CN110071653A - 五电平npc变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法 - Google Patents

Abstract

五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，首先根据调制度大小对五电平变换器空间矢量图进行区域划分，并根据调制度判断参考电压矢量V_ref所在的区域；其次计算每个参考电压矢量V_ref的作用时间；然后检测五电平变换器直流侧四个电容对应的电压值，计算其与1/4U_dc的电压偏差值，确定出两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置；最后根据得到两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置、三相电流I_a、I_b、I_c的方向以及五电平变换器空间矢量图，不断对电容进行充放电使其保持平衡。本发明公开的方法与模型预测相比，快速性得到了很大的提高，并且抑制由于非调制因素引起的直流电容电压波动和不平衡问题。

Description

五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法

技术领域

本发明属于电力电子与电力系统技术领域，具体涉及一种五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法。

背景技术

在目前应用的多电平拓扑中，NPC型拓扑因其结构简单、性价比高应用最为广泛。特别是三电平NPC拓扑，已经广泛应用于各种3kV以下的中低压领域，极大改善了电力电子设备的输出性能。在6kV以上的中高压领域，五电平NPC拓扑是一种极具竞争力的拓扑，拥有广泛的应用前景。在多电平NPC变换器的相关研究内容中，直流电容电压的平衡控制具有突出的重要性。如果直流电容电压出现不平衡，不仅会影响电路的输出电压波形，还会破坏多电平电路的安全稳定运行。

目前对于多电平NPC变换器的直流电容电压平衡控制的已经取得一定的研究成果。例如：(1)一种多电平变换器电容电压平衡优化SVPWM算法，该算法通过预测不同开关状态下直流侧结点电压偏差，建立目标函数并对其寻优，在每个开关周期选取最优的开关组合达到结点电压平衡；(2)通过构造七段式和五段式矢量序列为基础，根据参考矢量所在三角形，提出两种矢量序列切换规则，解决了5L-DCC基于目标函数优化均压算法矢量序列的切换及优化选择问题；现有公开的方法虽然能够实现在低调制度下的直流侧电容电压平衡，但是现有方法的快速性仍有待提高。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，解决了现有方法在直流侧电容电压自平衡控制过程中调制速度较慢的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1，根据调制度大小对五电平变换器空间矢量图进行区域划分，并根据调制度判断参考电压矢量V_ref所在的区域；

步骤2，计算每个参考电压矢量V_ref的作用时间；

步骤3，检测五电平变换器直流侧四个电容对应的电压值，分别记为V_C1、V_C2、V_C3、V_C4，分别计算V_C1、V_C2、V_C3、V_C4与1/4的直流总电压U_dc的电压偏差值，并对其取绝对值后降序排列，确定出两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置；

步骤4，根据步骤3得到两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置、三相电流I_a、I_b、I_c的方向以及五电平变换器空间矢量图，通过两个电压偏差的大小以及流过对应的电容中三相电流I_a、I_b、I_c的方向，不断对电容进行充放电使其保持平衡。

本发明的其他特点还在于，

步骤1中判断参考电压矢量V_ref所在的区域，依据如式(1)所示：

根据式(1)得到的调制度m，当0<m<0.25时，参考电压矢量V_ref位于空间矢量图中最内层的小六边形中，当0.25<m<0.5时，参考电压矢量V_ref位于低调制区的第二层六边形内，其中，U_dc为直流侧电压。

步骤2的具体过程如下：

根据伏秒平衡原理，一个矢量作用时间等效为若干个矢量的作用相同时间之和，在αβ坐标系下根据参考电压矢量V_ref所在的空间位置选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量参与合成，如公式(2)所示：

U_refT_s＝U_aT_a+U_bT_b+U_cT_c

T_s＝T_a+T_b+T_c (2)

式中，U_a、U_b、U_c分别为αβ坐标系下离参考矢量最近的三个空间电压矢量的坐标，T_a、T_b、T_c分别为电压矢量U_a、U_b、U_c的作用时间；T_s为开关周期。

步骤3的具体过程如下：

步骤3.1，将低调制度下的电压矢量记为P_i，与开关状态的关系如式(3)所示：

其中，n是所有冗余开关的数量，原点处的零向量n＝5；x_i，yj，z_j是第j个冗余对应的开关状态，U_j是冗余选择系数，U_j＝1或0，当U_j＝1时，表示对应的冗余状态是有效的，反之无效。

步骤3.2，检测五电平变换器直流侧四个电容对应的电压值，分别记为V_C1、V_C2、V_C3、V_C4，分别计算V_C1、V_C2、V_C3、V_C4与1/4的直流总电压U_dc的电压偏差值；

步骤3.3，对每个电容的电压偏差取绝对值，对其降序排列序，由大到小记为E₁、E₂、E₃、E₄，并判断出E₁、E₂、E₃、E₄的对应直流侧四个电容所在的实际位置。

步骤4的具体过程如下：

步骤4.1，将步骤1中五电平变换器空间矢量图划分为六个扇区，对每个大扇区的开关状态对应节点电流进行分析，发现每个大扇区的电压矢量对应开关的充放电状态一致；

以第一扇区低调制区为例，各个电压矢量对不同节点的电容充放电情况如表1所示，其中，i₁、i₂、i₃分别表示直流侧四个电容中两两连接的节点处对应的节点电流，由于P₀不影响结点电压平衡，因此表中没有列出；

表1第一扇区低调制度下各矢量对应开关状态充放电

步骤4.2，按照各电压矢量对应三相电流的方向，将电压矢量分为三组；

第一组：电压矢量P₁、电压矢量P₂、电压矢量P₃、电压矢量P₄、电压矢量P₅、电压矢量P₆，如表2所示；

第二组：电压矢量P₇、电压矢量P₉、电压矢量P₁₁、电压矢量P₁₃、电压矢量P₁₅、电压矢量P₁₇、电压矢量P₁₉，如表3所示；

第三组：电压矢量P₈、电压矢量P₁₀、电压矢量P₁₂、电压矢量P₁₄、电压矢量P₁₆、电压矢量P₁₈，如表4所示；

表2第一组电压矢量对应的三相电流I_x

表3第二组电压矢量对应的三相电流I_x

表4第三组电压矢量对应的三相电流I_x

步骤4.3，分别选择第一组电压矢量对应的开关状态、第二组电压矢量对应的开关状态和选择第三组电压矢量对应的开关状态；

由于第二组的7个电压矢量有三个冗余状态，在所有的情况下都有两个电容一起变化，必须选择导致电压偏差最小的冗余用以平衡中点电位；第三组的电压矢量中由于每个阶段是连接到一个不同的点，必须检查用于平衡E₁和E₂的电流Ix₁和Ix₂；

通过判断E₁与电流I_x的符号，若E₁>0，且I_x>0，则根据E₁所在直流侧对应电容的位置、按照表1中所示选择使E₁放电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则，根据E₂所在直流侧对应电容的位置，选择放电的开关状态为实际输出的开关状态；反之，若E₁<0，且I_x<0，则根据E₁所在直流侧对应电容的位置，使E₁充电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则根据E₂所在位置选择E₂充电的开关状态为实际输出的开关状态，使直流侧的电容电压保持平衡。

本发明的有益效果是：

五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，解决了现有方法在直流侧电容电压自平衡控制过程中反应比较迟缓的问题，本发明通过实时检测在一个采样周期内的电容电压大小，对其根据电压偏差值由大到小进行排序，根据判断电压偏差的正负以及电流的方向，不断对其进行充放电使其保持平衡。

附图说明

图1是本发明二极管钳位型五电平变换器主电路拓扑图。

图2是本发明二极管钳位型五电平变换器空间矢量图。

图3是本发明二极管钳位型五电平变换器空间矢量图第一大扇区图。

图4为本发明二极管钳位型五电平变换器等效模型。

图5是本发明二极管钳位型五电平变换器冗余矢量P_i选择流程图。

图6是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.2相电压波形图。

图7是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.2线电压波形图。

图8是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.2中点电位波形图。

图9是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.4相电压波形图。

图10是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.4线电压波形图。

图11是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.4中点电位波形图。

图12是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.4时直流侧电容电压初始值为210，205，195，190时相电压仿真波形图。

图13是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.4时直流侧电容电压初始值为210，205，195，190时线电压仿真波形图。

图14是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.4时直流侧电容电压初始值为210，205，195，190时中点电位仿真波形图。

图15是本发明二极管钳位型五电平变换器m＝0.4时初始时刻不加中点电位控制，在0.1s时加入中点电位控制仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，如图1所示给出了本发明中二极管钳位型五电平变换器的主电路拓扑图，其直流侧并联四个相串联的电容C₁、C₂、C₃、C₄，将直流母线电压分成五个电平，分别为1/2Udc、1/4Udc、0、-1/4Udc、-1/2Udc五种状态，每个桥臂有八个开关管串联S_x1～S_x8(x＝a，b，c)，将具有相同电压等级的钳位二极管D_x9、D_x12和内侧开关管S_x2～S_x5并联，D_x10、D_x13和内侧开关管S_x3～S_x6并联，D_x5、D_x6和内侧开关管S_x4～S_x7并联实现中点箝位，Z为三相对称负载,O为负载侧中心。

具体操作过程包括如下步骤：

步骤1，五电平NPC变换器每相可以输出-1/2Udc、-1/4Udc、0、1/4Udc和1/2Udc共5种输出状态，分别以开关状态0、1、2、3、4表示，共有5³＝125种开关状态，125种开关状态对应幅值从大到小分别为4U_dc/3、13U_dc/3、2U_dc/3、U_dc、7U_dc/3、2U_dc/3、U_dc/3、U_dc/6和0共9种基本空间电压矢量。从图2可以看出，这125个空间矢量占据61个位置，零矢量有5种，冗余度为4，位于矢量图的中心点，剩余的60个位置包含了120个非零矢量。根据调制度大小对五电平变换器空间矢量图进行区域划分如图2所示，并根据调制度判断参考电压矢量V_ref所在的区域；

步骤1中判断参考电压矢量V_ref所在的区域，依据如式(1)所示：

根据式(1)得到的调制度m，当0<m<0.25时，参考电压矢量V_ref位于空间矢量图中最内层的小六边形中，当0.25<m<0.5时，参考电压矢量V_ref位于低调制区的第二层六边形内，其中，U_dc为直流侧电压；

步骤2，计算每个参考电压矢量V_ref的作用时间；

步骤2的具体过程如下：

根据伏秒平衡原理，一个矢量作用时间等效为若干个矢量的作用相同时间之和，在αβ坐标系下根据参考电压矢量V_ref所在的空间位置选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量参与合成，如公式(2)所示：

U_refT_s＝U_aT_a+U_bT_b+U_cT_c

T_s＝T_a+T_b+T_c (2)

式中，U_a、U_b、U_c分别为αβ坐标系下离参考矢量最近的三个空间电压矢量的坐标，T_a、T_b、T_c分别为电压矢量U_a、U_b、U_c的作用时间；T_s为开关周期；

步骤3，检测五电平变换器直流侧四个电容对应的电压值，分别记为V_C1、V_C2、V_C3、V_C4，分别计算V_C1、V_C2、V_C3、V_C4与1/4的直流总电压U_dc的电压偏差值，并对其取绝对值后降序排列，确定出两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置；

步骤3的具体过程如下：

步骤3.1，将低调制度下的电压矢量记为P_i，与开关状态的关系如式(3)所示：

其中，n是所有冗余开关的数量，原点处的零向量n＝5；x_i，y_j，z_j是第j个冗余对应的开关状态，U_j是冗余选择系数，U_j＝1或0，当U_j＝1时，表示对应的冗余状态是有效的，反之无效；

步骤3.2，检测五电平变换器直流侧四个电容对应的电压值，分别记为V_C1、V_C2、V_C3、V_C4，分别计算V_C1、V_C2、V_C3、V_C4与1/4的直流总电压U_dc的电压偏差值；

步骤3.3，对每个电容的电压偏差取绝对值，对其降序排列序，由大到小记为E₁、E₂、E₃、E₄，并判断出E₁、E₂、E₃、E₄的对应直流侧四个电容所在的实际位置；

步骤4，根据步骤3得到两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置、三相电流I_a、I_b、I_c的方向以及五电平变换器空间矢量图，通过电压偏差的大小以及流过对应的电容中三相电流I_a、I_b、I_c的方向，不断对电容进行充放电使其保持平衡。

步骤4的具体过程如下：

步骤4.1，将步骤1中五电平变换器空间矢量图划分为六个扇区，对每个大扇区的开关状态对应节点电流进行分析，发现每个大扇区的电压矢量对应开关的充放电状态一致，图4为图1所示的二极管箝位型五电平变换器拓扑的等效模型，将三相二极管钳位型五电平变换器用一个开关器件代替，分析其在不同开关状态下的六国直流侧各矢量对应开关状态充放电情况，其中，i₁、i₂、i₃分别表示直流侧四个电容中两两连接的节点处对应的节点电流，I_a、I_b、I_c分别表示负载侧电流；

如图3所示，以第一扇区低调制区为例，各个电压矢量对不同节点的电容充放电情况如表1所示，由于P₀不影响结点电压平衡，因此表中没有列出；

表1第一扇区低调制度下各矢量对应开关状态充放电

步骤4.2，按照各电压矢量对应三相电流的方向，将电压矢量分为三组；

第一组：电压矢量P₁、电压矢量P₂、电压矢量P₃、电压矢量P₄、电压矢量P₅、电压矢量P₆，如表2所示；

第二组：电压矢量P₇、电压矢量P₉、电压矢量P₁₁、电压矢量P₁₃、电压矢量P₁₅、电压矢量P₁₇、电压矢量P₁₉，如表3所示；

第三组：电压矢量P₈、电压矢量P₁₀、电压矢量P₁₂、电压矢量P₁₄、电压矢量P₁₆、电压矢量P₁₈，如表4所示；

表2第一组电压矢量对应的三相电流I_x

表3第二组电压矢量对应的三相电流I_x

表4第三组电压矢量对应的三相电流I_x

步骤4.3，分别选择第一组电压矢量对应的开关状态、第二组电压矢量对应的开关状态和选择第三组电压矢量对应的开关状态；

由于第二组的7个电压矢量有三个冗余状态在所有的情况下都有两个电容一起变化。这种对电容电压的依赖性使得电压平衡过程在某些情况下更加困难。当涉及到这类向量时，所提出的方法在试图减少E₁的偏差的同时可能会导致另一个电容器充电过度/不足，所以在所有可能的冗余中，必须选择导致电压偏差最小的冗余用以平衡中点电位；

第三组的电压矢量中由于每个阶段是连接到一个不同的点，必须检查用于平衡E₁和E₂的电流Ix₁和Ix₂；

如图5所示，通过判断E₁与电流I_x的符号，若E₁>0，且I_x>0，则根据E₁所在直流侧对应电容的位置、按照表1中所示选择使E₁放电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则，根据E₂所在直流侧对应电容的位置，选择放电的开关状态为实际输出的开关状态；反之，若E₁<0，且I_x<0，则根据E₁所在直流侧对应电容的位置，使E₁充电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则根据E₂所在位置选择E₂充电的开关状态为实际输出的开关状态，使直流侧的电容电压保持平衡。

在Matlab/Simulink软件对图1所示系统进行仿真，设定基本参数如表5所示：

表5五电平NPC变换器仿真参数

利用Matlab/Simulink软件，根据表5中的关键参数对本发明所提方法进行验证，在m＝0.2以及m＝0.4对其进行仿真验证，图6-图8为m＝0.2时的相电压、线电压、电容电压波形，可以看出相电压为三电平，线电压波形的最大值和最小值处各有一段时间保持了高电平和低电平，开关损耗有所减小。直流侧电容电压被很好的控制住。图9-图11为m＝0.4相电压波形、线电压、电容电压波形，可以看出相电压与m＝0.2相比开关损耗有所增大，线电压依旧为五电平。直流侧电容电压波形与m＝0.2相比，中点电位波动较为增大，但是同样达到了很好的平衡效果。图12-15分别对该控制策略的快速性作了验证。图12-14为在初始条件下不加中点电位控制，在0.1s时加入中点电位控制策略，相电压与线电压在0-0.1s内不加中点电位控制策略时，波形严重畸变，在0.1s之后波形逐渐趋于正常，在0.3s时波形达到完全对称，图14的直流侧电容电压波形可以看出在0-0.1s之间直流侧电容电压呈现发散的状态，在0.1s时，四个直流侧电容电压波形逐渐开始向200V逼近，在0.3s时迅速的达到平衡。图15为在初始条件时给定电容值分别为210V、205V、195V、190V，可以看出在经过0.1s之后，中点电位的波形迅速达到平衡。

Claims (5)

1.五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据调制度大小对五电平变换器空间矢量图进行区域划分，并根据调制度判断参考电压矢量V_ref所在的区域；

步骤2，计算每个参考电压矢量V_ref的作用时间；

步骤3，检测五电平变换器直流侧四个电容对应的电压值以及三相电流，分别记为V_C1、V_C2、V_C3、V_C4、I_a、I_b、I_c，分别计算电压值V_C1、V_C2、V_C3、V_C4与1/4的直流总电压U_dc的电压偏差值，并对其取绝对值后降序排列，确定出两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置；

步骤4，根据步骤3得到两个较大电压偏差值对应的直流侧电容的位置、三相电流I_a、I_b、I_c的方向以及五电平变换器空间矢量图，通过两个电压偏差的大小以及流过对应的电容中三相电流I_a、I_b、I_c的方向，不断对电容进行充放电使其保持平衡。

2.如权利要求1所述的五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，其特征在于，所述步骤1中判断参考电压矢量V_ref所在的区域，依据如式(1)所示：

根据式(1)得到的调制度m，当0<m<0.25时，参考电压矢量V_ref位于空间矢量图中最内层的小六边形中，当0.25<m<0.5时，参考电压矢量V_ref位于低调制区的第二层六边形内，其中，U_dc为直流侧电压。

3.如权利要求1所述的五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：

根据伏秒平衡原理，一个矢量作用时间等效为若干个矢量的作用相同时间之和，在αβ坐标系下根据参考电压矢量V_ref所在的空间位置选取空间位置所对应最近的三个空间电压矢量参与合成，如公式(2)所示：

式中，U_a、U_b、U_c分别为αβ坐标系下离参考矢量最近的三个空间电压矢量的坐标，T_a、T_b、T_c分别为电压矢量U_a、U_b、U_c的作用时间；T_s为开关周期。

4.如权利要求1所述的五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：

步骤3.1，将低调制度下的电压矢量记为P_i，与开关状态的关系如式(3)所示：

其中，n是所有冗余开关的数量，原点处的零向量n＝5；x_i，y_j，z_j，是第j个冗余对应的开关状态，U_j是冗余选择系数，U_j＝1或0，当U_j＝1时，表示对应的冗余状态是有效的，反之无效；

步骤3.2，检测五电平变换器直流侧四个电容对应的电压值，分别记为V_C1、V_C2、V_C3、V_C4，分别计算V_C1、V_C2、V_C3、V_C4与1/4的直流总电压U_dc的电压偏差值；

步骤3.3，对每个电容的电压偏差取绝对值，对其降序排列序，由大到小记为E₁、E₂、E₃、E₄，并判断出E₁、E₂、E₃、E₄的对应直流侧四个电容所在的实际位置。

5.如权利要求1所述的五电平NPC变换器低调制度直流侧电容电压自平衡方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程如下：

步骤4.1，将步骤1中五电平变换器空间矢量图划分为六个扇区，对每个大扇区的开关状态对应节点电流进行分析，发现每个大扇区的电压矢量对应开关的充放电状态一致；

以第一扇区低调制区为例，各个电压矢量对不同节点的电容充放电情况如表1所示，其中，i₁、i₂、i₃分别表示直流侧四个电容中两两连接的节点处对应的节点电流，由于P₀不影响结点电压平衡，因此表中没有列出；

表1第一扇区低调制度下各矢量对应开关状态充放电

步骤4.2，按照各电压矢量对应三相电流的方向，将电压矢量分为三组；

第一组：电压矢量P₁、电压矢量P₂、电压矢量P₃、电压矢量P₄、电压矢量P₅、电压矢量P₆，如表2所示；

第二组：电压矢量P₇、电压矢量P₉、电压矢量P₁₁、电压矢量P₁₃、电压矢量P₁₅、电压矢量P₁₇、电压矢量P₁₉，如表3所示；

第三组：电压矢量P₈、电压矢量P₁₀、电压矢量P₁₂、电压矢量P₁₄、电压矢量P₁₆、电压矢量P₁₈，如表4所示；

表2第一组电压矢量对应的三相电流I_x

表3第二组电压矢量对应的三相电流I_x

表4第三组电压矢量对应的三相电流I_x

步骤4.3，分别选择第一组电压矢量对应的开关状态、第二组电压矢量对应的开关状态和选择第三组电压矢量对应的开关状态；

由于第二组的7个电压矢量有三个冗余状态，在所有的情况下都有两个电容一起变化，必须选择导致电压偏差最小的冗余用以平衡中点电位；第三组的电压矢量中由于每个阶段是连接到一个不同的点，必须检查用于平衡E₁和E₂的电流Ix₁和Ix₂；

通过判断E₁与电流I_x的符号，若E₁>0，且I_x>0，则根据E₁所在直流侧对应电容的位置、按照表1中所示选择使E₁放电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则，根据E₂所在直流侧对应电容的位置，选择放电的开关状态为实际输出的开关状态；反之，若E₁<0，且I_x<0，则根据E₁所在直流侧对应电容的位置，使E₁充电的开关状态作为实际输出的开关状态，否则根据E₂所在位置选择E₂充电的开关状态为实际输出的开关状态，使直流侧的电容电压保持平衡。