CN109510496A - 无电解电容npc三电平逆变器中点电压平衡控制方法及系统 - Google Patents
无电解电容npc三电平逆变器中点电压平衡控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法及系统，本发明基于载波比较PWM调制策略，即CB‑PWM调制策略，首先根据电压矢量计算出三相调制波，同时得到幅值最大的调制波Vmax，最小的调制波Vmin；再通过电压检测电路检测出上下电容的电压，并计算出压差；确定电机运行在电动状态还是制动状态；根据这两个条件确定将Vmax和Vmin箝位到母线电压的P或N，重新选取冗余矢量，修改IGBT的开关序列，保证电压平衡。本发明提供的中点电压平衡控制方法及系统，开关损耗小，实现简单CPU计算时间少，中点电压波动能控制在合理范围内，且调整速度快。
Description
技术领域
本发明涉及交流伺服驱动控制技术领域，具体涉及一种无电解电容NPC(NeutralPoint Clamped)三电平逆变器中点电压平衡控制方法及系统。
背景技术
NPC三电平逆变器广泛应用于中、高压驱动系统中，现如今，这种拓扑结构如图1所示，也开始逐步在低压系统中应用，该拓扑结构包含两个串联的电容C1，C2，两电容之间的点称为中点，因此中点钳位型逆变器也被称作二极管钳位逆变器；每一相包含四组IGBT/Diode(绝缘栅门极晶闸管/二极管)TX1、TX2、TX3和TX4；两个钳位二极管D X5和D X5(X＝A，B，和C，分别表示三相)。与传统的两电平逆变器相比，在相同的条件下NPC三电平逆变器表现出显著的优势：①输出波形更为接近正弦，谐波含量低；②开关器件每次开关时电压变化率du/dt和电流变化率di/dt较小，器件承受的开关应力减小，电磁干扰程度大大减轻；③效率高，在相同谐波含量时，开关频率大大降低，开关损耗明显减少。
但是在传统的交-直-交变频驱动系统中，由于电解电容的存在，导致整个变频驱动系统体积庞大，成本高，同时使用寿命低，因此NPC三电平逆变器用薄膜电容或陶瓷电容取代传统的电解电容，即无电解电容变频驱动系统。没有电解电容做储能和平滑，无电解电容NPC三电平逆变器的母线电压周期波动，中点电压平衡难度大，传统控制方法不一定适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中用薄膜电容或陶瓷电容取代传统电解电容，母线电容容值只有几微法或几十微法，没有电解电容等储能器件，母线电压周期波动，这种波动导致三电平中点电压平衡控制难度加大，传统方法不一定能满足这种小电容逆变器系统的要求的技术缺陷，提供了一种无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法及系统。
根据本发明的其中一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，所述无电解电容NPC三电平逆变器包含依次串联在母线之间的第一电容和第二电容，第一母线电容和第二母线电容与母线的连接点分别标记为P和N，第一电容和第二电容与之间的电压为所述中点电压，所述无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法包括以下步骤：
S1：根据电压矢量计算NPC三电平三相逆变器对应的三相调制波Va、Vb和Vc；
S2：计算三相调制波中幅值最大相Vmax，幅值最小相Vmin；
S3：分别获得所述第一母线电容和所述第二母线电容的电压，并计算二者的差值Vcap；
S4：判断永磁同步电机的运行状态，即电动状态还是发电状态；
S5：根据步骤S3、S4中两个条件判断，将Vmax箝位到P或将Vmin箝位到N，以产生新的调制波Var,、Vbr和Vcr；
S6：根据新的Var、Vbr和Vcr产生PWM信号驱动电机运行。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法中，步骤S1中，三相调制波Va、Vb和Vc的计算方法为：
Va＝m·cosθ，
其中θ为电压矢量的角度，m为调制比，定义为：
Vs为电压矢量，母线电压Vdc为第一母线电容和第二母线电容的电压之和，Vdc＝Vdc1+Vdc2。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法中，步骤S2中，所述三相调制波最大相Vmax，最小相Vmin计算公式为：
Vmax＝max(Va,Vb,Vc)，
Vmin＝min(Va,Vb,Vc)，
其中，max()表示选取最大值，min()表示选取最小值。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法中，步骤S3中，所述电压差Vcap计算方法为：
Vcap＝Vdc1-Vdc2，
其中，Vdc1表示所述第一电容的电压，Vdc2表示所述第二电容的电压。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法中，步骤S4中，所述永磁同步电机的运行状态的判断方法为：
根据逆变器输出的电压矢量和电流矢量的夹角来判断，当夹角小于90度时，电机运行在电动状态，母线电容对逆变器供电；当夹角大于90度时，电机运行在发电状态，逆变器对母线电容充电。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法中，步骤S5中，新的调制波Var、Vbr和Vcr的产生规则为：
(1)当永磁同步电机运行在电动状态时：
Vcap≥0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Vcap≤0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
(2)当永磁同步电机运行在发电状态时：
Vcap≥0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
Vcap≤0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Var、Vbr和Vcr计算公式为：
Var＝Va+Vz，
Vbr＝Vb+Vz，
Vcr＝Vc+Vz。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法中，所述第一母线电容和所述第二母线电容为薄膜电容或者陶瓷电容。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统，所述无电解电容NPC三电平逆变器包含依次串联在母线之间的第一电容和第二电容，第一母线电容和第二母线电容与母线的连接点分别标记为P和N，第一电容和第二电容与之间的电压为所述中点电压，所述无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统包括以下模块：
三相调制波计算模块，用于根据电压矢量计算NPC三电平三相逆变器对应的三相调制波Va、Vb和Vc；
最大最小相计算模块，用于计算三相调制波中幅值最大相Vmax，幅值最小相Vmin；
母线电容压差计算模块，用于分别获得所述第一母线电容和所述第二母线电容的电压，并计算二者的差值Vcap；
运行状态判断模块，用于判断永磁同步电机的运行状态，即电动状态还是发电状态；
新调制波生成模块，用于根据步骤母线电容压差计算模块、运行状态判断模块中两个条件判断，将Vmax箝位到P或将Vmin箝位到N，以产生新的调制波Var,、Vbr和Vcr；
PWM信号产生模块，用于根据新的Var、Vbr和Vcr产生PWM信号驱动电机运行。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统中，运行状态判断模块中，所述永磁同步电机的运行状态的判断方法为：
根据逆变器输出的电压矢量和电流矢量的夹角来判断，当夹角小于90度时，电机运行在电动状态，母线电容对逆变器供电；当夹角大于90度时，电机运行在发电状态，逆变器对母线电容充电。
进一步地，在本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统中，PWM信号产生模块中，新的调制波Var、Vbr和Vcr的产生规则为：
(1)当永磁同步电机运行在电动状态时：
Vcap≥0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Vcap≤0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
(2)当永磁同步电机运行在发电状态时：
Vcap≥0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
Vcap≤0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Var、Vbr和Vcr计算公式为：
Var＝Va+Vz，
Vbr＝Vb+Vz，
Vcr＝Vc+Vz。
实施本发明的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法及系统，具有以下有益效果：本发明提出的中点平衡策略，开关损耗小，实现简单CPU计算时间少，中点电压波动能控制在合理范围内，调整速度快。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是NPC三电平逆变器的电路原理图；
图2是无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法一实施例的流程图；
图3是NPC三电平逆变器电压矢量图；
图4是第一扇区开关序列表；
图5是稳态下输入电压、电流、母线电压波形图；
图6是速度动态变化时上下电容电压差、速度、输出相电流波形图；
图7是无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统一实施例的原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1-图6，本实施例的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法中，所述无电解电容NPC三电平逆变器包含依次串联在母线之间的第一电容和第二电容，第一母线电容C1和第二母线电容C1与母线的连接点分别标记为P和N，第一电容和第二电容与之间的电压为所述中点电压O，第一母线电容C1和第二母线电容C1为薄膜电容或者陶瓷电容。
所述无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法包括以下步骤：
S1：根据电压矢量计算NPC三电平三相逆变器对应的三相调制波Va、Vb和Vc(a、b、c分别表示三相)；三相调制波Va、Vb和Vc的计算方法为：
Va＝m·cosθ，
其中θ为电压矢量的角度，m为调制比，定义为：
Vs为电压矢量，母线电压Vdc为第一母线电容和第二母线电容的电压之和，Vdc＝Vdc1+Vdc2。
S2：计算三相调制波中幅值最大相Vmax，幅值最小相Vmin；三相调制波最大相Vmax，最小相Vmin计算公式为：
Vmax＝max(Va,Vb,Vc)，
Vmin＝min(Va,Vb,Vc)，
其中，max()表示选取最大值，min()表示选取最小值，即从Va、Vb、Vc中找出最大最小值。
S3：通过AD采样分别获得所述第一母线电容C1和所述第二母线电容C1的电压，并计算二者的差值Vcap；电压差Vcap计算方法为：
Vcap＝Vdc1-Vdc2，
其中，Vdc1表示所述第一电容的电压，Vdc2表示所述第二电容的电压。
S4：判断永磁同步电机的运行状态，即电动状态还是发电状态；永磁同步电机的运行状态的判断方法为：根据逆变器输出的电压矢量和电流矢量的夹角来判断，当夹角小于90度时，电机运行在电动状态，母线电容对逆变器供电；当夹角大于90度时，电机运行在发电状态，逆变器对母线电容充电。
S5：根据步骤S3、S4中两个条件判断，将Vmax箝位到P或将Vmin箝位到N，以产生新的调制波Var,、Vbr和Vcr；新的调制波Var、Vbr和Vcr的产生规则为：
(1)当永磁同步电机运行在电动状态时：
Vcap≥0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Vcap≤0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
(2)当永磁同步电机运行在发电状态时：
Vcap≥0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
Vcap≤0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Var、Vbr和Vcr计算公式为：
Var＝Va+Vz，
Vbr＝Vb+Vz，
Vcr＝Vc+Vz。
S6：根据新的Var、Vbr和Vcr产生PWM信号驱动电机运行。PWM信号的产生一般是将Var、Vbr和Vcr与三角波进行比较得到，这属于本领域公知常识，这里不再赘述。
参考图7，本发明还提供了一种无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统，所述无电解电容NPC三电平逆变器包含依次串联在母线之间的第一电容和第二电容，第一母线电容C1和第二母线电容C1与母线的连接点分别标记为P和N，第一电容和第二电容与之间的电压为所述中点电压，所述无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统包括以下模块：三相调制波计算模块71、最大最小相计算模块72、母线电容压差计算模块73、运行状态判断模块74、新调制波生成模块75、PWM信号产生模块76。其中，
三相调制波计算模块71用于根据电压矢量计算NPC三电平三相逆变器对应的三相调制波Va、Vb和Vc。
最大最小相计算模块72用于计算三相调制波中幅值最大相Vmax，幅值最小相Vmin。
母线电容压差计算模块73用于分别获得所述第一母线电容C1和所述第二母线电容C1的电压，并计算二者的差值Vcap。
运行状态判断模块74用于判断永磁同步电机的运行状态，即电动状态还是发电状态；所述永磁同步电机的运行状态的判断方法为：
根据逆变器输出的电压矢量和电流矢量的夹角来判断，当夹角小于90度时，电机运行在电动状态，母线电容对逆变器供电；当夹角大于90度时，电机运行在发电状态，逆变器对母线电容充电。
新调制波生成模块75用于根据步骤母线电容压差计算模块73、运行状态判断模块74中两个条件判断，将Vmax箝位到P或将Vmin箝位到N，以产生新的调制波Var,、Vbr和Vcr；新的调制波Var、Vbr和Vcr的产生规则为：
(1)当永磁同步电机运行在电动状态时：
Vcap≥0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Vcap≤0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
(2)当永磁同步电机运行在发电状态时：
Vcap≥0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
Vcap≤0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Var、Vbr和Vcr计算公式为：
Var＝Va+Vz，
Vbr＝Vb+Vz，
Vcr＝Vc+Vz。
PWM信号产生模块76用于根据新的Var、Vbr和Vcr产生PWM信号驱动电机运行。
本发明的系统与上述方法完全对应，其他部分不再具体展开重复说明，具体可参照上述方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，所述无电解电容NPC三电平逆变器包含依次串联在母线之间的第一电容和第二电容，第一母线电容和第二母线电容与母线的连接点分别标记为P和N，第一电容和第二电容与之间的电压为所述中点电压，其特征在于，所述无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法包括以下步骤：
S1：根据电压矢量计算NPC三电平三相逆变器对应的三相调制波Va、Vb和Vc；
S2：计算三相调制波中幅值最大相Vmax，幅值最小相Vmin；
S3：分别获得所述第一母线电容和所述第二母线电容的电压，并计算二者的差值Vcap；
S4：判断永磁同步电机的运行状态，即电动状态还是发电状态；
S5：根据步骤S3、S4中两个条件判断，将Vmax箝位到P或将Vmin箝位到N，以产生新的调制波Var,、Vbr和Vcr；
S6：根据新的Var、Vbr和Vcr产生PWM信号驱动电机运行。
2.根据权利要求1所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，步骤S1中，三相调制波Va、Vb和Vc的计算方法为：
Va＝m·cosθ，
其中θ为电压矢量的角度，m为调制比，定义为：
Vs为电压矢量，母线电压Vdc为第一母线电容和第二母线电容的电压之和。
3.根据权利要求1所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述三相调制波最大相Vmax，最小相Vmin计算公式为：
Vmax＝max(Va,Vb,Vc)，
Vmin＝min(Va,Vb,Vc)，
其中，max()表示选取最大值，min()表示选取最小值。
4.根据权利要求1所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述电压差Vcap计算方法为：
Vcap＝Vdc1-Vdc2，
其中，Vdc1表示所述第一电容的电压，Vdc2表示所述第二电容的电压。
5.根据权利要求1所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，步骤S4中，所述永磁同步电机的运行状态的判断方法为：
根据逆变器输出的电压矢量和电流矢量的夹角来判断，当夹角小于90度时，电机运行在电动状态，母线电容对逆变器供电；当夹角大于90度时，电机运行在发电状态，逆变器对母线电容充电。
6.根据权利要求1所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，步骤S5中，新的调制波Var、Vbr和Vcr的产生规则为：
(1)当永磁同步电机运行在电动状态时：
Vcap≥0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Vcap≤0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
(2)当永磁同步电机运行在发电状态时：
Vcap≥0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
Vcap≤0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Var、Vbr和Vcr计算公式为：
Var＝Va+Vz，
Vbr＝Vb+Vz，
Vcr＝Vc+Vz。
7.根据权利要求1所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述第一母线电容和所述第二母线电容为薄膜电容或者陶瓷电容。
8.一种无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统，所述无电解电容NPC三电平逆变器包含依次串联在母线之间的第一电容和第二电容，第一母线电容和第二母线电容与母线的连接点分别标记为P和N，第一电容和第二电容与之间的电压为所述中点电压，其特征在于，所述无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统包括以下模块：
三相调制波计算模块，用于根据电压矢量计算NPC三电平三相逆变器对应的三相调制波Va、Vb和Vc；
最大最小相计算模块，用于计算三相调制波中幅值最大相Vmax，幅值最小相Vmin；
母线电容压差计算模块，用于分别获得所述第一母线电容和所述第二母线电容的电压，并计算二者的差值Vcap；
运行状态判断模块，用于判断永磁同步电机的运行状态，即电动状态还是发电状态；
新调制波生成模块，用于根据步骤母线电容压差计算模块、运行状态判断模块中两个条件判断，将Vmax箝位到P或将Vmin箝位到N，以产生新的调制波Var,、Vbr和Vcr；
PWM信号产生模块，用于根据新的Var、Vbr和Vcr产生PWM信号驱动电机运行。
9.根据权利要求8所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统，其特征在于，运行状态判断模块中，所述永磁同步电机的运行状态的判断方法为：
根据逆变器输出的电压矢量和电流矢量的夹角来判断，当夹角小于90度时，电机运行在电动状态，母线电容对逆变器供电；当夹角大于90度时，电机运行在发电状态，逆变器对母线电容充电。
10.根据权利要求8所述的无电解电容NPC三电平逆变器中点电压平衡控制系统，其特征在于，PWM信号产生模块中，新的调制波Var、Vbr和Vcr的产生规则为：
(1)当永磁同步电机运行在电动状态时：
Vcap≥0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Vcap≤0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
(2)当永磁同步电机运行在发电状态时：
Vcap≥0时，Vmin箝位到N，选择负矢量序列作用，同时Vz＝-1-Vmin；
Vcap≤0时，Vmax箝位到P，选择正矢量序列作用，同时Vz＝1-Vmax；
Var、Vbr和Vcr计算公式为：
Var＝Va+Vz，
Vbr＝Vb+Vz，
Vcr＝Vc+Vz。
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