CN108540005B - 一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法 - Google Patents

一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，该方法包括：比较三电平逆变器的直流正母线电压和负母线电压，并判断三电平逆变桥输出端口的电流方向；根据所述比较及判断的结果确定是否允许三电平逆变桥零电平状态输出；通过控制三电平逆变桥的开关管输出相应的电平，实现三电平逆变器的直流母线电压平衡。本发明实现了对三电平逆变器的直流母线电压平衡的控制。本发明的控制方式对全功率因数范围的逆变器均适用，对三电平逆变器的功率因数没有限制。本发明的控制方式适用于单相或多相输出的三电平逆变器。

Description

一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器领域，尤其涉及一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法。
背景技术
直流母线中点电压不平衡是三电平逆变器的固有问题。三电平逆变器拓扑如图1A和图1B所示，三电平逆变器的直流母线上串联了两个电容，并且电容中点与逆变桥臂连接。三电平逆变器工作时，会对正负两个母线电容进行充电和放电。由于设计或控制上不一致，导致流入流出母线电容中点的电流平均值不为0，导致正负母线电容充放电不对称，进而造成正负电容两端的电压不平衡。
目前解决三电平逆变器的母线中点电压平衡问题的方法一般分为两大类：硬件增加平衡电路处理和软件算法处理。由于硬件增加平衡电路的处理方法需要额外的器件，会产生额外的损耗，同时也会增加硬件成本，所以一般采取软件处理的方法。现有的软件算法主要有空间矢量调制中的小矢量调节和注入零序电压的方法。空间矢量调制中的小矢量调节利用一对小矢量对中点电压相反的作用，通过调整小矢量的导通时间来达到中点平衡的效果。注入零序电压的方法，通过改变逆变桥臂输出的零电平，改变注入母线中点的平均电流，来调节母线电压平衡。但是，以上两种方法适用于高功率因数输出的三电平逆变器，对于低功率因数输出的三电平逆变器母线电压平衡效果较差，适用范围小，无法适用于所有三电平逆变器。
发明内容
本发明的目的在于通过一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，该方法包括：比较三电平逆变器的直流正母线电压和负母线电压，并判断三电平逆变桥输出端口的电流方向；根据所述比较及判断的结果确定是否允许三电平逆变桥零电平状态输出；通过控制三电平逆变桥的开关管输出相应的电平，实现三电平逆变器的直流母线电压平衡。
特别地，若比较结果为三电平逆变器的直流正母线电压高于负母线电压，且判断结果为三电平逆变桥输出端口的电流方向为流出，则调整三电平逆变桥的开关管的驱动状态，使三电平逆变桥的输出改为正电平与负电平切换，直流母线中点电压将保持不变；待三电平逆变桥输出端口的电流方向变化为流入时，再将三电平逆变桥的输出改为有零电平存在的状态，此时，直流母线中点电压将升高，直流正母线电压降低，负母线电压升高，直流母线电压被调节平衡。
特别地，若比较结果为三电平逆变器的直流负母线电压高于正母线电压，且判断结果为三电平逆变桥输出端口的电流方向为流入，则调整三电平逆变桥的开关管的驱动状态，使三电平逆变桥的输出改为正电平与负电平切换，直流母线中点电压将保持不变；待三电平逆变桥输出端口的电流方向变化为流出时，再将三电平逆变桥的输出改为有零电平存在的状态，此时，直流母线中点电压将降低，直流负母线电压降低，正母线电压升高，直流母线电压被调节平衡。
特别地，在三电平逆变器的直流正母线电压和负母线电压进行比较时设置有相应的阈值和回差。
特别地，使三电平逆变桥的输出改为正电平与负电平切换的起始时刻和结束时刻由输出电流大小决定。
特别地，所述三电平逆变器包括单相、多相输出的三电平逆变器。
特别地，所述三电平逆变器包括任意功率因数输出的三电平逆变器。
本发明提出的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法实现了对三电平逆变器的直流母线电压平衡的控制。本发明的控制方式对全功率因数范围的逆变器均适用，对三电平逆变器的功率因数没有限制。本发明的控制方式适用于单相或多相输出的三电平逆变器。
附图说明
图1A为T型三电平逆变器拓朴示意图；
图1B为I型三电平逆变器拓朴示意图；
图2为本发明实施例提供的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法流程图；
图3为本发明实施例提供的三相三电平逆变器拓朴示意图；
图4为本发明实施例提供的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法部分流程图；
图5为本发明实施例提供的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法部分流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本发明。
如图1A和图1B所示，三电平逆变器由两个直流母线电容、IGBT逆变桥和连接逆变桥输出端的电感组成。IGBT逆变桥可以是T型拓朴，也可以是I型拓朴。连接两个直流母线电容中间0点的N线可选择是否连出。
当电流从逆变桥输出端流向电感时，电流方向为流出；当电流从电感流向逆变桥输出端时，电流方向为流入。根据不同的IGBT开关状态，逆变桥输出端电压有三种状态。当逆变桥输出端到0点电压为uP时，为输出正电平UP；当逆变桥输出端到0点电压为uN时，为输出负电平UN；当逆变桥输出端到0点电压为0时，为输出零电平。
当输出零电平且电流方向为流出时，直流母线中点电压降低，正母线电压uP升高，负母线电压uN降低。
当输出零电平且电流方向为流入时，直流母线中点电压升高，正母线电压uP降低，负母线电压uN升高。
在逆变桥的输出中存在正电平UP与零电平切换、负电平UN与零电平切换、正电平UP与负电平UN切换三种输出电平切换状态。
在直流正母线电压uP高于负母线电压uN，且电流iL方向如果为流出时，若此时逆变桥的输出仍有零电平存在，直流母线中点电压将继续降低，正母线电压uP继续升高，负母线电压uN继续降低，不利于母线平衡。如果此时逆变桥的输出改为正电平UP与负电平UN切换，直流母线中点电压将保持不变，待电流iL方向变化为输入时，再将逆变桥的输出改回有零电平存在的状态，直流母线中点电压将升高，正母线电压uP降低，负母线电压uN升高，直流母线电压被调节平衡。
在直流负母线电压uN高于正母线电压uP，且电流iL方向如果为流入时，若此时逆变桥的输出仍有零电平存在，直流母线中点电压将继续升高，负母线电压uN继续升高，正母线电压uP继续降低，不利于母线平衡。如果此时逆变桥的输出改为正电平UP与负电平UN切换，直流母线中点电压将保持不变，待电流iL方向变化为输出时，再将逆变桥的输出改回有零电平存在的状态，直流母线中点电压将降低，负母线电压uN降低，正母线电压uP升高，直流母线电压被调节平衡。
需要说明的是，在实际应用中，由于正母线电压和负母线电压不会完全相等，为减小正电平UP与负电平UN切换带来的开关损耗，可选择直流正母线电压uP与负母线电压uN差的绝对值大于阈值uerr时，再将逆变桥的输出改为正电平UP与负电平UN切换，用于直流母线电压平衡调节；当直流母线电压uP与负母线电压uN差的绝对值小于恢复阈值ugap时，结束直流母线电压平衡调节，恢复逆变桥的输出含有零电平输出。其中阈值uerr为启动直流母线电压平衡调节的母线压差值，为可接受的正母线电压与负母线电压差值；恢复阈值ugap为结束直流母线电压平衡调节的母线压差值，且ugap≤uerr。
由于逆变桥电流iL越小，对直流母线平衡的影响越小。在本实施例中，使三电平逆变桥的输出改为正电平与负电平切换的起始时刻和结束时刻由输出电流大小决定，即可选择电流iL的绝对值大于iConst时启动直流母线电压平衡调节。其中iConst为能够影响母线平衡的电流值。
如图2所示，本实施例中三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法包括：比较三电平逆变器的直流正母线电压和负母线电压，并判断三电平逆变桥输出端口的电流方向；根据所述比较及判断的结果确定是否允许三电平逆变桥零电平状态输出；通过控制三电平逆变桥的开关管输出相应的电平，实现三电平逆变器的直流母线电压平衡。
具体的，如图3所示，图3为本发明实施例提供的三相三电平逆变器拓朴示意图，其包含三电平逆变桥、输出滤波器、电压传感器、电流传感器、驱动控制单元等。可以根据直流正母线电压、负母线电压和逆变桥输出电感电流，通过改变逆变输出的电平状态，保持直流正母线电压与负母线电压平衡。针对该三相三电平逆变器，具体的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制过程如下：
1)如图4所示，在直流正母线电压uP与负母线电压uN的差大于阈值uerr，且三电平逆变桥输出端口的电流iL方向为流出时，即：uP-uN＞uerr且iL＞iConst；
此时通过调整三电平逆变桥的开关管的驱动状态，使三电平逆变桥的输出改为正电平UP与负电平UN切换，直流母线中点电压将保持不变。
待三电平逆变桥输出端口的电流iL方向变化为流入时，再将三电平逆变桥的输出改回有零电平存在的状态。
此时直流母线中点电压将升高，正母线电压uP降低，负母线电压uN升高，直流母线电压被调节平衡。
2)如图5所示，在直流负母线电压uN与正母线电压uP的差大于阈值uerr，且三电平逆变桥输出端口的电流iL方向为流入时，即：uN-uP＞uerr且iL＜-iConst
此时通过调整三电平逆变桥的开关管的驱动状态，使三电平逆变桥的输出改为正电平UP与负电平UN切换，直流母线中点电压将保持不变。
当三电平逆变桥输出端口的电流iL方向变化为输出时，再将三电平逆变桥的输出改回有零电平存在的状态。
此时直流母线中点电压将降低，负母线电压uN降低，正母线电压uP升高，直流母线电压被调节平衡。
在本实施例中所述三电平逆变器包括但不限于单相或多相输出的三电平逆变器，当应用于三相输出逆变器时，对三相四线和三相三线输出的逆变器均适用。所述三电平逆变器包括任意功率因数输出的三电平逆变器。
本发明的技术方案实现了对三电平逆变器的直流母线电压平衡的控制。本发明的控制方式对全功率因数范围的逆变器均适用，对三电平逆变器的功率因数没有限制。本发明的控制方式适用于单相或多相输出的三电平逆变器。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，其特征在于，该方法包括：比较三电平逆变器的直流正母线电压和负母线电压，并判断三电平逆变桥输出端口的电流方向；根据所述比较及判断的结果确定是否允许三电平逆变桥零电平状态输出；通过控制三电平逆变桥的开关管输出相应的电平，实现三电平逆变器的直流母线电压平衡；若比较结果为三电平逆变器的直流正母线电压高于负母线电压，且判断结果为三电平逆变桥输出端口的电流方向为流出，则调整三电平逆变桥的开关管的驱动状态，使三电平逆变桥的输出改为正电平与负电平切换，直流母线中点电压将保持不变；待三电平逆变桥输出端口的电流方向变化为流入时，再将三电平逆变桥的输出改为有零电平存在的状态，此时，直流母线中点电压将升高，直流正母线电压降低，负母线电压升高，直流母线电压被调节平衡；若比较结果为三电平逆变器的直流负母线电压高于正母线电压，且判断结果为三电平逆变桥输出端口的电流方向为流入，则调整三电平逆变桥的开关管的驱动状态，使三电平逆变桥的输出改为正电平与负电平切换，直流母线中点电压将保持不变；待三电平逆变桥输出端口的电流方向变化为流出时，再将三电平逆变桥的输出改为有零电平存在的状态，此时，直流母线中点电压将降低，直流负母线电压降低，正母线电压升高，直流母线电压被调节平衡。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，其特征在于，在三电平逆变器的直流正母线电压和负母线电压进行比较时设置有相应的阈值和回差。
3.根据权利要求1或2任一项所述的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，其特征在于，使三电平逆变桥的输出改为正电平与负电平切换的起始时刻和结束时刻由输出电流大小决定。
4.根据权利要求3所述的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，其特征在于，所述三电平逆变器包括单相、多相输出的三电平逆变器。
5.根据权利要求4所述的三电平逆变器的直流母线电压平衡控制方法，其特征在于，所述三电平逆变器包括任意功率因数输出的三电平逆变器。
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