CN109995259B - 直流侧不平衡npc三电平逆变器的共模电压抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法及系统。其中，共模电压抑制方法包括：在NPC三电平逆变器直流侧电容电压不平衡的情况下，根据直流侧两个电容电压及三相调制波，计算零序分量并进行限幅处理；将零序分量注入三相调制波，采用两组相位相差180度的三角载波调制后生成PWM驱动信号。

Description

直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法及系统

技术领域

本公开属于电力电子领域，尤其涉及一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

自20世纪80年代被提出以来，二极管箝位型(Neutral-point clamped,NPC)三电平逆变器在光伏发电、电能质量综合治理、大功率电力传动等领域得到了广泛应用。该拓扑具有功率开关管电压应力低、输出波形质量好、总谐波畸变率低等显著优势。共模电压由逆变器电路中功率开关管的开关动作产生。在大功率电力传动系统中，共模电压产生的共模电流持续地流过电机绝缘，对电机造成严重的损害；同时产生轴承电流，损害电机的轴承；增加了系统的电磁干扰。因此，在实际应用中，必须考虑共模电压抑制问题。

发明人发现，现有的共模电压抑制方法主要针对NPC三电平逆变器直流侧两个电容电压相等的情况，即中点电位平衡的情况。而在高压大功率电力传动系统中，NPC三电平逆变器系统的直流侧通常采用两组独立的二极管不控整流电路，此时直流侧两个电容的电压会出现不相等的情况，采用传统的PI控制方法，直流侧两个电容电压的动态响应速度慢了；采用传统三相调制方法需要实时改变三角载波，使得调制效率慢且抑制共模电压效果差。

发明内容

为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其能够实现直流侧不平衡条件下NPC三电平逆变器的共模电压抑制，三相输出电流能够保持较低的总谐波畸变率，同时适用于直流侧两个电容电压平衡的情况。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，包括：

在NPC三电平逆变器直流侧电容电压不平衡的情况下，根据直流侧两个电容电压及三相调制波，计算零序分量并进行限幅处理；

将零序分量注入三相调制波，采用两组相位相差180度的三角载波调制后生成PWM驱动信号。

为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种计算机可读存储介质，其能够实现直流侧不平衡条件下NPC三电平逆变器的共模电压抑制，三相输出电流能够保持较低的总谐波畸变率，同时适用于直流侧两个电容电压平衡的情况。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述的直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法中的步骤。

为了解决上述问题，本公开的第三个方面提供种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制系统，其能够实现直流侧不平衡条件下NPC三电平逆变器的共模电压抑制，三相输出电流能够保持较低的总谐波畸变率，同时适用于直流侧两个电容电压平衡的情况。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制系统，包括PWM控制器，所述PWM控制器被配置为执行如上述所述的直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法中的步骤。

本公开的有益效果是：

(1)本公开实现了直流侧不平衡条件下NPC三电平逆变器的共模电压抑制，三相输出电流能够保持较低的总谐波畸变率，同时适用于直流侧两个电容电压平衡的情况。

(2)在直流侧电容电压不平衡的情况下，本公开的该直流侧不平衡条件下NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，消除了NPC三电平逆变器三相输出电流中的偶次谐波，降低了三相输出电流的总谐波畸变率；

(3)与传统虚拟矢量调制方法和传统空间矢量调制方法相比，本公开使得NPC三电平逆变器共模电压得到有效抑制；有效抑制了共模电压对电机绕组的不利影响和逆变器系统的电磁干扰。

(4)与传统PI控制方法相比，采用本公开的该直流侧不平衡条件下NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，使得电容电压的动态响应速度快；

(5)本公开通过对三相调制波修正以保证伏秒平衡方程的正确性，无需实时改变三角载波，便于数字化实现。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例提供的NPC三电平逆变器系统的拓扑结构图；

图2为本公开实施例提供的采用两组二极管不控整流器的NPC三电平逆变器系统的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制原理图；

图4为本公开实施例一提供的在上侧电容电压比下侧电容电压高60V的情况下NPC三电平逆变器系统的输出波形图；

图5为本公开实施例一提供的在下侧电容电压比上侧电容电压高60V的情况下NPC三电平逆变器系统的输出波形图；

图6为本公开实施例提供的NPC三电平逆变器直流侧两个电容的前端连接一组二极管不控整流器的结构示意图；

图7为本公开实施例二提供的NPC三电平逆变器系统的输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本公开针对NPC三电平逆变器系统。图1为NPC三电平逆变器系统的拓扑结构图，包括A相、B相和C相桥臂，每相桥臂包括四个功率开关管和两个箝位二极管。直流侧包括两个串联连接的滤波电容，每个电容的前端接一组二极管不控整流器，两个滤波电容的中间形成一个中性点，每相桥臂的两个箝位二极管的中间与中性点相连接。

可以理解的是，功率开关管为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；功率开关管也可采用其他形式晶体管来实现。

具体地，NPC三电平逆变器系统的每相桥臂有三种工作状态P、O和N，以直流侧两个滤波电容的中性点为参考点，P状态时桥臂输出电压等于上侧电容电压值，O状态时桥臂输出电压等于零，N状态时桥臂输出电压等于下侧电容电压的负值。

表1为NPC三电平逆变器系统的开关状态、输出电压及每相桥臂各个功率开关管的工作情况。

表1NPC三电平逆变器系统的开关状态和输出电压(j＝a,b,c)

NPC三电平逆变器系统的共模电压定义为三相输出电压的平均值，即

设直流侧上侧电容电压等于V_P，下侧电容电压等于V_N，两个电容电压的和等于V_dc。为表征直流侧两个电容电压的不平衡程度，引入两个电容电压的不平衡因子k，表示为

则

得到直流侧上、下电容电压的表达式为

三相调制波可以表示为

三相调制波中的最大值、最小值和中间值分别表示为

本实施例基于载波的调制方法控制NPC三电平逆变器系统中的功率开关管的通断。

实施例一

图2所示为NPC三电平逆变器直流侧两个电容的前端各连接一组二极管不控整流器，此时两个电容的电压会出现不相等。为实现在直流侧电容电压不平衡情况下抑制共模电压，同时保证低谐波三相输出电流。

实施例一的零序分量表达式为

为避免过调制引起输出波形畸变和载波调制时产生高共模电压幅值的基本电压矢量，需要对实施例一的零序分量v_z进行限幅

max{v_za,min,v_zb,min,v_zc,min}≤v_z≤min{v_za,max,v_zb,max,v_zc,max}(8)

其中，

j＝a,b,c。

将零序分量v_z1注入三相调制波(v_a,ref,v_b，ref,v_c,ref)，并根据不平衡因子k的取值情况，即保证伏秒平衡方程的正确性，得到j(j＝a,b,c)相的调制波的表达式为

将注入零序分量v_z后的三相调制波m_a,m_b,m_c与两组相位相差180度的三角载波比较，生成PWM信号，控制逆变器中的功率开关管工作。

具体来讲，当调制波高于上侧三角载波时，对应的桥臂输出P状态；当调制波低于下侧三角载波时，对应的桥臂输出N状态；当调制波高于下侧三角载波且低于下侧三角载波时，对应的桥臂输出O状态。最后，根据表1给出的开关状态与功率开关管驱动信号的对应关系生成PWM驱动信号，控制功率开关管工作。

图3为本实施例的该共模电压抑制方法原理图。

图4为实施例一在上侧电容电压比下侧电容电压高60V(V_P-V_N＝60V)的情况下NPC三电平逆变器系统的输出波形图，包括直流侧两个电容的电压、线电压、共模电压和三相输出电流。可以看出，在上侧电容电压高于下侧电容电压的情况下，本发明方法能够实现三相正弦输出电流，同时抑制共模电压的幅值。

图5为实施例一在下侧电容电压比上侧电容电压高60V(V_N-V_P＝60V)的情况下NPC三电平逆变器系统的输出波形图，包括直流侧两个电容的电压、线电压、共模电压和三相输出电流。可以看出，在下侧电容电压高于上侧电容电压的情况下，本发明方法能够实现三相正弦输出电流，同时抑制共模电压的幅值。

实施例二

图6所示为NPC三电平逆变器直流侧两个电容的前端连接一组二极管不控整流器，此时可以根据实际系统的要求，通过控制的方式实现两个电容的电压差值等于其相应的给定值。

设直流侧两个电容的电压差值的给定值为Δv_ref，设计无差拍中点电位控制算法，得到中点电流的给定值为

在直流侧不平衡的情况下，NPC三电平逆变器系统中点电流的表达式为

其中，n_j为NPC三电平逆变器系统j相(j＝a,b,c)的开关状态转换函数，定义为

为实现通过控制的方式实现两个电容的电压差值等于其相应的给定值，令中点电流的实际值等于其给定值，同时抑制共模电压并保证低谐波三相输出电流，实施例二的零序分量表达式为

为避免过调制引起输出波形畸变和载波调制时产生高共模电压幅值的基本电压矢量，需要对实施例二的零序分量v_z进行限幅，具体可以分为以下4种情况：

(1)v_z>0且v_mid>0

此时，零序分量v_z的取值范围是

(2)v_z>0且v_mid<0

此时，零序分量v_z的取值范围是

0<v_z<min{1-v_max-k,-v_mid} (17)

(3)v_z<0且v_mid>0

此时，零序分量v_z的取值范围是

max{-v_mid,k-v_min-1}<v_z<0 (18)

(4)v_z<0且v_mid<0

此时，零序分量v_z的取值范围是

将经过限幅处理的零序分量v_z注入三相调制波(v_a,ref,v_b,ref,v_c,ref)，并根据不平衡因子k的取值情况，即保证伏秒平衡方程的正确性，得到j(j＝a,b,c)相的调制波的表达式为

将注入零序分量v_z后的三相调制波m_a,m_b,m_c与两组相位相差180度的三角载波比较，生成PWM信号，控制逆变器中的功率开关管工作。

具体来讲，当调制波高于上侧三角载波时，对应的桥臂输出P状态；当调制波低于下侧三角载波时，对应的桥臂输出N状态；当调制波高于下侧三角载波且低于下侧三角载波时，对应的桥臂输出O状态。最后，根据表1给出的开关状态与功率开关管驱动信号的对应关系生成PWM驱动信号，控制功率开关管工作。

图7为采用实施例二时NPC三电平逆变器系统的输出波形图，包括直流侧两个电容的电压、线电压、共模电压和三相输出电流。可以看出，实施例二能够实现直流侧电容电压平衡与不平衡的控制，在中点电位平衡与不平衡情况下都可以得到三相正弦输出电流，同时抑制共模电压的幅值。采用本发明方法的无差拍中点电位控制算法，电容电压具有快速的动态响应。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例一或实施例二所述的直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制系统，其包括PWM控制器，所述PWM控制器被配置为执行如实施例一或实施例二所述的直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法中的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于，包括：

在NPC三电平逆变器直流侧电容电压不平衡的情况下，根据直流侧两个电容电压及三相调制波，计算零序分量并进行限幅处理；

将零序分量注入三相调制波，采用两组相位相差180度的三角载波调制后生成PWM驱动信号；

零序分量v_z为：

其中，k为NPC三电平逆变器直流侧两个电容电压的不平衡因子，v_max和v_min分别表示三相调制波中的最大值和最小值。

2.如权利要求1所述的一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于，在NPC三电平逆变器直流侧电容电压不平衡且给定直流侧两个电容的电压差值等于给定值的情况下，零序分量v_z为：

其中，k为NPC三电平逆变器直流侧两个电容电压的不平衡因子；n_j为NPC三电平逆变器系统j相的开关状态转换函数；i_NP,ref为中点电流的给定值；i_j为j相输出电流；v_j,ref为j相调制波，j＝a,b,c。

3.如权利要求1或2所述的一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于，NPC三电平逆变器直流侧两个电容电压的不平衡因子k为：直流侧上侧电容电压与直流侧下侧电容电压之差与直流侧上侧电容电压与直流侧下侧电容电压之和的比值。

4.如权利要求1所述的一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于，零序分量的限幅表达式为：

max{v_za,min,v_zb,min,v_zc,min}≤v_z≤min{v_za,max,v_zb,max,v_zc,max}

以直流侧两个滤波电容的中性点为参考点，P状态时桥臂输出电压等于上侧电容电压值，O状态时桥臂输出电压等于零，N状态时桥臂输出电压等于下侧电容电压的负值；v_j,ref为j相调制波，j＝a,b,c。

5.如权利要求4所述的一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于，注入零序分量后的j相调制波m_j表达式为：

6.如权利要求2所述的一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于，对零序分量v_z进行限幅的过程中：

当v_z>0且v_mid>0时，v_z的取值范围为：

当v_z>0且v_mid<0时，v_z的取值范围为：

0<v_z<min{1-v_max-k,-v_mid}

当v_z<0且v_mid>0时，v_z的取值范围为：

max{-v_mid,k-v_min-1}<v_z<0

当v_z<0且v_mid<0时，v_z的取值范围为：

其中，v_max、v_mid和v_min分别表示三相调制波中的最大值、中间值和最小值。

7.如权利要求6所述的一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于，注入零序分量后的j相调制波m_j表达式为：

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法中的步骤。

9.一种直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制系统，其特征在于，包括PWM控制器，所述PWM控制器被配置为执行如权利要求1-7中任一项所述的直流侧不平衡NPC三电平逆变器的共模电压抑制方法中的步骤。

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