最小值不超过三角载波的负峰值，为此需要在补偿前对补偿量进行适当的限幅处理。

最简单、最直接的补偿方式就是对补偿量与调制电压信号进行求和计算，并将得到的和作为最终与三角载波进行比较而产生开关信号的补偿后调制电压信号。由于补偿量是一个标量，而补偿前的调制电压信号是包括3个分量，同时为了满足上述补偿条件，可以将补偿量分别与调制电压信号的每一分量进行求和运算，再将所得结果作为所述补偿后调制电压信号。这样由补偿后调制电压信号与三角载波进行比较而产生开关信号中就包含了对ONN和POO的作用时间调整量，因此可以实现对三电平电力变换器中点电位平衡所需施加的控制作用，故此可以实现对三电平电力变换器中点电位偏移的抑制。

此时，为了确保补偿后得到的调制电压信号的各个分量位于载波的有效范围内，在应用所述补偿量对马鞍形调制电压信号(V’_3x、V’_3y、V’_3z)进行补偿前，可以采用下式对补偿量进行限幅处理：

-1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)≤△V_cmp≤1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|) (5)

图3是本实施例介绍的三电平电力变换器中点电位平衡控制系统结构图。电压检测装置检测出三电平电力变换器的端电压V_PO和/或电压V_ON后，将检测结果送给中点电位波动量计算单元，由后者根据检测结果利用公式(1)-(3)中的一个，通过计算得到中点电位波动量△V_O；补偿量计算单元则根据中点电位波动量计算单元输出的中点电位波动量△V_O，根据公式(4)通过计算得到限幅前的补偿量△V_cmp；限幅单元根据公式(5)对补偿量△V_cmp进行限幅，得到限幅后补偿量△V_{cmp_limit}；限幅后补偿量△V_{cmp_limit}被送往一加法器，与调制电压信号的每个分量(V’_3x、V’_3y、V’_3z)分别进行求和计算，得到的结果即为补偿后调制电压信号dx(x＝1,2,3)；补偿后调制电压信号dx(x＝1,2,3)与三角载波进行比较，得到用于功率模块的开关信号。显然，由于补偿后调制电压信号dx(x＝1,2,3)中包括了限幅后补偿量△V_{cmp_limit}，因此可以实现对三电平电力变换器中点电位偏移的抑制。

实施例二

本实施例与实施例一相似，下面仅就与实施例一的不同之处加以说明。

如图4所示，本实施例中，补偿控制器根据中点电位波动量△V_O以及中点电位波动指令值(通常为0)对三电平电力变换器的中点电位平衡进行控制，其输出即为限幅前的补偿量△V_cmp。

补偿控制器可以采用任何一种，如常见的PI控制器。为了避免出现积分饱和，还可以进一步增加针对积分作用(I)的输出△V_cmpI的限幅，限幅公式如下：

-1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)≤△V_cmpI≤1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)

经限幅后的积分(I)作用输出再与P作用的输出作求和运算，并将所得到的和作为PI控制器的最后输出。

本发明的核心在于通过深入分析发现通过将两电平变换器的调制电压信号作整体补偿，可以实现在调整三电平电力变换器的小矢量的作用时间调整的同时保持非小矢量作用时间不变这一特性，从而通过对两电平变换器的调制电压信号进行补偿，在无需计算作用时间的情况下实现对三电平电力变换器的中点电位的平衡控制。上述实施例及其说明并不构成对本发明保护范围的限制，任何未脱离本发明的核心而做出的变化和修改，均应视为本发明的自然延伸与扩展，因而均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于：根据三电平电力变换器的中点电位偏移量产生补偿量，对用于与载波比较产生功率模块的开关信号的调制电压信号进行补偿，藉此实现对三电平电力变换器的中点电位的平衡控制，所述补偿量由下式直接计算得出：

△V_cmp＝(C_dc×△V_O)/(2×i_o×T_PWM)；

其中，△V_cmp为补偿量；

C_dc为三电平电力变换器直流侧的直流电容；

△V_O为中点电位波动量；

i_o为对应的流入直流电容的中点电流；

T_PWM为载波信号周期。

2.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于：在对所述调制电压信号进行补偿时，是将调制电压信号的各个分量作一个整体进行补偿，从而保持调制电压信号间的相对大小不变。

3.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于：在对所述调制电压信号进行补偿时，通过对补偿量大小进行限幅，使得补偿后的调制电压信号位于载波的有效范围内。

4.根据权利要求2所述的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于：将所述补偿量与所述调制电压信号的和作为最终与载波进行比较而产生开关信号的补偿后调制电压信号。

5.根据权利要求4所述的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述补偿量分别与所述调制电压信号的每一分量进行求和运算，再将所得结果作为所述补偿后调制电压信号。

6.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述调制电压信号是由三电平电力变换器的交流侧输出的期望电压经下述变换后得到的：

A、利用映射矢量对所述期望电压进行零矢量迁移；

B、在A的输出结果基础上进行3次谐波注入，使得注入后得到的电压指令与载波进行比较得到的开关信号等效于SVPWM得到的开关信号。

7.根据权利要求1所述的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，其特征在于：在应用所述补偿量对所述调制电压信号(V’_3x、V’_3y、V’_3z)进行补偿前，对所述补偿量做如下限幅处理：

-1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)≤△V_cmp≤1+max(|V’_3x|,|V’_3y|,|V’_3z|)。