CN107070278A - 一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法 - Google Patents

一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法，包括：1、采集三电平变流器直流侧上下电容电压、三相输出电压、三相电流；2、比较三电平变流器三相输出电压的大小关系；3、计算出不同钳位方式下的中点电流；4、根据瞬时中点电位、调制度以及计算得到的中点电流选择合适的钳位方式控制中点电位；5、根据所选择的钳位方式，选择相应的载波模式，获得三相开关序列。本发明能够有效控制三电平变流器的中点电位，减小功率器件的开关损耗，从而实现三电平变流器的优化控制。

Description

一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法
技术领域
本发明涉及三电平变流器的控制方法，更具体地说是涉及一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，尤其在大容量、高电压场合，三电平拓扑的应用越来越广泛，每个功率管承受的电压为直流侧电压的一半。此外，三电平拓扑还具有输出波形的谐波含量低、效率高的优点。但由于功率管数量的增多，控制算法复杂，伴随着中点电位偏移等问题。
为了使三电平逆变器安全可靠运行，必须确保中点电位为直流侧电压的一半。常见的平衡中点电位的方法主要有以下3种：
1)用额外的变流器向电容中点注入或抽取电流；
2)上下电容电压取自两路独立的直流电源；
3)通过调整脉宽调制脉冲序列来平衡中点电位。其中，增加硬件会增加系统成本；改变算法不会增加成本，因而最有吸引力。
目前常用的中点电位平衡的算法主要有两种：基于零序分量注入的载波脉宽调制(CBPWM)方法和基于冗余矢量调整的空间矢量调制(SVPWM)方法。载波调制方法中零序电压的计算、空间矢量调制方法中矢量合成规则的复杂性等均导致控制算法的计算复杂度大大提升。此外，上述两种调制方法均建立在直流侧上下电容电压对称的基础上，若出现直流侧电压不对称、不平衡的情况，上下电容电压不再是直流侧电压的一半，传统的三电平方法将不再适用。
此外，由于功率管开关频率的提高，功率管的开关损耗也随之增加。在电力变换系统中，器件损耗(包括导通损耗和开关损耗)是影响系统效率至关重要的一环。现有的减小开关损耗的方法主要分为三类：
(1)减小换相区间内开关上的电压或电流(软开关技术)；
(2)改变开关时间间隔；
(3)改变调制方式。
利用软开关技术，可以有效的减小功率管的开关损耗，但软开关的应用会增加成本，控制复杂，而且调制时受阶段性限制。变流器的开关损耗与具体的调制方式有很大关系，改进调制方式可以在一定程度上减小开关损耗。
因此，需要提供一种实现中点电位平衡的同时降低系统开关损耗的三电平变流器调制方法。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法，以期能在不同功率因数、调制度下，有效抑制中点电位波动，降低三电平变流器的输出谐波，从而实现三电平变流器的优化控制。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法的特点按如下步骤进行：
步骤1、利用电压传感器和电流传感器分别采集所述三电平变流器的直流侧上下电容电压uC1,uC2，三相输出电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；
步骤2、利用式(1)比较所述三电平变流器的输出三相电压uA、uB、uC的大小，得到所述三电平变流器的输出三相电压uA、uB、uC中最大电压umax、最小电压umin和中间电压umid：
将式(1)中的最大电压umax所对应的相，记为umax相；最小电压umin所对应的相，记为umin相，中间电压umid所对应的相，记为umid相；
步骤3、根据调制度m将umax相钳位至正母线或中线，将umin相钳位至负母线或中线；当m>0.5时，根据式(2)将umax相钳位至正母线，并记为DPWM_max钳位方式，从而获得如式(4)所示的DPWM_max钳位方式下的中点电流i0,max；根据式(3)将umin相钳位至负母线，并记为DPWM_min钳位方式，从而获得如式(5)所示的DPWM_min钳位方式下的中点电流i0,min：
ucom=udc/2-umax
ucom＝-udc/2-umin
式(2)和式(3)中，u′max,u′mid,u′min分别表示所述三电平变流器注入共模电压ucom后的调制电压；式(4)和式(5)中，p表示所述三电平变流器的输出功率，并有：p＝uAiA+uBiB+uCiC＝uA′iA+uB′iB+uC′iC；udc为变流器直流侧电压，并有：udc＝uC1+uC2；uC1表示直流侧上电容电压，uC2表示直流侧下电容电压；
步骤4、当m<0.5时，根据式(6)将umin相钳位至中线，并记为DPWM_mid1钳位方式，从而获得如式(8)所示的DPWM_mid1钳位方式下的中点电流i0,mid1；根据式(7)将umax相钳位至中线，并记为DPWM_mid2钳位方式，从而获得如式(9)所示的DPWM_mid2钳位方式下的中点电流i0,mid2：
ucom=-umax
ucom＝-umin
步骤5、根据调制度m、直流侧上下电容电压uC1,uC2以及式(4)、式(5)、式(8)、式(9)计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2，按照选取原则选择能够使上下电容电压平衡的钳位方式；所述选取原则为：
若uC1＞uC2，则选择使中点电位升高的钳位方式，即选择计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最大值所对应的钳位方式；反之，若uC1＜uC2，则选择使中点电位降低的钳位方式，即选择计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最小值所对应的钳位方式；
步骤6、根据所选择的钳位方式，选择相应的载波模式，并计算出三相开关序列，从而实现对所述三电平变流器的控制。
与传统的三电平变流器的调制方法相比，本发明的有益效果体现在：
1.本发明根据瞬时中点电位，判断需采用使中点电位升高或降低的钳位方式，根据计算得到的不同钳位方式下对应的中点电流，选择中点电流最大值或最小值对应的钳位方式，使中点电位逐渐平衡，有效抑制了中点电位波动，从而获得了较好的谐波特性和控制效果。
2.本发明与传统的调制方法相比，无需精确计算零序电压或分配各冗余矢量的作用时间，仅需根据实时采样获得的电压电流信号计算出各个钳位方式下的中点电流，并根据瞬时中点电位，选择使中点电位升高或降低的钳位方式，从而在一定程度上降低了算法的计算复杂程度；
3.本发明在控制周期内始终保证三电平变流器某一相桥臂不发生开关动作，从而减小了变流器的开关损耗，提高的变流器的运行效率；
4.本发明无需增加任何外设，系统成本低，控制方法简单，易于实现。
附图说明
图1为现有技术中中点钳位型三电平变流器的主电路图；
图2为现有的载波模式图；
图3为本发明三电平变流器工作在状况下的中点电流图；
图4为本发明控制算法流程图；
图5a为本发明三电平变流器工作在m＝0.4,pf＝0.94状况下的稳态实验结果图；
图5b为本发明三电平变流器工作在m＝0.4,pf＝0.17状况下的稳态实验结果图；
图5c为本发明三电平变流器工作在m＝0.8,pf＝0.94状况下的稳态实验结果图；
图5d为本发明三电平变流器工作在m＝0.8,pf＝0.17状况下的稳态实验结果图；
图6a为本发明三电平变流器工作在m＝0.4,pf＝0.94状况下的动态实验结果图；
图6b为本发明三电平变流器工作在m＝0.4,pf＝0.17状况下的动态实验结果图；
图6c为本发明三电平变流器工作在m＝0.8,pf＝0.94状况下的动态实验结果图；
图6d为本发明三电平变流器工作在m＝0.8,pf＝0.17状况下的动态实验结果图。
具体实施方式
本实施例中，一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法是实时检测直流侧上下电容电压、相电压、相电流，并判断三相输出电压的大小关系。根据上下电容电压差选择适合的钳位方式和载波模式，注入相应的共模电压，进而获得对应的开关序列，具体的说，如图2所示，是按如下步骤进行：
步骤1、利用电压传感器和电流传感器采集三电平变流器的直流侧上下电容电压uC1,uC2，三相输出电压uA、uB、uC，三相电流iA、iB、iC；
具体实施中定义Δuc＝uC1-uC2为上下电容电压差。如图1所示，在三电平变流器进行调制时，变流器A、B、C三相不可避免地从中点抽取电流或向中点注入电流，导致中点电位发生偏移或波动，严重时甚至导致变流器无法正常运行。为确保三电平变流器稳定安全运行，需控制中点电位平衡，上下电容电压差满足Δuc＝0。
步骤2、利用式(1)比较所述三电平变流器的输出三相电压uA、uB、uC的大小，得到三电平变流器的输出三相电压uA、uB、uC的中最大电压umax、最小电压umin和中间电压umid；其中，最大电压umax所对应的相，记为umax相；最小电压umin所对应的相，记为umin相；以及中间电压umid所对应的相，记为umid相；
步骤3、根据调制度m将umax相钳位至正母线或中线，将umin相钳位至负母线或中线；当m>0.5时，根据式(2)将umax相钳位至正母线，并记为DPWM_max钳位方式，从而获得如式(4)所示的DPWM_max钳位方式下的中点电流i0,max；根据式(3)将umin相钳位至负母线，并记为DPWM_min钳位方式，从而获得如式(5)所示的DPWM_min钳位方式下的中点电流i0,min：
ucom=udc/2-umax
ucom＝-udc/2-umin
式(2)、(3)中，u′max,u′mid,u′min分别表示所述三电平变流器注入共模电压ucom后的调制电压；式(4)、(5)中，p表示所述三电平变流器的输出功率，且p＝uAiA+uBiB+uCiC＝uA′iA+uB′iB+uC′iC；udc为变流器直流侧电压，并有udc＝uC1+uC2；uC1表示直流侧上电容电压，uC2表示直流侧下电容电压；
步骤4、当m<0.5时，根据式(6)将umin相钳位至中线，并记为DPWM_mid1钳位方式，从而获得如式(8)所示的DPWM_mid1钳位方式下的中点电流i0,mid1；根据式(7)将umax相钳位至中线，并记为DPWM_mid2钳位方式，从而获得如式(9)所示的DPWM_mid2钳位方式下的中点电流i0,mid2：
ucom＝-umax
ucom＝-umin
步骤5、根据调制度m、直流侧上下电容电压uC1,uC2以及通过式(4)、式(5)、式(8)、式(9)计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2，按照选取原则选择能够使上下电容电压平衡的钳位方式；该选取原则为：
若uC1＞uC2，应选择使中点电位升高的钳位方式，即选择计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最大值对应的钳位方式；反之，若uC1＜uC2，应选择使中点电位降低的钳位方式，即选择计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最小值对应的钳位方式；
实施例中：以m＝0.9，为例，对计算得到的中点电流对中点电位的影响进行详细说明：其中中点电流以三倍正弦频率重复，对ωt∈(0,2π/3)进行说明，ωt∈(2π/3,2π)与此类似。
如图3所示，根据i0，max、i0，min的极性变化规律将中点电流对中点电位的作用情况分为以下五个阶段。定义中点电流大于0时，变流器由中点输出电流，中点电位下降；中点电流小于0时，变流器向中点注入电流，中点电位升高。图3中第1、3，5阶段中，i0，max＞0，i0，min＜0，表示采用DPWM_max方法使中点电位升高，而采用DPWM_min方法使中点电位降低；第2阶段中，i0，max＜0，i0，min＜0，表示无论采用DPWM_max，还是DPWM_min方法，中点电位始终降低，由于|i0,min|＜|i0,max|，采用DPWM_min方法可以获得较小的中点电位波动；第4阶段中，i0，max＞0，i0，min＞0，表示无论采用DPWM_max，还是DPWM_min方法，中点电位始终升高，由于|i0,min|＞|i0,max|，采用DPWM_max方法可以获得较小的中点电位波动；
步骤6、根据所选择的钳位方式，选择相应的载波模式，并计算出三相开关序列，从而实现对所述三电平变流器的控制。
具体实施中，本发明的控制流程如图4所示，首先，判断三相电压的关系，并计算出各种钳位方式下的中点电流；其次，根据实时检测的直流侧上下电容电压差，选择合适的钳位方式；最后，根据表1所示的载波模式生成三相开关序列，实现调制。
表1为本发明不同钳位方式对应的载波模式表
实施例中：分别选取不同的调制度m以及功率因数pf进行实验，验证本发明调制方法的正确性，其中u为输出线电压峰值，u′A,u′B,u′C分别为采用本发明获得的调制电压，uAB为本发明获得的线电压波形。
对比图5a、图6a；图5b、图6b；图5c、图6c可知，在m＝0.4,pf＝0.94；m＝0.4,pf＝0.17；m＝0.8,pf＝0.94时，无论直流侧上下电容是否存在初始电压差，采用本发明始终能够重新平衡中点电位，即不存在明显的直流偏移和交流波动。此外，三电平变流器的输出电流正弦度较好。
对比图5d、图6d可知，在m＝0.8,pf＝0.17时，无论直流侧上下电容是否存在初始电压差，采用本发明均能有效控制中点电位，不存在明显的直流偏移，但存在较小的三倍频波动。此外，三电平变流器的输出电流正弦度较好。

Claims (1)

1.一种三电平变流器中点电位平衡的非连续脉宽调制方法，其特征按如下步骤进行：
步骤1、利用电压传感器和电流传感器分别采集所述三电平变流器的直流侧上下电容电压uC1,uC2，三相输出电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC；
步骤2、利用式(1)比较所述三电平变流器的输出三相电压uA、uB、uC的大小，得到所述三电平变流器的输出三相电压uA、uB、uC中最大电压umax、最小电压umin和中间电压umid：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>min</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
将式(1)中的最大电压umax所对应的相，记为umax相；最小电压umin所对应的相，记为umin相，中间电压umid所对应的相，记为umid相；
步骤3、根据调制度m将umax相钳位至正母线或中线，将umin相钳位至负母线或中线；当m>0.5时，根据式(2)将umax相钳位至正母线，并记为DPWM_max钳位方式，从而获得如式(4)所示的DPWM_max钳位方式下的中点电流i0,max；根据式(3)将umin相钳位至负母线，并记为DPWM_min钳位方式，从而获得如式(5)所示的DPWM_min钳位方式下的中点电流i0,min：
ucom＝udc/2-umax
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ucom＝-udc/2-umin
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式(2)和式(3)中，u′max,u′mid,u′min分别表示所述三电平变流器注入共模电压ucom后的调制电压；式(4)和式(5)中，p表示所述三电平变流器的输出功率，并有：p＝uAiA+uBiB+uCiC＝uA′iA+uB′iB+uC′iC；udc为变流器直流侧电压，并有：udc＝uC1+uC2；uC1表示直流侧上电容电压，uC2表示直流侧下电容电压；
步骤4、当m<0.5时，根据式(6)将umin相钳位至中线，并记为DPWM_mid1钳位方式，从而获得如式(8)所示的DPWM_mid1钳位方式下的中点电流i0,mid1；根据式(7)将umax相钳位至中线，并记为DPWM_mid2钳位方式，从而获得如式(9)所示的DPWM_mid2钳位方式下的中点电流i0,mid2：
ucom＝-umax
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ucom＝-umin
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步骤5、根据调制度m、直流侧上下电容电压uC1,uC2以及式(4)、式(5)、式(8)、式(9)计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2，按照选取原则选择能够使上下电容电压平衡的钳位方式；所述选取原则为：
若uC1＞uC2，则选择使中点电位升高的钳位方式，即选择计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最大值所对应的钳位方式；反之，若uC1＜uC2，则选择使中点电位降低的钳位方式，即选择计算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最小值所对应的钳位方式；
步骤6、根据所选择的钳位方式，选择相应的载波模式，并计算出三相开关序列，从而实现对所述三电平变流器的控制。
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