CN106787887A - 一种三电平t型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法，包括以下步骤：第一步，根据空间矢量调制方法，由参考电压矢量选择相应的合成矢量并确定各合成矢量作用占空比；第二步，选择零矢量和小矢量中的基础矢量并确定所选基础矢量作用顺序；第三步，采用无差拍控制方法调整两个重合小矢量的作用占空比。本发明的方法计算量小，实现简单，不需要增加额外的硬件电路，成本低；使用本发明方法可显著降低中点电压波动，同时减小输出电流总谐波畸变率。

Description

一种三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法

技术领域

本发明涉及一种三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法。

背景技术

随着分布式电源、储能系统、电动汽车等领域的迅速发展，对电能质量和系统效率的要求也越来越高。三电平逆变器相比于传统的两电平逆变器具有谐波少、开关管电压应力小、耐压高、电磁干扰小等优点。T型逆变器相比于其他三电平中点钳位型逆变器，有两个主要的优点：当输出相电压为直流母线电压和零的时候，只有一个开关被导通，减少了开通损耗；流过每一个开关管的电流均值相等，每个开关管产生相同的热量。因此，近年来三电平T型逆变器受到企业和高校的广泛关注，前景十分广阔。

然而，与其他三电平逆变器一样，T型逆变器一样存在中点电位不平衡问题。中点电位不平衡会造成逆变器开关器件承受电压不均衡，增大输出电压电流谐波，降低电容寿命。因此，研究一种高效及性能优越的中点平衡方法至关重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述问题，提出一种三电平T型逆变器工作在高功率因数应用场合的中点电位平衡方法，减小T型逆变器工作在高功率因数时的中点电压波动，改善逆变器性能。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法，包含以下三个步骤：S1、根据空间矢量调制方法，由参考电压矢量选择相应的合成矢量并确定各合成矢量作用占空比；S2、选择零矢量和小矢量中的基础矢量并确定所选基础矢量作用顺序；S3、采用无差拍控制方法调整两个重合小矢量的作用占空比。

所述三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法步骤S1具体方法如下：

三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：输出电压等于直流母线电压、输出电压等于直流母线电压的一半、输出电压等于0，分别设为P、O、N；因此共有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；

进一步地，27个基础矢量构成的矢量图分为六个大扇区，每个大扇区分为四个小扇区，每个大扇区有五种合成矢量，根据参考电压矢量所在扇区选择相应的合成矢量并确定各合成矢量作用占空比，具体如下：

(1)当参考矢量位于第一小扇区时，合成矢量选择零矢量v₀、小矢量v₁、小矢量v₂，作用占空比分别为

(2)当参考矢量位于第二小扇区时，合成矢量选择小矢量v₁、中矢量v₄、大矢量v₃，作用占空比分别为

(3)当参考矢量位于第三小扇区时，合成矢量选择小矢量v₁、小矢量v₂、中矢量v₄，作用占空比分别为

(4)当参考矢量位于第四小扇区时，合成矢量选择小矢量v₂、中矢量v₄、大矢量v₅，作用占空比分别为

所述三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法的步骤S2分为两种情况，具体方法如下：

对于第一个大扇区：

(1)第一种情况：当参考矢量处于第二小扇区和第四小扇区的时候，合成矢量中只有一个小矢量，直接选择和确定基础矢量作用顺序，分别为：

当参考矢量处于第二小扇区时：基础矢量作用顺序为ONN-PNN-PON-POO；各基础矢量作用占空比关系分别为：所述基础矢量ONN、PNN、PON、POO的作用占空比分别为d_ONN、d_PNN、d_PON、d_POO；

当参考矢量处于第四小扇区时：基础矢量作用顺序为OON-PON-PPN-PPO；各基础矢量作用占空比关系分别为：所述基础矢量OON、PPN、PPO的作用占空比分别为d_OON、d_PPN、d_PPO；

(2)第二种情况：当参考矢量处于第一小扇区和第三小扇区的时候，合成矢量中含有两个小矢量，从每个小矢量中选择合成基础矢量，并确定矢量顺序为：

参考矢量处于第一小扇区且Q₁＞Q₂：基础矢量作用顺序为ONN-OON-OOO-POO，各基础矢量作用占空比关系分别为：所述基础矢量OOO的作用占空比分别为d_OOO；

参考矢量处于第一小扇区且Q₁≤Q₂：基础矢量作用顺序为OON-OOO-POO-PPO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

参考矢量处于第三小扇区且Q₁＞Q₂：基础矢量作用顺序为ONN-OON-PON-POO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

参考矢量处于第三小扇区且Q₁≤Q₂：基础矢量作用顺序为OON-PON-POO-PPO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

对于其他五个大扇区，以此类推；

所述Q₁和Q₂定义如下：

其中，i_a、i_c为三电平T型逆变器的A相、C相的相电流瞬时值。

所述三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法的步骤S3具体方法为：

对于第一大扇区：

当参考电压位于第一小扇区且Q₁＞Q₂时，基础矢量作用顺序为ONN-OON-OOO-POO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第一小扇区且Q₁≤Q₂时，基础矢量作用顺序为OON-OOO-POO-PPO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第二小扇区，基础矢量作用顺序为ONN-PNN-PON-POO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第三小扇区且Q₁＞Q₂时，基础矢量作用顺序为ONN-OON-PON-POO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第三小扇区且Q₁≤Q₂时，基础矢量作用顺序为OON-PON-POO-PPO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第四小扇区，基础矢量作用顺序为OON-PON-PPN-PPO时基础小矢量作用占空比为：

其中，T_s为开关序列周期，C为电容值，上、下电容值相等C＝C₁＝C₂，V_dc为直流母线电压，v(k)为中点电压采样值，i_b为B相的相电流瞬时值；

对于其他五个大扇区，以此类推。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明的方法计算量小，实现简单；本发明的方法不需要增加额外的硬件电路，节省成本；本发明的方法可以显著降低中点电压波动，减小输出电流总畸变率，具有良好的实用性。

当逆变器功率因数较高时，由于在空间矢量调制方法中，重合的两个小矢量对中点电位的影响是相反的，此时中矢量对中点电位的影响可以通过小矢量消除，因此，本发明基于空间矢量调制方法，采用无差拍控制调整两个重合小矢量的作用占空比来实现中点电位平衡。

附图说明

图1是三电平T型逆变器结构图。

图2是三电平T型逆变器的空间矢量图。

图3是第一大扇区分区及矢量图。

图4-1是基础小矢量POO的开关状态图。

图4-2是基础小矢量ONN的开关状态图。

图5是基础中矢量PON的开关状态图。

图6-1是采用中点平衡方法的A相电流的仿真波形图。

图6-2是采用中点平衡方法的A、B间相电压的仿真波形图。

图6-3是采用中点平衡方法的上电容电压与下电容电压的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作详细说明。

图1给出了三电平T型逆变器结构图，包括并联的三个桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT开关管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧与负载连接；在并联的各桥臂端接入同一台直流电压源；输入电压源并联的两个中点箝位电容的中点连接各相桥臂的两个方向不同的IGBT管的一端；各个IGBT管均由控制电路驱动。

三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法，具体实施方式包括三个步骤：第一步：根据空间矢量调制方法选择合成矢量并确定各合成矢量作用占空比；第二步：选择零矢量和小矢量中的基础矢量并确定所选基础矢量顺序；第三步：采用无差拍控制方法调整两个重合小矢量的作用占空比。

所述第一步中选择合成矢量并确定各合成矢量作用占空比的实施过程为：三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：第一种状态是输出电压等于母线直流电压，设为P；第二种状态是输出电压等于母线直流电压的一半，设为O；第三种状态是输出电压等于0，设为N；因此共有27种工作状态，即有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP，根据矢量大小的不同可分为12个基础小矢量，6个基础中矢量，6个基础大矢量和3个基础零矢量，其中，12个基础小矢量又可分为六对小矢量，每对小矢量重合；三个零矢量重合。

图2为27个基础矢量构成的矢量图，分为六个大扇区，每个大扇区又可分为四个小扇区，每个大扇区有五种合成矢量：两个小矢量对，一个中矢量，两个大矢量，三个重合零矢量，图3为第一大扇区的矢量图。首先经过坐标变换得到参考电压矢量，并根据参考电压矢量所在扇区从5种合成矢量中选择相应的合成矢量并确定各合成矢量作用占空比(以第一大扇区为例，其他大扇区类似)，具体如下：

(1)当参考矢量位于第一小扇区时，合成矢量选择零矢量v₀、小矢量v₁、小矢量v₂，作用占空比分别为

(2)当参考矢量位于第二小扇区时，合成矢量选择小矢量v₁、中矢量v₄、大矢量v₃，作用占空比分别为

(3)当参考矢量位于第三小扇区时，合成矢量选择小矢量v₁、小矢量v₂、中矢量v₄，作用占空比分别为

(4)当参考矢量位于第四小扇区时，合成矢量选择小矢量v₂、中矢量v₄、大矢量v₅，作用占空比分别为

所述第二步中选择零矢量和小矢量中的基础矢量并确定所选基础矢量顺序实施过程为，分为两种情况讨论(以第一个大扇区为例，其他大扇区类似)，具体如下：

第一种情况：当参考矢量处于第二小扇区和第四小扇区的时候，合成矢量中只有一个小矢量，可直接选择并确定基础矢量作用顺序，分别为：

(1)参考矢量处于第二小扇区：基础矢量作用顺序为ONN-PNN-PON-POO；各基础矢量作用占空比关系分别为：

(2)参考矢量处于第四小扇区：基础矢量作用顺序为OON-PON-PPN-PPO；各基础矢量作用占空比关系分别为：

第二种情况：当参考矢量处于第一小扇区和第三小扇区的时候，合成矢量中含有两个小矢量，每个小矢量又包含两个重合的基础小矢量，根据两个小矢量以及小矢量内的一对重合基础矢量作用效果，从每对小矢量中选择合成基础矢量，并确定矢量顺序：

(1)参考矢量处于第一小扇区且Q₁＞Q₂：基础矢量作用顺序为ONN-OON-OOO-POO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

(2)参考矢量处于第一小扇区且Q₁≤Q₂：基础矢量作用顺序为OON-OOO-POO-PPO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

(3)参考矢量处于第三小扇区且Q₁＞Q₂：基础矢量作用顺序为ONN-OON-PON-POO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

(4)参考矢量处于第三小扇区且Q₁≤Q₂：基础矢量作用顺序为OON-PON-POO-PPO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

其中，Q₁和Q₂定义步骤如下：

图4-1、4-2分别给出了当基础矢量为POO和ONN时的开关电路图，图5给出了基础中矢量PON的开关电路图。

当POO或ONN作用时，中点电压变化ΔV₁和ΔV₂分别如下：

当PON作用时，中点电压变化ΔV₃为：

首先假设第一小扇区的基础矢量顺序为：ONN-OON-OOO-POO，则中点电位变化：

由ΔV表达式定义：

其中，T_s为开关序列周期，C为电容值，上、下电容值相等C＝C₁＝C₂，i_a、i_b、i_c为A、B、C相的相电流瞬时值。

则

又在无差拍控制中

ΔV＝0.5V_dc-v(k)

所以有

所述第三步中的采用无差拍控制方法调整两个重合小矢量的作用占空比的实施过程为(以第一大扇区为例，其他大扇区的计算方法类似)：

当参考电压位于第一小扇区且Q₁＞Q₂时，基础矢量作用顺序为ONN-OON-OOO-POO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第一小扇区且Q₁≤Q₂时，基础矢量作用顺序为OON-OOO-POO-PPO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第二小扇区，基础矢量作用顺序为ONN-PNN-PON-POO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第三小扇区且Q₁＞Q₂时，基础矢量作用顺序为ONN-OON-PON-POO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第三小扇区且Q₁≤Q₂时，基础矢量作用顺序为OON-PON-POO-PPO时基础小矢量作用占空比为：

当参考电压位于第四小扇区，基础矢量作用顺序为OON-PON-PPN-PPO时基础小矢量作用占空比为：

其中，V_dc为直流母线电压，v(k)为中点电压采样值。

图6-1、6-2、6-3为当功率因数为0.99，采用本发明的三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法时的仿真波形图，其中图6-1为A相输出电流，图6-2为A、B相间输出电压，图6-3为上电容和下电容两端的电压值，仿真结果：中点电压波动小，输出电流总畸变率小，充分证明了本发明的实用性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、根据空间矢量调制方法，由参考电压矢量选择相应的合成矢量并确定各合成矢量作用占空比；

S2、选择零矢量和小矢量中的基础矢量并确定所选基础矢量作用顺序；

S3、采用无差拍控制方法调整两个重合小矢量的作用占空比。

2.根据权利要求1所述三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法，其特征在于，步骤S1中，所述空间矢量调制方法，具体如下：

三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：输出电压等于直流母线电压、输出电压等于直流母线电压的一半、输出电压等于0，分别设为P、O、N；因此共有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；

27个基础矢量构成的矢量图分为六个大扇区，每个大扇区分为四个小扇区，每个大扇区有五种合成矢量，根据参考电压矢量所在扇区选择相应的合成矢量并确定各合成矢量作用占空比，具体如下：

(1)当参考矢量位于第一小扇区时，合成矢量选择零矢量v₀、小矢量v₁、小矢量v₂，作用占空比分别为

(2)当参考矢量位于第二小扇区时，合成矢量选择小矢量v₁、中矢量v₄、大矢量v₃，作用占空比分别为

(3)当参考矢量位于第三小扇区时，合成矢量选择小矢量v₁、小矢量v₂、中矢量v₄，作用占空比分别为

(4)当参考矢量位于第四小扇区时，合成矢量选择小矢量v₂、中矢量v₄、大矢量v₅，作用占空比分别为

3.根据权利要求2所述三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法，其特征在于，所述S2具体为：

对于第一个大扇区：

(1)第一种情况：当参考矢量处于第二小扇区和第四小扇区的时候，合成矢量中只有一个小矢量，直接选择和确定基础矢量作用顺序，分别为：

当参考矢量处于第二小扇区时：基础矢量作用顺序为ONN-PNN-PON-POO；各基础矢量作用占空比关系分别为：所述基础矢量ONN、PNN、PON、POO的作用占空比分别为d_ONN、d_PNN、d_PON、d_POO；

当参考矢量处于第四小扇区时：基础矢量作用顺序为OON-PON-PPN-PPO；各基础矢量作用占空比关系分别为：所述基础矢量OON、PPN、PPO的作用占空比分别为d_OON、d_PPN、d_PPO；

(2)第二种情况：当参考矢量处于第一小扇区和第三小扇区的时候，合成矢量中含有两个小矢量，从每个小矢量中选择合成基础矢量，并确定矢量顺序为：

参考矢量处于第一小扇区且Q₁＞Q₂：基础矢量作用顺序为ONN-OON-OOO-POO，各基础矢量作用占空比关系分别为：所述基础矢量OOO的作用占空比分别为d_OOO；

参考矢量处于第一小扇区且Q₁≤Q₂：基础矢量作用顺序为OON-OOO-POO-PPO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

参考矢量处于第三小扇区且Q₁＞Q₂：基础矢量作用顺序为ONN-OON-PON-POO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

参考矢量处于第三小扇区且Q₁≤Q₂：基础矢量作用顺序为OON-PON-POO-PPO，各基础矢量作用占空比关系分别为：

对于其他五个大扇区，以此类推；

所述Q₁和Q₂定义如下：

$Q_1=\left|i_a{d}_{v_1}\right|,Q_2=\left|i_c{d}_{v_2}\right|;$

其中，i_a、i_c为三电平T型逆变器的A相、C相的相电流瞬时值。

4.根据权利要求3所述三电平T型逆变器高功率因数时的中点电位平衡方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

对于第一大扇区：

当参考电压位于第一小扇区且Q₁＞Q₂时，基础矢量作用顺序为ONN-OON-OOO-POO时基础小矢量作用占空比为：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_{POO}=\frac{\[0.5V_{dc}-v\left(k\right)\]C+(i_a{d}_{v_1}-i_c{d}_{v_2})T_s}{2i_a{T}_s},& d_{POO}\≤d_{v_1};\\ d_{POO}=d_{v_1},& d_{POO}>d_{v_1};\\ d_{ONN}=d_{v_1}-d_{POO};& \end{array}\right.$

当参考电压位于第一小扇区且Q₁≤Q₂时，基础矢量作用顺序为OON-OOO-POO-PPO时基础小矢量作用占空比为：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_{PPO}=\frac{\[0.5V_{dc}-v\left(k\right)\]C+(-i_a{d}_{v_1}-i_c{d}_{v_2})T_s}{-2i_c{T}_s},& d_{PPO}\≤d_{v_2};\\ d_{PPO}=d_{v_2},& d_{PPO}>d_{v_2};\\ d_{OON}=d_{v_2}-d_{PPO};& \end{array}\right.$

当参考电压位于第二小扇区，基础矢量作用顺序为ONN-PNN-PON-POO时基础小矢量作用占空比为：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_{POO}=\frac{\[0.5V_{dc}-v\left(k\right)\]C+(i_a{d}_{v_1}-i_b{d}_{v_4})T_s}{2i_a{T}_s},& d_{POO}\≤d_{v_1};\\ d_{POO}=d_{v_1},& d_{POO}>d_{v_1};\\ d_{ONN}=d_{v_1}-d_{POO};& \end{array}\right.$

当参考电压位于第三小扇区且Q₁＞Q₂时，基础矢量作用顺序为ONN-OON-PON-POO时基础小矢量作用占空比为：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_{POO}=\frac{\[0.5V_{dc}-v\left(k\right)\]C+(i_a{d}_{v_1}-i_c{d}_{v_2}+i_b{d}_{v_4})T_s}{2i_a{T}_s},& d_{POO}\≤d_{v_1};\\ d_{POO}=d_{v_1},& d_{POO}>d_{v_1};\\ d_{ONN}=d_{v_1}-d_{POO};& \end{array}\right.$

当参考电压位于第三小扇区且Q₁≤Q₂时，基础矢量作用顺序为OON-PON-POO-PPO时基础小矢量作用占空比为：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_{PPO}=\frac{\[0.5V_{dc}-v\left(k\right)\]C+(-i_a{d}_{v_1}-i_c{d}_{v_2}+i_b{d}_{v_4})T_s}{-2i_c{T}_s},& d_{PPO}\≤d_{v_2};\\ d_{PPO}=d_{v_2},& d_{PPO}>d_{v_2};\\ d_{OON}=d_{v_2}-d_{PPO};& \end{array}\right.$

当参考电压位于第四小扇区，基础矢量作用顺序为OON-PON-PPN-PPO时基础小矢量作用占空比为：

$\left\{\begin{array}{cc}{d}_{PPO}=\frac{\[0.5V_{dc}-v\left(k\right)\]C+(-i_c{d}_{v_2}-i_b{d}_{v_4})T_s}{-2i_c{T}_s},& d_{PPO}\≤d_{v_2};\\ d_{PPO}=d_{v_2},& d_{PPO}>d_{v_2};\\ d_{OON}=d_{v_2}-d_{PPO};& \end{array}\right.$

其中，T_s为开关序列周期，C为电容值，上、下电容值相等C＝C₁＝C₂，V_dc为直流母线电压，v(k)为中点电压采样值，i_b为B相的相电流瞬时值；

对于其他五个大扇区，以此类推。