CN110504856B - 一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法 - Google Patents

一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法，包括以下步骤：S1：预估下一开关周期通过调制波分解所需要补偿的中点电位偏移量Δudc *；S2：计算各相通过调制波分解在一个开关周期内能够补偿的最大中点电位偏移量Δudcmax_a、Δudcmax_b、Δudcmax_c；S3：计算各相调制波分解对中点电位平衡的控制极限系数δa、δb、δc；S4：选取控制极限系数最小的相进行调制波分解，并计算最优的调制波分解量Δd；S5：将选取相调制波进行调制波分解得到正负调制波ux+、ux‑，并与给定的三角载波进行比较，得到脉宽调制信号，对相应的功率开关器件进行开关控制。本发明提供了能够在非对称与零序负荷情况调节中点电位平衡，并降低调制波分解带来的功率管过热与效率下降问题。

Description

一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法。
背景技术
多电平技术解决了功率器件直接串联的均压问题，具有du/dt小，波形质量高，开关频率低，效率高等优点，一直被广泛应用于中高压大容量变流系统中。三电平逆变器，包括中点箝位型(Neutral-point-clamped，NPC)三电平逆变器和T型三电平逆变器，是最为成熟的多电平拓扑，在交流驱动、机车牵引、有源滤波、新能源发电与储能等领域有着广泛的应用。
但是，三电平逆变器固有的中点电位平衡问题，极大限制了其应用。目前已提出的主流解决方法包括基于空间矢量调制(SVPWM)的冗余小矢量分配与基于正弦脉宽调制(SPWM)的零序电压注入两种。上述两种方法虽然形式上不同，但本质上都是通过零序分量注入来改变O状态占空比，从而调节注入中点的电荷来调节中点电位平衡。以上控制方式很好解决了负载为三相对称时的中点电位平衡问题，已在工业界广为采用。
但是，很多三电平的应用场合涉及非对称与零序负荷，例如三相四线制电网系统应用、逆变器低电压穿越等。特别是零序电流，其流入中性点造成了严重的中点基频振荡(如图1所示)，相比于传统的中点电位三倍基频振荡更难滤除，对直流电容容量的要求更高。此外，零序负荷的调节也需要依靠零序电压注入方式解决，剥夺了传统中点平衡算法对零序电压的独立控制权，造成中点平衡控制失效。
调制波分解手段无需改变零序分量，但却能调节O状态的占空比(如图3所示)，从而调节中点电位，可以作为上述控制问题的解决方案。但是，通过调制波分解手段来解决负载非对称与零序情况下三电平逆变器的中点平衡问题尚有较大困难：首先，由于负荷情况复杂且三相调制波都可进行分解，各相分解量Δd的优化选取与在线计算十分困难；其次，调制波分解方法将开关损耗增大了一倍，带来了功率管过热与系统效率下降的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法，能够在非对称与零序负荷情况调节中点电位平衡，并降低调制波分解带来的功率管过热与效率下降问题。
本发明的技术方案如下所示：
一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法，包括以下步骤：
S1：预估下一开关周期通过调制波分解所需要补偿的中点电位偏移量Δudc *；
S2：计算各相通过调制波分解在一个开关周期内能够补偿的最大中点电位偏移量Δudcmax_a、Δudcmax_b、Δudcmax_c；
S3：计算各相调制波分解对中点电位平衡的控制极限系数δa、δb、δc；
S4：选取控制极限系数最小的相进行调制波分解，并计算最优的调制波分解量Δd；
S5：将选取相调制波进行调制波分解得到正负调制波ux+、ux-，并与给定的三角载波进行比较，得到脉宽调制信号，对相应的功率开关器件进行开关控制。
优选的，步骤S1中所述的中点电位偏移量Δudc *由式子
Figure GDA0004068267340000021
计算得出，其中ua、ub、uc表示三相调制波电压，ia、ib、ic表示流出桥臂的三相电流，C为上、下直流侧的电容容值，udc为直流母线电压，f为开关频率，/>
Figure GDA0004068267340000022
表示中点电位偏移的直流分量。
优选的，步骤S1中所述的中点电位偏移的直流分量
Figure GDA0004068267340000023
可通过上、下直流侧电压udc1、udc2作差后经低通滤波得到。
优选的，步骤S2中所述的最大中点电位偏移量Δudcmax_a、Δudcmax_b、Δudcmax_c由式子
Figure GDA0004068267340000024
分别计算得出。
优选的，步骤S3中所述的控制极限系数δa、δb、δc由式子
Figure GDA0004068267340000031
Figure GDA0004068267340000032
分别计算得出。
优选的，步骤S4中所述的最优的调制波分解量Δd的计算过程如下：当δx≥0时，Δd＝0；当-1≤δx＜0时，
Figure GDA0004068267340000033
当δx＜-1时，/>
Figure GDA0004068267340000034
其中δx表示该相的控制极限系数，ux表示该相的调制波电压、ix表示该相的相电流
更优选的，步骤S5中所述的正负调制波ux+、ux-的计算过程为：当ux＞0时，ux+＝ux+Δd，ux-＝-Δd；当ux＜0时，ux+＝Δd，ux-＝ux-Δd。
本发明的技术效果为：本发明通过调制波分解来进行中点平衡控制，不改变输出电压的零序分量，与零序电流控制互不干扰，在对称、非对称与零序负荷情况均适用；本发明中点电位待补偿目标不但包括中点电位的交流波动、还包含了直流稳态偏移，不但具有中点电位交流波动的抑制能力，也具有中点电位直流偏置的抑制能力；本发明引入极限系数来衡量各相调制波分解对中点平衡的调节力度，仅选取效果最好的相进行调制波分解，相对于多相调制波分解降低了开关损耗，提高了效率；本发明调制波分解量Δd在最优相分解情况的求取结果为最优值，且算法简单易行，易于编程实现。
附图说明
图1是非对称与零序负荷下三电平逆变器电路原理图。
图2是本发明控制方法流程示意图。
图3是对最优相进行调制波分解的示意图。
图4是带正序、负序与零序负荷时应用本发明得到的开关周期内待补偿不平衡电压以及分解各相能够补偿的最大不平衡电压的示意图。
图5是带正序、负序与零序负荷时应用本发明得到的优选分解相以及该相分解量Δd的示意图。
图6是带正序、负序与零序负荷时应用本发明得到的直流不平衡电压最终补偿效果。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
若图1所示的非对称与零序负荷下三电平逆变器电路原理图，其中上、下直流侧的电容值C为3400μF，开关频率f为10kHz，直流母线电压udc为1100V，输出三相负载电流为基波50Hz，负荷包含：正序电流峰值40A、负序电流峰值20A、零序电流峰值10A。
本发明的实施步骤如图2所示，包括：
a.预估下一开关周期通过调制波分解所需要补偿的中点电位偏移量Δudc *，所述中点电位偏移量Δudc *利用公式
Figure GDA0004068267340000041
计算得到，其中ua、ub、uc表示三相调制波电压实时值，ia、ib、ic表示流出桥臂的三相电流实时值，将上述的电容值C、开关频率f、直流母线电压udc的值代入，/>
Figure GDA0004068267340000042
表示中点电位偏移的直流分量，通过上、下直流侧电压udc1，udc2作差后经截止频率10Hz的低通滤波得到，Δudc *的计算结果见图3。
b.计算各相通过调制波分解在一个开关周期内能够补偿的最大中点电位偏移量Δudcmax_a、Δudcmax_a、Δudcmax_c，上述最大中点电位偏移量由公式
Figure GDA0004068267340000043
计算得出，Δudcmax_a、Δudcmax_a、Δudcmax_c计算结果如图3所示；
c.利用公式
Figure GDA0004068267340000044
计算各相调制波分解对中点电位平衡的控制极限系数δa、δb、δc；
d.比较δa、δb、δc的大小，选取控制极限系数最小的对应相进行调制波分解，并计算最优的调制波分解量Δd，所述调制波分解量Δd的计算过程为：当δx≥0时，Δd＝0；当-1≤δx＜0时，
Figure GDA0004068267340000051
当δx＜-1时，/>
Figure GDA0004068267340000052
其中δx表示该相的控制极限系数，ux表示该相的调制波电压、ix表示该相的相电流，本步骤计算结果如图4所示，每一时刻仅有一相被分解，分解量Δd大小的波形如图4中所示。
e.将选取相调制波进行调制波分解得到正负调制波ux+、ux-，如图5所示，并与给定的三角载波进行比较，得到脉宽调制信号，对相应的功率开关器件进行开关控制，上述的正负调制波ux+、ux-的计算过程为：当ux＞0时，ux+＝ux+Δd，ux-＝-Δd；当ux＜0时，ux+＝Δd，ux-＝ux-Δd。
如图6所示，本发明在0.8s之后实施本发明算法得到的直流不平衡电压的最终波形，如图中波形所示，三电平变流器的直流不平衡电压下降了近一半，证明本算法的效果明显优于传统技术。
以上所述实例的实施方式仅用来解释本发明，而不对本发明施加限制，凡在本发明的精神和原则之内，对本发明所做任何修改和改变，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预估下一开关周期通过调制波分解所需要补偿的中点电位偏移量Δudc *；
S2：计算各相通过调制波分解在一个开关周期内能够补偿的最大中点电位偏移量Δudcmax_a、Δudcmax_b、Δudcmax_c；
S3：计算各相调制波分解对中点电位平衡的控制极限系数δa、δb、δc；控制极限系数δa、δb、δc由式子
Figure FDA0004068267330000011
分别计算得出；
S4：选取控制极限系数最小的相进行调制波分解，并计算最优的调制波分解量Δd；最优的调制波分解量Δd的计算过程如下：当δx≥0时，Δd＝0；当-1≤δx＜0时，
Figure FDA0004068267330000012
当δx＜-1时，/>
Figure FDA0004068267330000013
其中δx表示该相的控制极限系数，ux表示该相的调制波电压、ix表示该相的相电流，C为上、下直流侧的电容值，udc为直流母线电压，f为开关频率；
S5：将选取相调制波进行调制波分解得到正负调制波ux+、ux-，正负调制波ux+、ux-的计算过程为：当ux＞0时，ux+＝ux+Δd，ux-＝-Δd；当ux＜0时，ux+＝Δd，ux-＝ux-Δd；并与给定的三角载波进行比较，得到脉宽调制信号，对相应的功率开关器件进行开关控制。
2.根据权利要求1中所述的一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法，其特征在于，步骤S1中所述的中点电位偏移量Δudc *由式子
Figure FDA0004068267330000014
计算得出，其中ua、ub、uc表示三相调制波电压，ia、ib、ic表示流出桥臂的三相电流，C为上、下直流侧的电容值，udc为直流母线电压，f为开关频率，/>
Figure FDA0004068267330000015
表示中点电位偏移的直流分量。
3.根据权利要求2中所述的一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法，其特征在于，步骤S1中所述的中点电位偏移的直流分量
Figure FDA0004068267330000021
可通过上、下直流侧电压udc1、udc2作差后经低通滤波得到。
4.根据权利要求2中所述的一种基于最优相调制波分解的中点电位平衡算法，其特征在于，步骤S2中所述的最大中点电位偏移量Δudcmax_a、Δudcmax_b、Δudcmax_c由式子
Figure FDA0004068267330000022
分别计算得出。/>
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