CN106712556A

CN106712556A - 一种三电平h桥五电平逆变器直流侧电容电压平衡方法

Info

Publication number: CN106712556A
Application number: CN201710140071.5A
Authority: CN
Inventors: 戴鹏; 周凯; 李敏; 石聪聪; 朱晓莹; 蔡明哲; 高爱杰; 崔琪; 张婉
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2017-05-24

Abstract

本发明公开了一种三电平H桥五电平逆变器直流侧电容电压平衡方法。本发明基于传统MPC算法，以跟踪参考电压为主要目标，同时有效平衡三相直流侧电容电压。首先对五电平的所有空间电压矢量建立其对应的数学模型，并计算出每个矢量作用时的各相电流值，归类分析各电压矢量对电容中点电位的影响；其次，在空间矢量图中，利用SVPWM算法快速确定参考电压大小和位置，选择每次参与预测的位置和平衡矢量；然后，对三电平H桥五电平逆变器建立其离散化的开关、负载及直流侧电容电压的数学模型。最后，构造合适的代价函数，对所选的位置和平衡矢量进行寻优。本发明能够实现对三相电容中点电位的实时平衡，同时也保证了逆变器的输出性能。此外，由于每次寻优矢量由4个平衡矢量和3个位置矢量构成，因此运算量小，效率高。

Description

一种三电平H桥五电平逆变器直流侧电容电压平衡方法

技术领域

本发明涉及中高压变频、柔性交流输电以及HVDC技术领域，特别是涉及三电平H桥(NPC/H桥)级联逆变器直流侧电容电压的平衡控制。

背景技术

近年来，多电平逆变器被广泛应用于高压大功率场合中。其相对于传统的两电平逆变器，具有提高电压和功率的应用等级、减小共模电压输出、在较低的开关频率下具有很好的谐波性能等优势。一般地，多电平逆变器主要有二极管钳位、飞跨电容钳位以及级联H桥三种拓扑。其中，级联H桥又可分为两电平H桥级联和三电平H桥(NPC/H桥)级联。与二极管钳位型和电容钳位型拓扑相比，三电平H桥不需要许多钳位电容和二极管，增加了系统的稳定性。与两电平H桥级联相比，则具有减少直流侧电源数量、易于实现模块化及集成化等优点。

但是三电平H桥存在直流侧电容电压不平衡的问题，目前，采用的解决方案是用两个6脉波整流装置得到两个独立的直流电为每一相供电，这不仅增加了拓扑结构的复杂性，更增加了系统电路的成本，同时也弱化了三电平H桥的优势。因此，对于三电平H桥，只有平衡直流侧电容电压才能确保系统高效、稳定、经济地运行。

中国专利文献号201410474690.4公开了“一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法”，将参考电压与三角载波进行比较，根据比较结果生成左桥臂四个IGBT的脉冲信号，再将左桥臂的脉冲反向对称赋给右桥臂。该方法虽然能平衡电容电压，但是会影响变流器的输出性能，且动态性能较差。

发明内容

针对在使用三电平H桥级联逆变器设备中直流侧电容电压不平衡，且相关解决算法存在动态响应能力差、输出性能降低等问题，本发明的目的提供了一种三电平H桥五电平逆变器直流侧电容电压平衡控制方法。

本发明所采用的技术方案是：

建立五电平所有空间电压矢量的数学模型，计算出各相的电流值，归类分析各电压矢量对电容中点电位的影响；

利用SVPWM算法快速确定参考电压的位置，并确定相应的平衡矢量和位置矢量；

对三电平H桥五电平逆变器带阻感负载系统进行离散化，并建立其开关、负载及直流侧电容电压数学模型；

构建电压预测控制的代价函数，对所选的平衡矢量和位置矢量寻优，将每个开关周期最优的电压矢量对应的开关状态输出；

与现有技术相比，既能保证逆变器的输出性能，同时又可以有效平衡三相直流侧电容电压，且具有很强的动态性能，此外，每个开关周期寻优次数少、计算量小、效率高。该方法能够应用于使用三电平H桥级联型的设备如：静态无功补偿器(SVG)、有源滤波器(APF)、功率变换器(PCS)等。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2是本发明的实施例的三相三电平H桥五电平逆变器拓扑结构示意图，本发明中涉及的所有变量符号均已在图2中标明；

图3所示为本发明的实施例的各输出状态下的单相三电平H桥五电平逆变器电路图；

图4为电压矢量简化数学模型；

图5为五电平空间矢量图；

图6为本发明预测控制算法的结构框图；

图7是三相直流侧电容电压平衡仿真图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案；

参阅图2所示的三相三电平H桥五电平逆变器直流侧电容电压的平衡控制，采用本发明的技术方案；

图2所示拓扑结构每相可以输出{V_dc，V_dc/2，0，-V_dc/2，V_dc}五种状态，分别以状态S_x＝{2、1、0、-1、-2}表示。

三电平H桥五电平逆变器对应脉冲映射为：状态“V_dc”对应“1100 0011”，状态“V_dc/2”对应“1100 0110”，状态“0”对应“0110 0110”，状态“-V_dc/2”对应“0110 1100”，状态“-V_dc”对应“0011 1100”；

图3所示为各状态下的单相电路结构图，V_dc/2和-V_dc/2会影响电容充放电，其余三个状态对电容中点电位无影响；

建立五电平所有空间电压矢量的数学模型(简化电路)，以12-1为例说明如图4所示，同时计算出各相的相电流如公式(1)：

式中，V_dc为直流侧总电压，V_X1、V_X2(X＝A、B、C)为各相两电容电压，|Z|为阻感值，i_a、i_b、i_c为相电流值；

按照步骤[0025]可以对所有电压矢量进行分析并归类，对电容电压有影响的电压总共有23类(221、212、122为一类)如表1所示，其中“↑”表示各相电容中点电位升高，“↓”表示各相电容中点电位降低，“-”表示各相电容中点电位保持不变。(其中021和0-2-1类的电压矢量对电容中点电位影响非常小)；

表1

由步骤[0026]知，五电平所有的空间电压矢量只有221、121、-2-2-1、-1-2-1这四类使得三相直流侧电容中点电位下降，因此这四类电压矢量可作为每个大扇区的平衡矢量，如表2所示；

表2

扇区	平衡矢量
		Ⅰ	-1-2-2,211,-1-1-2,221
Ⅱ	-1-1-2,221,-2-1-2,121
		Ⅲ	-2-1-2,121,-2-1-1,122
Ⅳ	-2-1-1,122,-2-2-1,112
		Ⅴ	-2-2-1,112,-1-2-1,212
Ⅵ	-1-2-1,212,-1-2-2,211

利用基于g-h坐标系的SVPWM算法快速确定参考电压U_f所在图5空间矢量图中的小三角形、小三角形的顶点矢量及其冗余矢量；

由步骤[0026]中的表1可以判断步骤[0028]中确定的电压矢量对电容中点电位的影响，保留含有“1”或“-1”最少的电压矢量。这样，所选的电压矢量最多只含有一个“1”或者“-1”。保留的电压矢量作为位置矢量，与步骤[0027]中每个大扇区的平衡矢量一起构成本发明预测算法的寻优矢量；

基于图2所示的系统主电路图及步骤[0022]的状态对应关系，建立拓扑结构的开关数学模型，可得逆变器各相输出电压如公式(2)所示，则输出电压空间矢量如公式(3)所示，将式(2)代入式(3)得逆变器输出空间电压矢量如公式(4)：

式中，V_dc为直流侧总电压，S_a、S_b、S_c为各相开关状态，V_ao、V_bo、V_co为各相输出相电压；γ＝2π/3，1+e^2γj+e^2γj＝0，为输出的空间电压矢量；

建立系统的负载数学模型，三相阻感负载的空间电压矢量如公式(5)，通过前向欧拉逼近代替式(5)负载电流倒数如公式(6)所示，由公式(5)、(6)得(k+1)时刻负载电流空间矢量如公式(7)所示：

可由式(3)得到，则(k+1)时刻负载空间电压矢量为公式(8)：

上述公式中，R为电阻，L为电感系数，为负载空间电流矢量，和分别为k和(k+1)时刻负载空间电流矢量，和分别为k和(k+1)时刻负载空间电压矢量，T_s为采样周期，w为角频率w＝2πf；

建立三电平H桥直流侧电容电压数学模型，直流侧电容电流及电容电压表示如下公式(9)所示：

其中，C_x1、C_x2为各相直流侧两电容，x＝a,b,c；式中各变量含义与图2所示一致。将dV_x1/dt与dV_x2/dt进行离散化逼近得：

将式(10)代入式(9)可得(k+1)时刻各相两电容电压值如公式(11)所示：

式中，i_xdc为直流侧电源流出电流，i_x1为流入主电路电流，i_x2为流出电容中点电流，V_x1(k)、V_x2(k)为k时刻两电容电压，x＝a,b,c；

由步骤[0031]中公式(8)和步骤[0032]中公式(11)可构造本发明电压预测控制的代价寻优函数如公式(12)所示：

J＝(|U_{f_α}-U_α(k+1)|+|U_{f_β}-U_β(k+1)|)+λ(∑|V_x1(k+1)-V_x2(k+1)|) (12)

其中，x＝a,b,c，U_f__α、U_f__β表示参考电压U_f在α-β平面上的分量。U_α(k+1)、U_β(k+1)为(k+1)时刻预测电压在α-β平面的分量。V_x1(k+1)、V_x2(k+1)为(k+1)时刻每相两电容电压。式中第一项是对参考电压的跟踪，第二项是平衡直流侧三相电容电压。权重因子λ可以根据对参考电压跟踪和直流侧电容电压平衡的权衡进行确定；

步骤[0029]中与参考电压U_f相匹配的平衡矢量和位置矢量，由步骤[0033]公式(12)代价函数进行寻优，实现对参考电压的跟踪及直流侧电容电压的平衡控制，控制结构图如图6所示；

图7为三电平H桥五电平逆变器带阻感负载的仿真波形，从图中可以看出三相直流侧电容电压均得到有效平衡，且各电容电压波动量小，说明本发明控制效果很好。

本发明既实现了对参考电压的有效跟踪，保证了逆变器的输出性能，同时又实现对三相电容电压的有效平衡。此外，传统MPC算法寻优次数多，计算量大，本发明每个开关周期寻优次数不超过10次，计算量大大减小，这是本发明的创新点。

本技术领域的普通技术人员应当意识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种三电平H桥五电平逆变器直流侧电容电压平衡方法，其特征在于，

A、建立各电压矢量的简化模型，用于精确计算各相电流值，实现对直流侧电容中点电位的影响的准确判断；

B、平衡矢量，用于平衡直流侧电容电压；

C、位置矢量，用于对参考电压进行有效跟踪，保证输出性能；

D、建立三电平H桥五电平逆变器拓扑结构的开关、负载及直流侧电容电压数学模型；

E、电压预测控制，结合SVPWM与传统MPC算法，利用SVPWM算法确定参考电压的位置，确定参与预测的位置矢量和平衡矢量，利用代价函数对所选矢量寻优，实现对参考电压的跟踪和对直流侧电容电压的平衡控制；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

建立三电平H桥五电平逆变器拓扑结构的开关、负载及直流侧电容电压数学模型；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

其中，步骤A包括：

A11、建立所有空间电压矢量简化数学模型；

A12、根据简化模型计算出各相的电流值；

A13、由各相电流值的大小及对应的数学模型判断电压矢量对电容中点电位的影响；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

由步骤A13可以将五电平空间电压矢量分为平衡矢量及位置矢量。其中每个大扇区的平衡矢量均为固定的4个，用作对电容电压的平衡；而位置矢量则是为了跟踪参考电压，以保证逆变器输出性能；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

根据SVPWM算法确定参考电压的位置，并选择相应的平衡矢量和位置矢量作为预测寻优矢量，则电压预测控制的寻优代价函数为：

J＝(|U_{f_α}-U_α(k+1)|+|U_{f_β}-U_β(k+1)|)+λ(∑|V_x1(k+1)-V_x2(k+1)|)

其中，x＝a,b,c，U_{f_α}、U_{f_β}表示参考电压U_f在α-β平面上的分量。U_α(k+1)、U_β(k+1)为(k+1)时刻预测电压在α-β平面的分量。V_x1(k+1)、V_x2(k+1)为(k+1)时刻每相两电容电压。式中第一项是对参考电压的跟踪，第二项是平衡直流侧三相电容电压。权重因子λ可以根据对参考电压跟踪和直流侧电容电压平衡的权衡进行确定。