CN105978374A - 三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制的方法，主要为提出了一种新的VSVM方法，将新的虚拟零矢量定义为仅包括零矢量OOO；将新的虚拟小矢量定义为由原负小矢量和与之相邻的两个负小矢量合成；将新的虚拟中矢量定义为由原中矢量和与之相邻的两个中矢量合成。采用上述空间矢量定义方法，各合成矢量不会使中点电压发生波动，且合成新型虚拟空间矢量的基本矢量不包含正小矢量和零矢量PPP和NNN，因此输出共模电压较小。当外界非线性因素使中点电压发生波动时，在新虚拟空间矢量调制策略的基础上，通过比较三相负载电流的大小，对各合成矢量的作用时间分配因子进行适当的调整，从而对中点电压平衡进行控制。

Description

三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制的方法

技术领域

本发明涉及三电平逆变器控制策略，尤其涉及三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制的方法。

背景技术

为确保多电平NPC逆变器长期可靠、稳定的运行，必须保证中点电压平衡。近年来中点电压平衡问题受到国内外学者的广泛关注。其控制策略主要有以下几种：(1)注入零序分量的载波正弦PWM；(2)基于特定谐波消除PWM，通过微调特定谐波消除PWM开关角来改变零状态的作用时间达到控制中点电压；(3)基于空间矢量PWM(Space Vector Modulation，SVM)，通过控制矢量作用时间分配因子实现对中点电压的控制；(4)基于虚拟空间矢量调制(Virtual SVM，VSVM)，在任意调制度和功率因数时能够有效保持中点电压的平衡；(5)混合PWM，对于正负小矢量不能成对出现的扇区，根据相电流的变化情况，使调制在传统算法和基于虚拟矢量的算法之间切换，从而削弱中矢量对中点电流不可控的影响。上述调制方法，虽然能有效的控制中点电压平衡，但由于合成参考矢量的基本矢量包含有输出共模电压幅值较大的矢量，因此共模电压输出较大。

在带电机负载的多电平逆变系统中，降低逆变器输出共模电压的幅值，可以预防定子绕组绝缘击穿、延长轴承寿命、减小电磁干扰。因此对逆变器输出的共模电压抑制进行研究具有重要的工程意义。为了消除或者抑制三相多电平逆变器输出侧的共模电压，提高系统的可靠性，国内外的学者进行了大量的研究。现有的研究在抑制共模电压时，较少考虑中点电压的平衡，若中点电压发生较大波动，则共模电压幅值也会随之改变，导致输出波形受到较大影响。

发明内容

为了在保证中点电压平衡的前提下将共模电压抑制在一个较小的范围内，本发明提供以下技术方案：

三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制的方法，包括以下步骤：

S1、定义新的虚拟零矢量：V_NVZ＝V_OOO；由于零矢量产生的中点电流为0，所以对中点电压没影响；且新型的虚拟零矢量仅由零矢量OOO合成，而零矢量OOO产生的共模电压幅值为0。

定义新的虚拟小矢量为由原负小矢量和与之相邻的两个负小矢量合成，以A大区为例，V_NVS0＝m_S00V_POO+m_S01V_OON+m_S02V_ONO；其中，m_S00,m_S01,m_S02∈[0,1]，且m_S00+m_S01+m_S02＝1；

V_NVS1＝m_S10V_OON+m_S11V_OPO+m_S12V_POO；其中，m_S10,m_S11,m_S12∈[0,1]，且m_S10+m_S11+m_S12＝1；利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟小矢量定义；

当m_S00＝m_S01＝m_S02＝m_S10＝m_S11＝m_S12＝1/3。小矢量POO，OON，ONO，OPO产生的中点电流分别为-i_a，-i_c，-i_b，-i_b。因此，虚拟小矢量V_NVS0和V_NVS1产生的中点电流都为

$i_{np}=\frac{1}{3}(-i_a-i_b-i_c)=-\frac{1}{3}(i_a+i_b+i_c);$

因此当输出三相电流和为零时，新虚拟小矢量产生的中点电流为零，所以使用新的虚拟小矢量不产生中点电压偏移；又因新的虚拟小矢量只用到了负小矢量，所以新的虚拟小矢量产生的共模电压最大幅值为U_dc/6，从而降低了共模电压输出。

定义新的虚拟中矢量为由原中矢量和与之相邻的两个中矢量合成；V_NVM0＝m_M0V_OPN+m_M1V_PON+m_M2V_PNO；当m_M0＝m_M1＝m_M2＝1/3时，中矢量OPN，PON，PNO产生的中点电流分别为i_a，i_b，i_c。新的虚拟中矢量V_NVM0作用时，对应的中点电流为

$i_{np}=\frac{1}{3}(i_a+i_b+i_c);$

因此合成的新的虚拟中矢量产生的中点电流为0，对中点电压没有影响；且由新的虚拟中矢量产生的共模电压幅值为0。

由新的虚拟零矢量、虚拟小矢量、虚拟中矢量绘制得到新的空间矢量图；

S2、将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中，通过坐标变换，得到g-h坐标系下A-F大区的空间矢量坐标；

S3、提出新的矢量分区方法：仅需简单的逻辑判断；

S31、大区分区方法：设参考电压矢量在g-h坐标系中的坐标为(v_rg,v_rh)，参考矢量所处的大区位置通过下表简单的逻辑判断得到：

大区

A

B

C

D

E

F

vrg

>0

<0

<0

<0

>0

>0

vrh

>0

>0

>0

<0

<0

<0

vrg+vrh

--

>0

<0

--

<0

>0

S32、新的小区分区方法：以A大区为例，参考矢量所在的小区通过下表简单的逻辑判断得到：B-F大区的小区分区方法与A区类似；

分区规则仅含有简单的逻辑判断，能够简化大量的三角运算。

S4、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	VNZ,VNS1,VNS2	OOO,OON,POO,ONO,OPO
A2	VNS1,VNM1,VNL1	OON,POO,ONO,OPN,PON,PNO,PNN
			A3	VNS1,VNM1,VNS2	OON,POO,ONO,OPO,OPN,PON,PNO
A4	VNS2,VNM1,VNL2	OPO,OON,POO,OPN,PON,PNO,PPN
			A5	VNL1,VNM1,VNL2	OPN,PON,PNO,PPN,PNN

参考矢量位于空间矢量图的任何区域时，其合成矢量中都不包含正小矢量和零矢量PPP和NNN。因此逆变器的输出共模电压幅值较小。

S5、根据与三电平逆变器连接的上下电容电压差值判定是否需要平衡中点电压，若需要平衡中点电压，则比较DSP实时采样得到三相负载电流，然后判断产生中点电流值最大的矢量，通知增加该矢量的作用时间、相应减少其他两矢量的作用时间，调整作用时间分配因子合成虚拟小矢量与虚拟中矢量；若不需要平衡中点电压，则根据步骤S1中的定义合成虚拟小矢量和虚拟中矢量。

进一步的，以A大区为例，步骤S1中取m_S00＝m_S01＝m_S02＝m_S10＝m_S11＝m_S12＝1/3，设k_np为中点电流调整因子，且0<k_np<2/3，则需要平衡中点电压且a相负载电流值最大时，虚拟小矢量的定义为： 其合成虚拟小矢量产生的中点电流变为：

虚拟中矢量的定义为：其合成虚拟中矢量产生的中点电流变为：

当a相负载电流为正时，则改变作用时间分配因子后的虚拟小矢量使中点电压降低，虚拟中矢量使中点电压增加。因此当中点电压发生偏移时，通过微调各合成矢量的作用时间分配因子，可以有效控制中点电压平衡。待中点电压平衡后，再采用提出的新虚拟空间矢量调制策略对三电平ANPC逆变器的输出共模电压进行控制。

上述三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制方法能够应用于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。

本发明的有益效果在于：合成的新型虚拟空间矢量产生的中点电流都为零，对中点电压都没有影响，从而使得逆变器的中点电压得到了有效的平衡，又由于新的虚拟空间矢量舍弃了正小矢量和PPP、NNN零小矢量的使用，所以逆变器输出的共模电压的最大幅值可以抑制在U_dc/⁶范围内，从而提高了逆变器的工作性能。

附图说明

图1、三电平逆变器拓扑。

图2、传统的三电平空间矢量图。

图3、本发明的新三电平空间矢量图。

图4、本发明的实施例对应的A大区的新空间矢量图。

图5、本发明实施例的中点电压平衡控制策略系统结构框图。

具体实施方式

图1为三相三电平ANPC逆变器拓扑：每相桥臂由六个开关器件S_x1，S_x2，S_x3，S_x4，S_x5，S_x6(其中x表示a,b,c三相)组成；C1和C2分别为上下电容；

图2为传统三电平空间矢量图(Space Vector Diagram,SVD)。整个空间矢量图分为A～F六个大区，每个大区性质类似。三电平逆变器的基本矢量按照模长可以分为6个大矢量、6个中矢量、6对正负小矢量和3个零矢量。

通过分析可得到三电平矢量状态和共模电压幅值之间的关系如下表所示：

表1 三电平矢量状态和共模电压幅值表

由上表可知正小矢量ONN、PPO、NON、OPP、NNO、POP和零矢量PPP、NNN这8种开关矢量状态产生的共模电压幅值较大，如果不选择这8种开关状态，而选择另外的19种开关状态去合成参考矢量，共模电压幅值的绝对值将会被限制在小于或等于U_dc/6的范围内。

为了在有效实现中点电压平衡的同时，抑制共模电压的输出，提出一种新的虚拟空间矢量调制方法，设计新型虚拟矢量的原则为：(1)减小中矢量对中点电流的影响；(2)合成新型虚拟空间矢量的基本矢量不包含正小矢量和零矢量PPP和NNN，因此输出共模电压较小。

下面以A大区为例进行研究，其他大区分析方法类似。

(1)新虚拟零矢量

新的虚拟零矢量仅包括零矢量OOO，如式(1)。

V_NVZ＝V_OOO (1)

由于零矢量产生的中点电流为0，所以对中点电压没影响；且由表1可知新型的虚拟零矢量产生的共模电压幅值为0。

(2)新虚拟小矢量

新型的虚拟小矢量由原负小矢量和与之相邻的两个负小矢量合成，以小矢量V_S0和V_S1为例，设对应的新虚拟小矢量V_NVS0和V_NVS1分别如式(2)和(3)。

V_NVS0＝m_S00V_POO+m_S01V_OON+m_S02V_ONO (2)

V_NVS1＝m_S10V_OON+m_S11V_OPO+m_S12V_POO (3)

当m_S00＝m_S01＝m_S02＝m_S10＝m_S11＝m_S12＝1/3。小矢量POO，OON，ONO，OPO产生的中点电流分别为-i_a，-i_c，-i_b，-i_b。因此，虚拟小矢量V_NVS0和V_NVS1产生的中点电流都为

$i_{np}=\frac{1}{3}(-i_a-i_b-i_c)=-\frac{1}{3}(i_a+i_b+i_c)---\left(4\right)$

因此当输出三相电流和为零时，新虚拟小矢量产生的中点电流为零，所以使用新的虚拟小矢量不产生中点电压偏移；又因新的虚拟小矢量只用到了负小矢量，所以由表1可知，新的虚拟小矢量产生的共模电压最大幅值为U_dc/6，从而降低了共模电压输出。

(3)定义新的虚拟中矢量为由原中矢量和与之相邻的两个中矢量合成；新虚拟中矢量为

V_NVM0＝m_M0V_OPN+m_M1V_PON+m_M2V_PNO (5)

当m_M0＝m_M1＝m_M2＝1/3时，中矢量OPN，PON，PNO产生的中点电流分别为i_a，i_b，i_c。新的虚拟中矢量V_NVM0作用时，对应的中点电流为

$i_{np}=\frac{1}{3}(i_a+i_b+i_c)---\left(6\right)$

因此合成的新的虚拟中矢量产生的中点电流为0，对中点电压没有影响；且由表1可知新的虚拟中矢量产生的共模电压幅值为0。

根据提出的虚拟空间矢量合成规则，可以得到三电平逆变器新的空间矢量图如图3所示，每个大区可以分为五个小区。为了简化矢量分区和作用时间的计算，将g-h坐标系引入到新的空间矢量图中，下面提出了分区方法和作用时间的计算方法。通过坐标变换，得到g-h坐标系下A大区各矢量坐标如图4所示。

新的矢量分区方法：

设参考电压矢量在g-h坐标系中的坐标为(v_rg,v_rh)，参考矢量所处的大区位置通过下表简单的逻辑判断得到：

大区

A

B

C

D

E

F

vrg

>0

<0

<0

<0

>0

>0

vrh

>0

>0

>0

<0

<0

<0

vrg+vrh

--

>0

<0

--

<0

>0

以A大区为例，通过如表2简单的算术运算可以得到参考矢量所处的小区。其它大区算法类似。由表2可见，分区规则仅含有简单的逻辑判断，能够简化大量的三角运算。

表2 A区判断规则

在一个控制周期内，一个给定的参考电压矢量由最近三个矢量合成，以A区为例，每个小三角形矢量选择如表3所示。

表3 A区空间矢量选择表

区域	合成矢量	对应的基本矢量状态
			A1	VNZ,VNS1,VNS2	OOO,OON,POO,ONO,OPO
A2	VNS1,VNM1,VNL1	OON,POO,ONO,OPN,PON,PNO,PNN
			A3	VNS1,VNM1,VNS2	OON,POO,ONO,OPO,OPN,PON,PNO
A4	VNS2,VNM1,VNL2	OPO,OON,POO,OPN,PON,PNO,PPN
			A5	VNL1,VNM1,VNL2	OPN,PON,PNO,PPN,PNN

从表3可见，参考矢量位于空间矢量图的任何区域时，其合成矢量中都不包含正小矢量和零矢量PPP和NNN。因此逆变器的输出共模电压幅值较小。

如图5所示的中点电压平衡控制策略为：

通过以上分析知，虽然在提出的新虚拟空间矢量调制策略的控制下，各合成矢量产生的中点电流为零，这使得在任意调制度任意功率因数下其中点电位的波动为零，但在逆变器实际运行过程中由于一些外界因素和非线性因数的影响，可能会导致直流侧上下两电容电压不平衡，影响系统运行。

在中点电位出现偏移时，提出的虚拟空间矢量调制策略与传统的SVM和VSVM方法不同，不存在成对的正负小矢量，因而对中点电位无调节作用，为了解决此问题，在新虚拟空间矢量调制策略的基础上，通过比较三相负载电流的大小，对各合成矢量的作用时间分配因子进行适当的调整，从而对中点电压平衡进行控制。下面将作详细介绍。

假设实时采集到的三相负载电流，a相负载电流值最大。设k_np为中点电流调整因子，且0<k_np<2/3。以A大区为例，在合成虚拟小矢量V_NVS0和V_NVS1时，若增加产生中点电流为i_a的小矢量POO的作用时间，则式(2)和(3)变为：

$V_{NVS0}=(\frac{1}{3}+k_{np})V_{POO}+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})V_{OON}+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})V_{ONO}---\left(7\right)$

$V_{NVS1}=(\frac{1}{3}+k_{np})V_{POO}+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})V_{OPO}+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})V_{OON}---\left(8\right)$

其合成虚拟小矢量产生的中点电流变为：

$i_{np}=-\&lsqb;(\frac{1}{3}+k_{np})i_a+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})i_b+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})i_c\&rsqb;=-\frac{3}{2}{k}_{np}{i}_a---\left(9\right)$

在合成虚拟中矢量V_NVM0时，若增加产生中点电流为i_a的中矢量OPN的作用时间，则式(5)变为：

$V_{NVM0}=(\frac{1}{3}+k_{np})V_{OPN}+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})V_{PON}+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})V_{PNO}---\left(10\right)$

其合成虚拟中矢量产生的中点电流变为：

$i_{np}=(\frac{1}{3}+k_{np})i_a+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})i_b+(\frac{1}{3}-\frac{k_{np}}{2})i_c=\frac{3}{2}{k}_{np}{i}_a---\left(11\right)$

当a相负载电流为正时，则改变作用时间分配因子后的虚拟小矢量使中点电压降低，虚拟中矢量使中点电压增加。因此当中点电压发生偏移时，通过微调各合成矢量的作用时间分配因子，可以有效控制中点电压平衡，并且共模电压也能进行有效控制。待中点电压平衡后，再采用提出的新虚拟空间矢量调制策略对三电平ANPC逆变器的输出共模电压进行控制。

图5给出了整个系统的控制图，图中：NVSVM为本发明提出的新三电平空间矢量图，根据上下电容C1、C2电压差值判定是否需要平衡中点电位，若需要平衡中点电位，则比较DSP实时采样得到的三相负载电流大小，然后判断产生中点电流值最大的矢量，通过增加该矢量的作用时间，按照式(7)、(8)、(10)调整作用时间分配因子合成虚拟小矢量与虚拟中矢量。若不需要平衡中点电位，则根据式(2)、(3)、(5)合成虚拟小矢量与虚拟中矢量。根据各矢量的作用时间计算出每一相各状态的占空比，并最终写入DSP的比较寄存器，然后和由定时器所产生的三角载波进行比较产生相应的PWM波形，驱动功率器件工作。

以上述依据本发明理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、定义新的虚拟零矢量：V_NVZ＝V_OOO；

定义新的虚拟小矢量为由原负小矢量和与之相邻的两个负小矢量合成，以A大区为例，V_NVS0＝m_S00V_POO+m_S01V_OON+m_S02V_ONO；其中，m_S00,m_S01,m_S02∈[0,1]，且m_S00+m_S01+m_S02＝1；

V_NVS1＝m_S10V_OON+m_S11V_OPO+m_S12V_POO；其中，m_S10,m_S11,m_S12∈[0,1]，且m_S10+m_S11+m_S12＝1；利用各大区的对称性得到B-F大区的虚拟小矢量定义；

定义新的虚拟中矢量为由原中矢量和与之相邻的两个中矢量合成；由新的虚拟零矢量、虚拟小矢量、虚拟中矢量绘制得到新的空间矢量图；

S2、将基于60°的g-h坐标系引入到新的空间矢量图中，通过坐标变换，得到g-h坐标系下A-F大区的空间矢量坐标；

S31、大区分区方法：设参考电压矢量在g-h坐标系中的坐标为(v_rg,v_rh)，参考矢量所处的大区位置通过下表简单的逻辑判断得到：

大区 A B C D E F v_rg >0 <0 <0 <0 >0 >0 v_rh >0 >0 >0 <0 <0 <0 v_rg+v_rh -- >0 <0 -- <0 >0

S32、新的小区分区方法：以A大区为例，参考矢量所在的小区通过下表简单的逻辑判断得到：B-F大区的小区分区方法与A区类似；

S4、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 V_NZ,V_NS1,V_NS2 OOO,OON,POO,ONO,OPO A2 V_NS1,V_NM1,V_NL1 OON,POO,ONO,OPN,PON,PNO,PNN A3 V_NS1,V_NM1,V_NS2 OON,POO,ONO,OPO,OPN,PON,PNO A4 V_NS2,V_NM1,V_NL2 OPO,OON,POO,OPN,PON,PNO,PPN A5 V_NL1,V_NM1,V_NL2 OPN,PON,PNO,PPN,PNN

S5、根据与三电平逆变器连接的上下电容电压差值判定是否需要平衡中点电压，若需要平衡中点电压，则比较DSP实时采样得到三相负载电流，然后判断产生中点电流值最大的矢量，通知增加该矢量的作用时间、相应减少其他两矢量的作用时间，调整作用时间分配因子合成虚拟小矢量与虚拟中矢量；若不需要平衡中点电压，则根据步骤S1中的定义合成虚拟小矢量和虚拟中矢量。

2.如权利要求1所述的三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑制的方法，其特征在于：以A大区为例，步骤S1中取m_S00＝m_S01＝m_S02＝m_S10＝m_S11＝m_S12＝1/3，设k_np为中点电流调整因子，且0<k_np<2/3；则需要平衡中点电压且a相负载电流值最大时，虚拟小矢量的定义为： 虚拟中矢量的定义为：

3.采用如权利要求1所述的三电平逆变器中点电压平衡和共模电压抑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、有源电力滤波器和电力电子变压器。