CN110492771A - 中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法。本方法的操作步骤为：1)、采用带相反极性的新型优化脉冲序列代替传统优化脉冲序列。2)、利用新型优化脉冲序列，结合中点电流、三相电流的关系建立中点电荷的数学模型。3)、引入总谐波畸变率（THD）与中点电荷的权重因子λ，定义新的开关角求解目标函数，在其求最小值的过程中，使电流谐波畸变与中点电荷同时尽可能减小。4)、通过中点电荷寻优算法，选出一组优化的脉冲序列。传统的优化脉冲序列对应的中点电位波动较大。本发明能使逆变器工作在低开关频率下，保证THD在可以接受的范围内，尽可能减小中点电位波动，在中、高压，大功率领域具有较好的应用前景。

Description

中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法

技术领域

本发明涉及中、高压，大功率领域，特别涉及一种中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法。

技术背景

三电平逆变器相较于传统两电平逆变器，其输出电压多一个电平，更加接近于正弦波，具有较好的谐波性能；采用了更多的功率半导体器件，能降低器件的耐压等级，提升直流母线电压的容量。二极管中点箝位型(NPC)三电平逆变器由于其结构简单，在中、高压，大功率场合应用广泛。

受到功率半导体器件开关能力的限制，逆变器的开关频率不宜过高；为了能减小开关损耗，也希望逆变器工作在较低的开关频率。通常定义开关频率在500Hz以下的为低开关频率。传统的逆变器控制方法，如空间电压矢量调制(SVM)方法，在低开关频率下工作时会导致过高的电流谐波畸变率，得不到理想的输出波形。采用优化脉冲模式(OPM)，如选择谐波消除法(SHE)、电流谐波最小法(CHM),可以在低开关频率下获得较好的输出电压或电流谐波性能。

在中点箝位型(NPC)三电平逆变器运行时，由于电路拓扑本身的原因，若不进行相关控制，其中点电位会发生偏移，且产生较大的中点电位波动。必须对其进行控制，以保证输出电平确定、可靠，使逆变器安全、稳定地运行。而传统的中点电位控制方法在低开关频率下并不适用。因此，研究一种既能在低开关频率下保证逆变器谐波性能，又能减小中点电位波动的优化脉冲方法是一个新的难题。

发明内容

本发明针对低开关频率下二极管中点箝位型三电平逆变器的中点电位波动问题，提供了一种中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，使逆变器工作在较低的开关频率，同时减小其中点电位波动。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

一种中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，其特征在于操作步骤如下：1)、采用带相反极性的新型优化脉冲序列代替传统优化脉冲序列。2)、由所述新型优化脉冲序列并结合中点电流、三相电流的关系建立中点电荷的数学模型。3)、引入总谐波畸变率(THD)与中点电荷的权重因子λ，并定义新的开关角求解目标函数，在其求最小值的过程中，使电流谐波畸变与中点电荷同时尽可能减小。4)、通过中点电荷寻优算法，选出一组合适的脉冲序列以驱动逆变器。

所述步骤1)中，带相反极性的新型脉冲序列在同步、对称优化脉冲的基础上，在电压过零附近输出一个相反极性的脉冲，形成双极性调制。在减小中矢量对中点电位影响的同时增加小矢量对中矢量的补偿作用。为了弥补相反极性脉冲带来的谐波，在原有脉冲序列的基础上增加一个开关角，以保证电流畸变率在可以接受的范围内。

所述步骤2)中，中点电荷的数学模型由中点电流、三相电流建立。对于三相三电平NPC逆变器的中点电流i_np有

i_np(t)＝[1-abs(S_a)]·i_a+[1-abs(S_b)]·i_b+[1-abs(S_c)]·i_c

其中abs(·)为绝对值函数，S_a,b,c为三相的开关函数，其取值可能为-1、0、1，

三相电流i_a,b,c的表达式为

其中I_m为电流幅值，θ为相位角，为功率因数角。

只有当某一相的开关函数为0时，该相电流才会对中点产生作用，形成中点电流。由于优化脉冲的开关角具有四分之一周期(T/4)偶对称、二分之一周期奇对称的性质，只需计算T/4内的开关角，即可推出整个周期内的开关角。对中点电流的表达式在0到T/4范围内进行积分，可以得到中点电荷Q_np的数学模型。以A相为例说明A相的中点电荷模型

其中ω为电流角频率，α₁,α₂…α_N为T/4内的开关角，共N个。

同理可得B相、C相的中点电荷模型，分别记为Q_npB、Q_npC，三相的Q_np模型为

所述步骤3)中，目标函数由两部分组成，一部分是传统CHM优化脉冲求解时各开关角关于THD的函数，另一部分是中点电荷的数学模型。由于电流幅值、角频率与开关角求解无关，仅考虑开关角、功率因数角关于Q_np的函数，记为f_Qnp。为了权衡THD与Q_np的比重，引入权重因子λ，可得目标函数为

其中f_THD为开关角关于THD的函数，f为目标函数。

所述步骤4)中，中点电荷寻优算法是为了确定一组开关角，当功率因数角在5°-85°范围内变化时，使Q_np都尽可能小，其具体步骤如下：

(1)对每一个确定的求解所述目标函数的最小值，可得一组开关角。当在5°-85°内以最小量1°变化时，共可计算出81组开关角。

(2)首先将时计算所得开关角带入Q_np数学模型，令在5°-85°范围内以最小量1°变化，可计算出Q_np大小，共81组数据，并求其中绝对值最大的一组，记为abs(Q_npmax)。同理，可以计算出下的开关角对应的abs(Q_npmax)，共计81组数据。

(3)求取abs(Q_npmax)中的最小值，该最小值对应的开关角就是所需的最优开关角，能让Q_np在范围内都尽可能小。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法可以使逆变器工作在低开关频率下，保证THD在可以接受的范围内，尽可能减小中点电位波动，使逆变器安全、稳定地运行。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是带相反极性脉冲的新型优化脉冲序列(0-T/4)。

图3是不同调制度下，不同功率因数角的中点电荷最小曲线。

图4是调制度在0.9-1的最优开关角曲线。

图5是不同调制度下，传统方法与本发明的中点电荷曲线对比。

图6是不同调制度下，其他方法与本发明的中点电位波动对比。

图7是调制度在0.9下，传统方法与本发明的中点电位波动放大。

图8是调制度在0.9下，传统方法与本发明的A相PWM电压对比。

图9是调制度在0.9下，传统方法与本发明的A相电流对比。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，本中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，操作步骤如下：1)、采用带相反极性的新型优化脉冲序列代替传统优化脉冲序列。2)、由所述新型优化脉冲序列并结合中点电流、三相电流的关系建立中点电荷的数学模型。3)、引入总谐波畸变率(THD)与中点电荷的权重因子λ，并定义新的开关角求解目标函数，在其求最小值的过程中，使电流谐波畸变与中点电荷同时尽可能减小。4)、通过中点电荷寻优算法，选出一组合适的脉冲序列以驱动逆变器。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：所述步骤1)中，带相反极性的新型脉冲序列在同步、对称优化脉冲的基础上，在电压过零附近输出一个相反极性的脉冲，形成双极性调制(图2)。在减小中矢量对中点电位影响的同时增加小矢量对中矢量的补偿作用。为了弥补相反极性脉冲带来的谐波，在原有脉冲序列的基础上增加一个开关角，以保证电流畸变率在可以接受的范围内。

所述步骤2)中，中点电荷的数学模型由中点电流、三相电流建立。对于三相三电平NPC逆变器的中点电流i_np有

i_np(t)＝[1-abs(S_a)]·i_a+[1-abs(S_b)]·i_b+[1-abs(S_c)]·i_c

其中abs(·)为绝对值函数，S_a,b,c为三相的开关函数，其取值可能为-1、0、1，

三相电流的表达式为

只有当某一相的开关函数为0时，该相电流才会对中点产生作用，形成中点电流。由于优化脉冲的开关角具有四分之一周期偶对称、二分之一周期奇对称的性质，只需计算T/4内的开关角，即可推出整个周期内的开关角。对中点电流的表达式在0到T/4范围内进行积分，可以得到中点电荷Q_np的数学模型。以A相为例说明A相的中点电荷模型

其中I_m为电流幅值，ω为电流角频率，α₁,α₂…α_N为各个开关角，为功率因数角。

同理可得B相、C相的中点电荷模型，分别记为Q_npB、Q_npC，三相的Q_np模型为

所述步骤3)中，目标函数由两部分组成，一部分是传统CHM优化脉冲求解时各开关角关于THD的函数，另一部分是中点电荷的数学模型。由于电流幅值、角频率与开关角求解无关，仅考虑开关角、功率因数角关于Q_np的函数，记为f_Qnp。为了权衡THD与Q_np的比重，引入权重因子λ，可得目标函数为

所述步骤4)中，中点电荷寻优算法是为了确定一组开关角，当功率因数角在5°-85°范围内变化时，使Q_np都尽可能小(图3)，其步骤如下：

(1)对每一个确定的求解所述目标函数的最小值，可得一组开关角。当在5°-85°内以最小量1°变化时，共可计算出81组开关角。

(2)首先将时计算所得开关角带入Q_np数学模型，令在5°-85°范围内以最小量1°变化，可计算出Q_np大小，共81组数据，并求其中绝对值最大的一组，记为abs(Q_npmax)。同理，可以计算出下的开关角对应的abs(Q_npmax)，共计81组数据。

(3)求取abs(Q_npmax)中的最小值，该最小值对应的开关角就是所需的最优开关角，能让Q_np在范围内都尽可能小。

实施例三：

本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：采取分段同步调制策略，恒压频比控制，对于调制度m有

其中f为电压实际频率，f_max为最大电压频率，本例中为f_max为50Hz。

对于带相反极性脉冲的新型优化脉冲序列，调制度m与开关角的关系如下

根据不同调制度m、四分之一周期内开关角个数N，可以得到每个分段的开关频率范围，如表一所示，

表一

依据表一，在采用该分段同步调制策略时，各调制度对应的开关频率范围都在500Hz以下，属于低开关频率范围。

本例中以调制度m在0.9-1,N＝6进行说明，对中点电流表达式在0到T/4范围内进行积分，可得该分段内的中点电荷数学模型

那么新的目标函数为

其中

本例中权重因子取λ取0.3；目标函数f采用fmincon(·)函数来计算最小值，从而求取开关角。通过所述中点电荷寻优算法可以获得一组开关角使中点电荷在功率因数角范围内都尽可能小。本例中调制度m在0.9-1的最优开关角曲线图如图4所示。图中从上至下的曲线分别代表了α₆到α₁共6条开关角曲线，相邻的开关角间隔最小为0.01弧度，保证了逆变器的最小死区时间。

图5是调制度在0.9、0.94下的中点电荷曲线对比，纵坐标是中点电荷Q_np的大小，单位为库伦C；横坐标是功率因数角，单位为角度°。其中虚线是传统方下的Q_np曲线，实线是本发明的Q_np曲线。从中可以看出，本发明提出的中点电荷寻优算法能够选出最优的开关角使中点电荷尽可能小。

图6是调制度在0.9、0.94下的中点电位波动的对比。图中三段曲线分别对应了传统方法的开关角、仅采用相反极性脉冲的开关角和本发明所述方法计算所得的开关角对应的中点电位波动。可见，本发明对中点电位波动抑制效果明显，能将波动降低一半以上。图7则分别是调制度在0.9时传统方法与本发明对应的中点电位波动放大。

图8是调制度在0.9下的A相PWM电压对比。传统方法的PWM电压(图8a)波动较大，而本发明的PWM电压(图8b)较为平稳，能够输出准确可靠的电平，使逆变器稳定、可靠地工作。

图9是调制度在0.9下的A相电流对比。相比传统方法的电流谐波(图9a)，本发明的电流谐波(图9b)略有增加，但仍在可以接受的范围内。

Claims (5)

1.一种中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，其特征在于操作步骤如下：1)、采用带相反极性的新型优化脉冲序列代替传统优化脉冲序列；2)、由所述新型优化脉冲序列并结合中点电流、三相电流的关系；建立中点电荷的数学模型；3)、引入总谐波畸变率(THD)与中点电荷的权重因子λ，并定义新的开关角求解目标函数，在其求最小值的过程中，使电流谐波畸变与中点电荷同时尽可能减小；4)、通过中点电荷寻优算法，选出一组合适的脉冲序列以驱动逆变器。

2.如权利要求1所述的中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，其特征在于：所述步骤1)中，带相反极性的新型脉冲序列在同步、对称优化脉冲的基础上，在电压过零附近输出一个相反极性的脉冲，形成双极性调制；在减小中矢量对中点电位影响的同时增加小矢量对中矢量的补偿作用；为了弥补相反极性脉冲带来的谐波，在原有脉冲序列的基础上增加一个开关角，以保证电流畸变率在可以接受的范围内。

3.如权利要求1所述的中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，其特征在于：所述步骤2)中，中点电荷的数学模型由中点电流、三相电流建立；只有当某一相输出O电平时，该相电流才会对中点产生作用，形成中点电流；由于优化脉冲的开关角具有四分之一周期T/4偶对称、二分之一周期奇对称的性质，只需计算T/4内的开关角，即可推出整个周期内的开关角；对中点电流在0到T/4范围内进行积分，可以得到中点电荷Q_np的数学模型；A相的中点电荷模型

其中ω为电流角频率，α₁,α₂…α_N为T/4内的开关角，共N个；

同理可得B相、C相的中点电荷模型，分别记为Q_npB、Q_npC，三相的Q_np模型为

4.如权利要求1所述的中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，其特征在于：所述步骤3)中，目标函数由两部分组成，一部分是传统电流谐波最小CHM优化脉冲求解时各开关角关于THD的函数，另一部分是中点电荷的数学模型；由于电流幅值、角频率与开关角求解无关，仅考虑开关角、功率因数角关于Q_np的函数，记为f_Qnp；为了权衡THD与Q_np的比重，引入权重因子λ，可得目标函数为

其中f_THD为开关角关于THD的函数，f为目标函数。

5.如权利要求1所述的中点电荷最小的三电平逆变器优化脉冲方法，其特征在于：所述步骤4)中，中点电荷寻优算法是为了确定一组开关角，当功率因数角在5°-85°范围内变化时，使Q_np都尽可能小，其具体步骤如下：

(1)对每一个确定的求解所述目标函数的最小值，得一组开关角；当在5°-85°内以最小量1°变化时，共计算出81组开关角；

(2)首先将时计算所得开关角带入Q_np数学模型，令在5°-85°范围内以最小量1°变化，计算出Q_np大小，共81组数据，并求其中绝对值最大的一组，记为abs(Q_npmax)；同理，计算出下的开关角对应的abs(Q_npmax)，共计81组数据；

(3)求取abs(Q_npmax)中的最小值，该最小值对应的开关角就是所需的最优开关角，能让Q_np在范围内都尽可能小。