CN109347354B - 基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置及方法，该装置包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，数字处理控制模块包括采样单元、三次谐波提取单元、三次谐波分量计算单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元；方法为：采样三电平逆变器三相输出电流；三相电流通过三次谐波提取单元得到三相电流的三次谐波分量；采样逆变器直流侧上、下电容电压，并通过三次谐波分量计算单元计算出抑制中点电压波动所需的三次谐波分量；将计算得到的三次谐波分量与三相调制信号相加，并经过正弦脉宽调制单元处理，得到脉宽调制信号，进而驱动三电平逆变器开关管工作。本发明在中大功率场合下有效抑制中点电压波动，降低入网电流的畸变率。

Description

基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置及方法，适用于电力电子功率变换技术领域。

背景技术

NPC三电平逆变器由于其拓扑结构成熟，开关器件承受电压低，输出谐波含量少等优点，在中高功率场合得到了广泛的应用。但由于NPC三电平逆变器的固有特性，导致逆变器的直流侧中点电压波动成为其固有问题。两串联电容的连接点就是其电位中点，当该点的电位发生波动时，就出现了中点电位不平衡现象。中点电位的波动会造成电容电压的不对称，这一方面会加剧交流输出侧电压的畸变；另一方面会造成开关器件关断时承受的电压不一致，严重时会导致开关器件击穿。所以NPC三电平逆变器的中点电位波动必须要加以抑制。

目前对于三电平逆变器直流侧中点电压波动的问题，主要有三种解决方法：(1)采用独立的直流电压源为直流侧电容供电；(2)外接中点电压平衡控制电路；(3)采用特定的中点电压控制方法。由于前两种方法会增加硬件成本，故一般不予考虑。现有的中点电压控制方法主要有零序分量注入的DPWM方法、基于冗余小矢量调整的SVPWM方法、基于混合调制的方法等。零序分量注入的DPWM方法需计算出零序电压分量，控制方法较复杂且不易于数字实现；基于冗余小矢量调整的SVPWM方法的中点电压调整系数的算法较为复杂，不利于数字实现以及更多电平逆变系统中的中点电压平衡控制；基于混合调制的方法需实时计算调制比，且进行调制比大小对比从而选择控制方法，算法较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置及方法，通过在交流侧三相电流提取三次谐波分量注入到原调制波中，使得中点电流中三次谐波分量得到抵消，进而使得中点电压纹波得到很好的抑制。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中：

数字处理控制模块包括采样单元、三次谐波提取单元、三次谐波分量计算单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元；采样单元分别采集三电平逆变器直流侧上、下电容电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电流信号，发送至三次谐波提取单元、三次谐波分量计算单元和闭环控制单元；三次谐波提取单元根据采样得到的交流侧电流信号提取其中的三次谐波；三次谐波分量计算单元根据采样得到的直流侧上、下电容电压，计算出中点电压纹波量，根据此纹波量计算出所需注入的三次谐波量，并将三次谐波提取单元得到的三相电流的三次谐波量进行合成，从而得到抑制中点电压纹波的三次谐波分量；将需注入的三次谐波分量与闭环控制单元得到的调制波信号相加，发送至正弦脉宽调制单元，正弦脉宽调制单元的输出端经过驱动电路，接入三电平逆变器中每相桥臂的各个开关管。

一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、采样交流侧三相电压e_a、e_b、e_c，交流侧三相电流i_a、i_b、i_c，直流侧上电容电压U_C1，以及直流侧下电容电压U_C2；

步骤2、采用瞬时无功功率理论，计算电流给定，并通过闭环控制单元得到三相调制信号u_aref、u_bref、u_cref，电流给定计算具体如下：

其中，i*_dp为正序d轴的电流给定，i*_qp为正序q轴的电流给定,i*_dn为负序d轴的电流给定，i*_qn为负序q轴的电流给定，P₀为瞬时有功功率的直流分量，Q₀为瞬时无功功率的直流分量。E1、E2的表达式为：

其中，e_dp、e_qp为电网电压正序的d、q轴分量，e_dn、e_qn为电网电压负序的d、q轴分量；

步骤3、将步骤1采样得到的交流侧三相电流i_a、i_b、i_c发送至三次谐波提取单元得到三相电流的三次谐波分量i_ah3、i_bh3、i_ch3；

步骤4、利用步骤1采样得到的直流侧上、下电容电压U_C1、U_C2，计算出中点电压纹波量，根据该中点电压纹波量计算出所需注入的三次谐波分量u_h3ref，并通过步骤3所得到的三次谐波分量i_ah3、i_bh3、i_ch3合成抑制中点电压纹波所需要的三次谐波分量u_h3，中点电压纹波量计算具体如下：

其中，T_s为开关周期，C为直流侧电容，C＝C₁＝C₂，D_ao、D_bo、D_co的表达式为：

其中，m为调制比；

步骤5、将步骤4中合成的三次谐波分量u_h3分别与步骤2得到的三相调制信号相加得到新的调制信号u'_aref、u'_bref、u'_cref；

步骤6、步骤5得到的新的三相调制信号经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，通过驱动电路控制三电平逆变器开关管的工作。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过提取输出电流的三次谐波分量进而得到注入调制波的三次谐波，结构简单，并有效抑制了中点电压纹波；(2)降低了输出电流的畸变率，提高了波形质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他附图。

图1是本发明基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置及方法的结构示意图；

图2是NPC三电平并网逆变器的拓扑图；

图3是本发明中三次谐波提取单元的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中数字处理控制模块包括采样单元、三次谐波提取单元、三次谐波分量计算单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元。

所述采样单元分别采集三电平逆变器直流侧上、下电容电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电流信号，发送至三次谐波提取单元、三次谐波分量计算单元和闭环控制单元。

所述三次谐波提取单元根据采样得到的交流侧电流信号提取其中的三次谐波；

三次谐波分量计算单元根据采样得到的直流侧上、下电容电压，计算出中点电压纹波量，根据此纹波量计算出所需注入的三次谐波量，并将三次谐波提取单元得到的三相电流的三次谐波量进行合成，从而得到抑制中点电压纹波的三次谐波分量；将需注入的三次谐波分量与闭环控制单元得到的调制波信号相加，发送至正弦脉宽调制单元，正弦脉宽调制单元的输出端经过驱动电路，接入三电平逆变器中每相桥臂的各个开关管。

作为一种具体示例，所述数字处理控制模块为TMS320F28335和EPM1270T芯片。

如图2所示，所述NPC三相三电平逆变器的调制规则为：以a相桥臂为例，在u'_aref的正半周，当u'_aref大于载波时，令S_a1、S_a2导通，a相桥臂输出高电平，当u'_aref小于载波时，令S_a2、S_a3导通，a相桥臂输出零电平；在u'_aref的负半周，当u'_aref小于载波时，令S_a3、S_a4导通，a相桥臂输出低电平，当u'_aref大于载波时，令S_a2、S_a3导通，a相桥臂输出零电平。b、c相桥臂的调制规则相同。

图3是三次谐波提取单元的结构示意图，其主要是由一个陷波器组成，陷波器的传递函数表达式如下：

式中，ω_o为3次谐波角频率，ω_c为陷波器截止频率，取ω_c＝5。

本发明是一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、采样交流侧三相电压e_a、e_b、e_c，交流侧三相电流i_a、i_b、i_c，直流侧上电容电压U_C1，以及直流侧下电容电压U_C2；

步骤2、采用瞬时无功功率理论，计算电流给定，并通过闭环控制单元得到三相调制信号u_aref、u_bref、u_cref，电流给定计算具体如下：

其中，i*_dp为正序d轴的电流给定，i*_qp为正序q轴的电流给定,i*_dn为负序d轴的电流给定，i*_qn为负序q轴的电流给定，P₀为瞬时有功功率的直流分量，Q₀为瞬时无功功率的直流分量。E1、E2的表达式为：

其中，e_dp、e_qp为电网电压正序的d、q轴分量，e_dn、e_qn为电网电压负序的d、q轴分量；

步骤3、将步骤1采样得到的交流侧三相电流i_a、i_b、i_c发送至三次谐波提取单元得到三相电流的三次谐波分量i_ah3、i_bh3、i_ch3；

步骤4、利用步骤1采样得到的直流侧上、下电容电压U_C1、U_C2，计算出中点电压纹波量，根据该中点电压纹波量计算出所需注入的三次谐波分量u_h3ref，并通过步骤3所得到的三次谐波分量i_ah3、i_bh3、i_ch3合成抑制中点电压纹波所需要的三次谐波分量u_h3，中点电压纹波量计算具体如下：

其中，T_s为开关周期，C为直流侧电容，C＝C₁＝C₂，D_ao、D_bo、D_co的表达式为：

其中，m为调制比；

步骤5、将步骤4中合成的三次谐波分量u_h3分别与步骤2得到的三相调制信号相加得到新的调制信号u'_aref、u'_bref、u'_cref；

步骤6、步骤5得到的新的三相调制信号经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，通过驱动电路控制三电平逆变器开关管的工作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置，其特征在于，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中：

所述数字处理控制模块包括采样单元、三次谐波提取单元、三次谐波分量计算单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元；

所述采样单元用于采集三电平逆变器直流侧上下电容电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电压信号以及三电平逆变器交流侧的三相电流信号，并发送至三次谐波提取单元、三次谐波分量计算单元和闭环控制单元；

所述三次谐波提取单元用于根据采样得到的交流侧电流信号提取其中的三次谐波；所述三次谐波分量计算单元用于根据采样得到的直流侧上下电容电压，计算出中点电压纹波量，根据此纹波量计算出所需注入的三次谐波量，并将三次谐波提取单元得到的三相电流的三次谐波量进行合成，从而得到抑制中点电压纹波的三次谐波分量；

所述正弦脉宽调制单元用于接收需注入的三次谐波分量与闭环控制单元得到的调制波信号的相加值，其输出端经过驱动电路，接入三电平逆变器中每相桥臂的各个开关管；

所述三次谐波提取单元用于根据采样得到的交流侧电流信号提取其中的三次谐波，采用的是陷波器，该陷波器的传递函数形式具体如下：

式中，ω_o为3次谐波角频率，ω_c为陷波器截止频率，取ω_c=5。

2.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制装置，其特征在于，所述数字处理控制模块为TMS320F28335和EPM1270T芯片。

3.一种基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采样交流侧三相电压e_a、e_b、e_c，交流侧三相电流i_a、i_b、i_c，直流侧上电容电压U_C1，以及直流侧下电容电压U_C2；

步骤2、计算电流给定，并通过闭环控制单元得到三相调制信号u_aref、u_bref、u_cref；

步骤3、将步骤1采样得到的交流侧三相电流i_a、i_b、i_c发送至三次谐波提取单元得到三相电流的三次谐波分量i_ah3、i_bh3、i_ch3；

所述三次谐波提取单元用于根据采样得到的交流侧电流信号提取其中的三次谐波，采用的是陷波器，该陷波器的传递函数形式具体如下：

式中，ω_o为3次谐波角频率，ω_c为陷波器截止频率，取ω_c=5；

步骤4、利用步骤1采样得到的直流侧上、下电容电压U_C1、U_C2，计算出中点电压纹波量，根据该中点电压纹波量计算出所需注入的三次谐波分量u_h3ref，并通过步骤3所得到的三次谐波分量i_ah3、i_bh3、i_ch3合成抑制中点电压纹波所需要的三次谐波分量u_h3，

步骤5、将步骤4中合成的三次谐波分量u_h3分别与步骤2得到的三相调制信号相加得到新的调制信号

、

、

；

步骤6、步骤5得到的新的三相调制信号经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，通过驱动电路控制三电平逆变器开关管的工作。

4.根据权利要求3所述的基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制方法，其特征在于，步骤2中，电流给定计算具体如下：

其中，i*_dp为正序d轴的电流给定，i*_qp为正序q轴的电流给定，i*_dn为负序d轴的电流给定，i*_qn为负序q轴的电流给定，P₀为瞬时有功功率的直流分量，Q₀为瞬时无功功率的直流分量；

E₁、E₂的表达式为：

其中，e_dp、e_qp为电网电压正序的d、q轴分量，e_dn、e_qn为电网电压负序的d、q轴分量。

5.根据权利要求3所述的基于三次谐波注入的中点电压纹波抑制方法，其特征在于，步骤4中，中点电压纹波量计算具体如下：

其中，

为交流侧A相电流，

为交流侧B相电流，

为交流侧C相电流，T_s为开关周期，C为直流侧电容，C=C₁=C₂；D_ao、D_bo、D_co的其表达式为：

其中，m为调制比。

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