CN105703634A - 一种三电平变流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变流器中点电位平衡控制方法，包括：根据中点电位偏移时小矢量幅值的变化情况，对三电平变流器的空间矢量进行重新分区；根据中点电位偏移时成对小矢量幅值改变情况，计算中点电位不平衡度；选择有利于平衡中点电位的小矢量，并根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成；使用参考电压矢量精确控制三电平变流器的中点电位。本发明既能在全调制度下消除中点电位的低频波动、有效治理中点电位偏移、提高时间计算精度，又比传统虚拟空间矢量方法开关损耗更低，动态性能更好。

Description

一种三电平变流器中点电位平衡控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流技术领域，特别地，涉及一种三电平变流器中点电位平衡控制方法。

背景技术

三电平的拓扑结构自1981年被日本学者NabaeA等人提出以来，就受到了广泛关注。三电平变流器相比两电平变流器开关管承受电压应力更小，输出谐波性能更好，因此在就在中高压交流传动、柔性输电、电网无功补偿和吸收等高压大功率领域得到了广泛的应用。

中点电位不平衡是二极管箝位型三电平逆变器的固有问题，一直以来也是三电平逆变器研究的热点问题。中点电位不平衡是指直流母线两串联电容电压不相等。中点电位的不平衡会大幅增加输出电压和电流谐波，导致开关管承受应力变大，甚至造成负载电机转矩大幅震荡。中点电位的不平衡包括中点电位的低频振荡和偏移，要使中点电位平衡，必须消除中点电位的偏移和低频振荡。

三电平调制算法大都从两电平调制算法延伸而来，主要有载波脉宽调制(pulsewidthmodulation，SPWM)和空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，SVPWM)。载波脉宽调制方法向调制波中注入优化的零序电压，改变某些开关状态的作用时间，从而改变中点电流，控制中点电位；空间矢量脉宽调制方法根据中点电压偏移和负载电流的方向来分配小矢量和中矢量的作用时间来平衡中点电位。传统的虚拟空间矢量方法根据中点电位偏移方向，调整成对小矢量的作用时间，增加有利于中点电位平衡的小矢量作用时间，减少不利于中点电位平衡的小矢量作用时间，平衡中点电位的偏移。但这类方法没有考虑到中点电位偏移时成对小矢量幅值不相等，对矢量时间的计算不精确；且由于使用成对两个小矢量，会使得动态响应较慢，开关损耗大。

针对现有技术中空间矢量脉宽调制法对矢量时间的计算不精确、动态响应较慢、开关损耗大的问题，目前尚未有有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种三电平变流器中点电位平衡控制方法，既能在全调制度下消除中点电位的低频波动、有效治理中点电位偏移、提高时间计算精度，又比传统虚拟空间矢量方法开关损耗更低，动态性能更好。

根据本发明的一个方面，提供了一种三电平变流器中点电位平衡控制方法。

根据本发明提供的三电平变流器中点电位平衡控制方法包括：

根据中点电位偏移时小矢量与中矢量的幅值变化情况，对三电平变流器的空间矢量进行重新分区；

根据中点电位偏移时成对小矢量幅值改变情况，计算中点电位不平衡度；

选择有利于平衡中点电位的小矢量，并根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成；

使用参考电压矢量精确控制三电平变流器的中点电位。

其中，对三电平变流器的空间矢量进行重新分区，为将三电平空间矢量的一个大扇区均分为三个小扇区。

其中，根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成，为将中点电位不平衡度作为描述成对小矢量幅值改变的参量参与参考电压矢量合成。

并且，根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成，还包括将虚拟中矢量加入参考电压矢量的合成中，其中，虚拟中矢量为中矢量与两个相邻小矢量的矢量和。

其中，选择有利于平衡中点电位的小矢量，为根据中点电位偏移方与和相电流的方向选择有利于平衡中点电位的小矢量参与合成参考电压矢量。

其中，当零矢量时间为正时，使用零矢量作为首发矢量；当零矢量时间为正时，使用正小矢量作为首发矢量。

从上面所述可以看出，本发明提供的技术方案通过将一个大扇区平分为三个小扇区，引入中点电位不平衡度，通过判断中点电位偏移和相电流的方向，选择有利于中点电位平衡的小矢量，精确计算各矢量作用时间，合理安排矢量序列的技术手段，既能在全调制度下消除中点电位的低频波动、有效治理中点电位偏移、提高时间计算精度，又比传统虚拟空间矢量方法开关损耗更低，动态性能更好。

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为根据本发明实施例的一种三电平变流器中点电位平衡控制方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的一种三电平变流器中点电位平衡控制方法的一个实施例的流程图；

图3为根据本发明实施例的一种三电平变流器中点电位平衡控制方法的一个实施例的空间矢量图；

图4为根据本发明实施例的一种三电平变流器中点电位平衡控制方法的一个实施例的A扇区的矢量合成关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，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一步进行清楚、完整、详细地描述，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明的实施例提供的三电平变流器中点电位平衡控制方法包括：

步骤S101，根据中点电位偏移时小矢量与中矢量的幅值变化情况，对三电平变流器的空间矢量进行重新分区；

步骤S103，根据中点电位偏移时成对小矢量幅值改变情况，计算中点电位不平衡度；

步骤S105，选择有利于平衡中点电位的小矢量，并根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成；

步骤S107，使用参考电压矢量精确控制三电平变流器的中点电位。

其中，对三电平变流器的空间矢量进行重新分区，为将三电平空间矢量的一个大扇区均分为三个小扇区。

其中，根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成，为将中点电位不平衡度作为描述成对小矢量幅值改变的参量参与参考电压矢量合成。

并且，根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成，还包括将虚拟中矢量加入参考电压矢量的合成中，其中，虚拟中矢量为中矢量与两个相邻小矢量的矢量和。

其中，选择有利于平衡中点电位的小矢量，为根据中点电位偏移方与和相电流的方向选择有利于平衡中点电位的小矢量参与合成参考电压矢量。

其中，当零矢量时间为正时，使用零矢量作为首发矢量；当零矢量时间为正时，使用正小矢量作为首发矢量。

下面根据具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。

图2示出的是本实施例的流程图。如图2所示，对三电平空间矢量进行重新分区,将一个大扇区平分为三个小扇区。考虑到中点电位偏移时小矢量幅值的变化，引入中点电位不平衡度，根据中点电位偏移方向和相电流的方向，选择有利于平衡中点电位的小矢量，精确计算矢量作用时间，合理安排矢量序列，实现对中点电位的精确控制。

计算参考电压矢量幅值和相角的方法具体为三相-两相变换的方法，其计算公式为：

$U_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}(U_a-\frac{1}{2}{U}_b-\frac{1}{2}{U}_c)$

$U_{\mathrm{\β}}=\frac{2}{3}(\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_b-\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_c)$

根据上述公式可以计算参考电压矢量的幅值U_ref和相角u。

参考电压矢量所在大扇区的判断方法为：

若0≤u<π/3，定子磁链位于A扇区，令S＝A,n＝1；

若π/3≤u<2π/3时，定子磁链位于B扇区，令S＝B,n＝2；

若2π/3≤u<π时，定子磁链位于C扇区，令S＝C,n＝3；

若π≤u<4π/3时，定子磁链位于D扇区，令S＝D,n＝4；

若4π/3≤u<5π/3时，定子磁链位于E扇区，令S＝E,n＝5；

若5π/3≤u<2π时，定子磁链位于F扇区，令S＝F,n＝6。

参考电压矢量所在小扇区的判断方法为：

当参考电压矢量位于S(S＝A,B,C,D,E,F)扇区，令θ＝u-(n-1)π/3。

若或参考电压矢量位于S1扇区；

若或参考电压矢量位于S2扇区；

否则，参考电压矢量位于S3扇区。

选择有利于中点电位平衡的小矢量的判断方法为：

考虑中点电位不平衡时，成对小矢量幅值大小并不相等，引入中点电位不平衡度k＝1-2U_C2/U_DC。k表征中点电位偏移程度，k为0表示中点电位不发生偏移，k的绝对值越大，表示中点电位偏移越严重。调制度为线性调制区间为0<m<1。考虑到中点电位偏移，应注意成对的小矢量大小并不相等。将扇区A以角平分线为边界分为三个小扇区，引入虚拟空间矢量

零矢量和大矢量对应的工作状态不与中点相连，对中点电位无影响；虚拟空间矢量流入中点的电流为零，则虚拟空间矢量的引入对中点电位也无影响。因此，根据中点电位偏移的方向和相电流方向来选取有利于中点电位平衡的小矢量，就可实现对中点电位的控制。由于只选择成对小矢量中的一个小矢量参与合成参考矢量，而不是使用成对两个矢量合成参考矢量，这样使得治理中点电位偏移的速度更快，开关次数更少。

图3示出的是在本实施例中的空间矢量图。如图3所示，空间矢量图由零矢量，小矢量，中矢量和大矢量组成，分为ABCDEF这六个扇区。考虑中点电位不平衡，中点电位偏移较大时，例如串联电容两侧电压比为U_C1/U_C2＝3/7时，成对小矢量大小并不相等，因此有必要考虑成对小矢量大小不相等对参考矢量合成的影响。

图4示出的是在本实施例中，A扇区的矢量合成关系图。如图4所示，A扇区分为三个小扇区，参考矢量U_ref＝U_ref(cosθ+jsinθ)。为方便讨论,令控制周期T_S＝1为单位时间，以A扇区为例进行分析。

(1)当参考电压矢量U_ref位于A1扇区时，电压矢量U₀、U₃和不影响中点电位。U_1N的中点电流为i_a，U_1P的中点电流为-i_a，U_1N和U_1P对中点电位的作用相反。通过判定k和i_a的符号，选择有利于平衡中点电位的小矢量合成参考矢量，分情况进行讨论：

当k<0，i_a<0时，U_C1<U_C2，要平衡中点电位，需使中点电流流出中点，选择U_1P合成参考矢量；

当k<0，i_a>0时，U_C1<U_C2，要平衡中点电位，需使中点电流流出中点，选择U_1N合成参考矢量；

当k>0，i_a<0时，U_C1>U_C2，要平衡中点电位，需使中点电流流入中点，选择U_1N合成参考矢量；

当k>0，i_a>0时，U_C1>U_C2，要平衡中点电位，需使中点电流流入中点，选择U_1P合成参考矢量。

简化上述四种情况为两种情况详细分析：

(1)ki_a<0，用U₀、U_1N和合成参考电压矢量，此时参考矢量合成关系为：

$t_2{U}_2^{*}+t_1{U}_{1N}+t_0{U}_0=U_{ref}$

t₂+t₁+t₀＝1

可得各矢量作用时间：

$t_1=2\sqrt{3}mcos(\mathrm{\&pi;}/3+\mathrm{\&theta;})/(1-k)$

t₂＝3msinθ

t₀＝1-t₁-t₂

若t₀<0，则表明由于调制度较大，参考电压矢量U_ref不能用U₀参与合成，用U₃代替U₀参与合成参考电压矢量U_ref。此时参考矢量合成关系为：

$t_2{U}_2^{*}+t_1{U}_{1N}+t_3{U}_3=U_{ref}$

t₂+t₁+t₃＝1

可得各矢量作用时间：

$t_1=2-2\sqrt{3}msin(\mathrm{\&pi;}/6+\mathrm{\&theta;})/(1+k)$

t₂＝3msinθ

t₃＝1-t₁-t₂

(2)ki_a>0，用U₀、U_1p和合成参考电压矢量，此时参考矢量合成关系为

$t_2{U}_2^{*}+t_1{U}_{1P}+t_0{U}_0=U_{ref}$

t₂+t₁+t₀＝1

可得各矢量作用时间：

$t_1=2\sqrt{3}mcos(\mathrm{\&pi;}/3+\mathrm{\&theta;})/(1+k)$

t₂＝3msinθ

t₀＝1-t₁-t₂

若t₀<0，则表明由于调制度较大，参考电压矢量U_ref不能用U₀参与合成，此时用U₃代替U₀参与合成参考电压矢量U_ref。此时参考矢量合成关系为：

$t_2{U}_2^{*}+t_1{U}_{1P}+t_3{U}_3=U_{ref}$

t₂+t₁+t₃＝1

可得各矢量作用时间：

$t_1=2-2\sqrt{3}msin(\mathrm{\&pi;}/6+\mathrm{\&theta;})/(1-k)$

t₂＝3msinθ

t₃＝1-t₁-t₂

输出对应的电压矢量序列。

(2)参考矢量位于A2扇区

当参考电压矢量U_ref位于A2扇区时，情况和A1扇区类似，电压矢量U₀、U₅和不影响中点电位。U_4N的中点电流为i_c，U_4P的中点电流为-i_c，U_4N和U_4P对中点电位的作用相反。根据ki_c的符号选择有利于中点电位平衡的小矢量(U_4N或U_4P)参与参考电压矢量的合成。

(3)参考矢量位于A3扇区

当参考电压矢量U_ref位于A3扇区时，由于U₃、U₅和的作用不影响中点电压，参考矢量的合成不影响中点电压。此时参考矢量合成关系为：

$t_2{U}_2^{*}+t_5{U}_5+t_3{U}_3=U_{ref}$

t₂+t₅+t₃＝1

可得各矢量作用时间：

t₂＝3-3msin(π/3+θ)

$t_3=\sqrt{3}mcos\mathrm{\&theta;}-1$

$t_5=\sqrt{3}msin(\mathrm{\&pi;}/6+\mathrm{\&theta;})-1$

为保证输出电压波形的平滑性，减小功率开关管的开关损耗，应避免扇区内部和扇区切换过程中的矢量突变，尽量使得每次只有一个开关管动作。

考虑到A1扇区内，ki_a符号可能发生多次变化，当t₀>0时都选择零矢量(0,0,0)为首发矢量；当t₀<0都选择正小矢量(1,1,0)为首发矢量。则输出矢量序列如下：

当ki_a<0，t₀>0时，输出矢量序列为：

(0,0,0)→(0,-1,-1)→(1,0,-1)→(1,1,0)→(1,0,-1)→(0,-1,-1)→(0,0,0)

当ki_a<0，t₀<0时，输出矢量序列为：

(1,1,0)→(1,0,-1)→(1,-1,-1)→(0,-1,-1)→(1,-1,-1)→(1,0,-1)→(1,1,0)

当ki_a>0，t₀>0时，输出矢量序列为：

(0,0,0)→(0,-1,-1)→(1,0,-1)→(1,0,0)→(1,1,0)→(1,0,0)→(1,0,-1)→(0,-1,-1)→(0,0,0)

当ki_a>0，t₀<0时，输出矢量序列为：

(1,1,0)→(1,0,0)→(1,0,-1)→(1,-1,-1)→(0,-1,-1)→(1,-1,-1)→(1,0,-1)→(1,0,0)→(1,1,0)

在A2扇区内，ki_c符号同样可能发生多次变化，为避免扇区内部和扇区切换过程中的矢量突变，选择A1扇区首发矢量为A2扇区首发矢量，即当t₀>0时都选择零矢量(0,0,0)为首发矢量；当t₀<0都选择正小矢量(1,1,0)为首发矢量。A2扇区输出电压矢量序列的方式和A1扇区类似，这里就不详细给出。

在A3扇区内，同样为保证输出电压波形的平滑性，减小功率开关管的开关损耗，应尽量避免扇区内部和扇区切换过程中的矢量突变，尽量使得每次只有一个开关管动作。选择A1、A2扇区的首发矢量为首发矢量，即正小矢量(1,1,0)为首发矢量，输出矢量序列为：

(1,1,0)→(1,1,-1)→(1,0,-1)→(1,-1,-1)→(0,-1,-1)→(1,-1,-1)→(1,0,-1)→(1,1,1)→(1,1,0)

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过将一个大扇区平分为三个小扇区，引入中点电位不平衡度，通过判断中点电位偏移和相电流的方向，选择有利于中点电位平衡的小矢量，精确计算各矢量作用时间，合理安排矢量序列的技术手段，既能在全调制度下消除中点电位的低频波动、有效治理中点电位偏移、提高时间计算精度，又比传统虚拟空间矢量方法开关损耗更低，动态性能更好。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三电平变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，包括：

根据中点电位偏移时小矢量与中矢量的幅值变化情况，对三电平变流器的空间矢量进行重新分区；

根据中点电位偏移时成对小矢量幅值改变情况，计算中点电位不平衡度；

选择有利于平衡中点电位的小矢量，并根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成；

使用参考电压矢量精确控制三电平变流器的中点电位。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，对三电平变流器的空间矢量进行重新分区，为将所述三电平空间矢量的一个大扇区均分为三个小扇区。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成，为将中点电位不平衡度作为描述成对小矢量幅值改变的参量参与参考电压矢量合成。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，根据中点电位不平衡度进行参考电压矢量合成，还包括将虚拟中矢量加入参考电压矢量的合成中，其中，所述虚拟中矢量为中矢量与两个相邻小矢量的矢量和。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，选择有利于平衡中点电位的小矢量，为根据中点电位偏移方与和相电流的方向选择有利于平衡中点电位的小矢量参与合成参考电压矢量。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，当零矢量时间为正时，使用零矢量作为首发矢量；当零矢量时间为负时，使用正小矢量作为首发矢量。