CN105811796B - 一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法 - Google Patents

一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于新的空间矢量调制方法的三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法，定义了一种新的虚拟中矢量，使得在新的空间矢量图的任何区域都包含两对小矢量，将其中中点电压平衡系数值较大的小矢量用于调制中点电压平衡，称为中点电压调节小矢量VSNP；另一对小矢量用于减小开关损耗，称为开关损耗调节小矢量VSSL；通过尽量减小电流最大相的开关次数以及降低开关频率实现开关损耗的减少。因此能够在控制中点电压的前提下，根据相电流的情况合理选择相应的小矢量灵活组成三相开关序列，从而减小器件开关损耗。

Description

一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法
技术领域
本发明涉及三电平逆变器控制策略，尤其涉及一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法。
背景技术
二极管钳位型多电平逆变器存在中线电流流过两个直流侧电容，使两个电容电压分压不均和产生相应的交流波动。中点电压的均衡问题一直是多电平中点钳位型逆变器研究的重点和应用的关键，若不能保证逆变器长时间工作情况下的中点电压平衡，输出波形质量将受到严重影响，极端情况下甚至出现波形退变。近年来二极管中点箝位型逆变器的中点电压平衡问题受到国内外学者的广泛关注，中点电压平衡的控制方法可以分为增加硬件电路和采用控制策略两种类型。采用硬件电路的方法增加了系统的成本和复杂度，因此采用控制策略的方法具有更大的优势。
多电平逆变器的开关器件损耗会影响逆变器的长期稳定运行和使用寿命。如果能减小器件的损耗将有效提高逆变器的使用寿命和可靠性。
发明内容
为了能够在解决中点电压平衡的基础上，减小了器件的损耗，本发明提供以下技术方案：
一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法，包括以下步骤：
S1、以A大区为例，定义新的虚拟中矢量:
VNM0＝kA0VM0+kA1VS0+kA2VS1；其中，kA0,kA1,kA2∈[0,1]，且
kA0+kA1+kA2＝1；VS0为小矢量POO/ONN，VS1为小矢量PPO/OON，VM0为中矢量；由于新的虚拟中矢量包括两对小矢量，控制更加灵活，因此可以通过调整参数kA0，kA1，kA2控制中矢量和各小矢量的作用时间，实现中点电压平衡和其他优化目标的控制。
S2、利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟中矢量定义；并绘制新的空间矢量图；
S3、在新的空间矢量图中，确定参与合成参考矢量的新空间矢量和对应的基本矢量，以A大区为例：
区域 合成矢量 对应的基本矢量状态
A1 VZ,VS0,VS1 PPP,OOO,NNN,POO,ONN,PPO,OON
A2 VS0,VNM0,VL0 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON
A3 VS0,VNM0,VS1 POO,ONN,PPO,PON,OON
A4 VS1,VNM0,VL1 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON
A5 VL0,VNM0,VL1 PNN,PPO,PON,ONN,PPN,POO,OON
S4、定义中点电压平衡系数：Q＝ixd(VSi)TSW，式中，VSi为参与合成参
考矢量的基本小矢量，ix为该基本小矢量的对应的相电流(x＝a,b,c)，d(VSi)该基本小矢量对应的占空比(包括参与最近三矢量合成的小矢量本身的占空比和合成新虚拟中矢量的该小矢量占空比之和)，Tsw为开关周期；
例如在A3小区内，参考矢量Vref由小矢量VS0，VS1和新的虚拟中矢量VNM0合成，其占空比分别为d(VS0)、d(VS1)和d(VNM0)，根据新的虚拟中矢量表达式，可得
Q(VS0)＝ia[d(VS0)+kA1d(VNM0)]TSW (1)
Q(VS1)＝ic[d(VS1)+kA2d(VNM0)]TSW (2)
S5、提出中点电压平衡和损耗减小相结合的控制方法：分别计算参与合成参考矢量的两对小矢量的电压平衡系数Q值，将Q值较大的小矢量用于调制中点电压平衡，称为中点电压调节小矢量VSNP；另一对小矢量用于减小开关损耗，称为开关损耗调节小矢量VSSL；通过尽量减小电流最大相的开关次数以及降低开关频率实现开关损耗的减少。
以A大区为例，可以得到A大区在各个小区中的开关序列如下表所示：
例如在A1区域，假设Q(VS0)>Q(VS1)，因此采用VS0(POO/ONN)为中点电压调节小矢量VSNP，而采用VS1(PPO/OON)为开关损耗减小调节小矢量VSSL。假设中点电压降低了，用POO矢量来调节中点电压，那么这种情况下可以使用的矢量有POO、PPO、OON和零矢量；
假设当前A相电流最大，需要保证A相的开关次数尽可能的少，所以可以设置A相的开关序列为POO-PPO-PPP-PPO-POO,因为最大电流相A相的开关次数为零，所以降低了损耗；假设当前B相电流最大，则开关序列可以设置成POO-OOO-OON-OOO-POO，由于B相开关次数为零，所以降低了损耗；假设当前C相电流最大，则开关序列可以设置成PPO-POO-OOO-POO-PPO，由于C相开关次数为零，所以降低了损耗；
进一步的，步骤S1中kA0，kA1，kA2的取值需考虑最小脉冲宽度和加入死区时间的影响。因为开关管的开通过程和关断过程都需要时间的，一般设置一个死区时间大于开关管的开通时间和关断时间，实际中要等互补的管子完全关断才能打开要开的管子。
本发明描述的调制方法可以应用于各种钳位型多电平变频器、光伏逆变器、微网储能变流器、有源电力滤波器和电力电子变压器等变流器场合。
本发明的有益效果在于：
(1)、重新定义虚拟中矢量，包括两对小矢量，控制更加灵活，使得在新的空间矢量图的任何区域内，合成参考矢量的基本矢量都包含两对正、负小矢量，能够克服传统调制方法中存在中点电压不能完全平衡的问题；
(2)、能在有效控制中点电压波动的前提下，采用中点电压调整系数大的小矢量来控制中点电压平衡，另一个小矢量用于减小开关损耗，与传统的SVPWM方法和虚拟空间矢量调制方法相比，提出的控制策略在有效实现中点电压的平衡控制的同时，可以减小器件的开关损耗。
附图说明
图1、传统的三电平空间矢量图。
图2、本发明的新三电平空间矢量图。
图3、本发明的实施例对应的A大区的新空间矢量图。
图4(a)、A2区，以POO控制中点电压时，传统空间矢量调制方法开关序列图。
图4(b)、A2区，以POO控制中点电压时，虚拟空间矢量调制方法开关序列图。
图4(c)、A2区，以POO控制中点电压时，本发明的空间矢量调制方法开关序列图。
具体实施方式
一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法，包括以下步骤：
S1、以A大区为例，定义新的虚拟中矢量:
VNM0＝kA0VM0+kA1VS0+kA2VS1；其中，kA0,kA1,kA2∈[0,1]，且
kA0+kA1+kA2＝1；VS0为小矢量POO/ONN，VS1为小矢量PPO/OON，VM0为中矢量；由于新的虚拟中矢量包括两对小矢量，控制更加灵活，因此可以通过调整参数kA0，kA1，kA2控制中矢量和各小矢量的作用时间，实现中点电压平衡和其他优化目标的控制。在实际应用中kA0，kA1，kA2的取值要考虑窄脉冲和加入死区时间的影响。
本实施例中，取
S2、利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟中矢量定义；并绘制新的空间矢量图；如图2所示；其中A大区如图3所示；
S3、在新的空间矢量图中，确定参与合成参考矢量的新空间矢量和对应的基本矢量，以A大区为例：
区域 合成矢量 对应的基本矢量状态
A1 VZ,VS0,VS1 PPP,OOO,NNN,POO,ONN,PPO,OON
A2 VS0,VNM0,VL0 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON
A3 VS0,VNM0,VS1 POO,ONN,PPO,PON,OON
A4 VS1,VNM0,VL1 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON
A5 VL0,VNM0,VL1 PNN,PPO,PON,ONN,PPN,POO,OON
S4、定义中点电压平衡系数：Q＝ixd(VSi)TSW，式中，VSi为参与合成参考矢量的基本小矢量，ix为该基本小矢量的对应的相电流(x＝a,b,c)，d(VSi)该基本小矢量对应的占空比(包括参与最近三矢量合成的小矢量本身的占空比和合成新虚拟中矢量的该小矢量占空比之和)，Tsw为开关周期；
例如在A3小区内，参考矢量Vref由小矢量VS0，VS1和新的虚拟中矢量VNM0合成，其占空比分别为d(VS0)、d(VS1)和d(VNM0)，根据新的虚拟中矢量表达式，可得
Q(VS0)＝ia[d(VS0)+kA1d(VNM0)]TSW (1)
Q(VS1)＝ic[d(VS1)+kA2d(VNM0)]TSW (2)
S5、提出中点电压平衡和损耗减小相结合的控制方法：分别计算参与合成参考矢量的两对小矢量的电压平衡系数Q值，将Q值较大的小矢量用于调制中点电压平衡，称为中点电压调节小矢量VSNP；另一对小矢量用于减小开关损耗，称为开关损耗调节小矢量VSSL；通过尽量减小电流最大相的开关次数以及降低开关频率实现开关损耗的减少。
以A大区为例，可以得到A大区在各个小区中的开关序列如下表所示：
例如在A1区域，假设Q(VS0)>Q(VS1)，因此采用VS0(POO/ONN)为中点电压调节小矢量VSNP，而采用VS1(PPO/OON)为开关损耗减小调节小矢量VSSL。假设中点电压降低了，用POO矢量来调节中点电压，那么这种情况下可以使用的矢量有POO、PPO、OON和零矢量；
假设当前A相电流最大，需要保证A相的开关次数尽可能的少，所以可以设置A相的开关序列为POO-PPO-PPP-PPO-POO,因为最大电流相A相的开关次数为零，所以降低了损耗；假设当前B相电流最大，则开关序列可以设置成POO-OOO-OON-OOO-POO，由于B相开关次数为零，所以降低了损耗；假设当前C相电流最大，则开关序列可以设置成PPO-POO-OOO-POO-PPO，由于C相开关次数为零，所以降低了损耗。
又如在A2区域，设此时VS0的中点电压调制系数较大，当采用POO控制中点电压时，采用传统的空间矢量调制方法，得到的七段式方法开关序列如图4(a)所示；采用虚拟空间矢量方法开关序列如图4(b)所示；而采用本发明的空间矢量调制方法时，根据提出的损耗减小控制策略采用图4(c)所示的开关序列，与上述方法比较三相总开关次数最少，且实现了a相无开关动作，因此有效的降低了开关损耗。
本发明描述的调制方法可以应用于各种钳位型多电平变频器、光伏逆变器、微网储能变流器、有源电力滤波器和电力电子变压器等变流器场合。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以A大区为例，定义新的虚拟中矢量:VNM0＝kA0VM0+kA1VS0+kA2VS1；其中，kA0,kA1,kA2∈[0,1]，且kA0+kA1+kA2＝1；VS0为小矢量POO/ONN，VS1为小矢量PPO/OON，VM0为中矢量PON；
S2、利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟中矢量定义；并绘制新的空间矢量图；
S3、在新的空间矢量图中，确定参与合成参考矢量的新空间矢量和对应的基本矢量，以A大区为例：
区域 合成矢量 对应的基本矢量状态 A1 VZ,VS0,VS1 PPP,OOO,NNN,POO,ONN,PPO,OON A2 VS0,VNM0,VL0 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON A3 VS0,VNM0,VS1 POO,ONN,PPO,PON,OON A4 VS1,VNM0,VL1 POO,ONN,PPO,PON,PNN,OON A5 VL0,VNM0,VL1 PNN,PPO,PON,ONN,PPN,POO,OON
S4、定义中点电压平衡系数：Q＝ixd(VSi)TSW，式中，VSi为参与合成参考矢量的基本小矢量，ix为该基本小矢量的对应的相电流，其中x＝a,b,c，d(VSi)该基本小矢量对应的占空比，包括参与最近三矢量合成的小矢量本身的占空比和合成新虚拟中矢量的该小矢量占空比之和，Tsw为开关周期；
S5、提出中点电压平衡和损耗减小相结合的控制方法：分别计算参与合成参考矢量的两对小矢量的电压平衡系数Q值，将Q值较大的小矢量用于调制中点电压平衡，称为中点电压调节小矢量VSNP；另一对小矢量用于减小开关损耗，称为开关损耗调节小矢量VSSL；通过尽量减小电流最大相的开关次数以及降低开关频率实现开关损耗的减少。
2.如权利要求1所述的一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法，其特征在于：步骤S1中kA0，kA1，kA2的取值需考虑最小脉冲宽度和加入死区时间的影响。
3.采用如权利要求1所述的一种三电平逆变器中点电压平衡和损耗减小控制方法的钳位型多电平变频器、光伏逆变器、微网储能变流器、有源电力滤波器或电力电子变压器。
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