CN110611448A - 一种三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，包括以下步骤：S1：获取直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压；S2：获取电感电流大小，并通过电感电流大小得到电感电流方向；S3：当直流侧正母线电容电压高于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为正方向时，通过控制第四开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节；S4：当直流侧正母线电容电压低于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为负方向时，通过控制第一开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节。本发明无需增加硬件成本，且仍然采用SPWM调制，实现方式简单，且均衡中点电压的过程中不影响正常三电平电压的输出。

Description

一种三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法

技术领域

本发明属于三电平变换器领域，涉及一种三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法。

背景技术

三电平拓扑已在柔性交流输电、电网无功补偿和吸收、高压(中压)交流电机传动等多个领域得到广泛应用。与两电平拓扑相比，三电平拓扑有以下优点：1)相同开关频率下，输出电压和电流谐波含量大幅降低；2)功率管承受的电压为母线电压的一半；3)功率管开关损耗低。

为了使三电平逆变器安全可靠运行，必须确保中点电位为直流侧电压的一半。现有三电平拓扑的直流侧电压平衡方法主要有以下3种：1)用额外的变流器向电容中点注入或抽取电流；2)上下电容电压取自两路独立的直流电源；3)通过SVPWM调制策略来控制直流中点电位。

但是，方法1)和方法2)都需要增加额外的硬件，增加成本；方法3在三相三线拓扑中可以使用，但在三相四线拓扑中由于中线的存在使得电压矢量在三维中运动，调制策略难以实现。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中三电平变换器的直流侧中点电压平衡难以调制的缺点，提供一种三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，所述三电平变换器包括三个相同的相电路、直流侧正母线电容和直流侧负母线电容，相电路包括电感、交流源、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，直流侧正母线电容、第一开关管、第四开关管和直流侧负母线电容依次串联，直流侧正母线电容与直流侧负母线电容的连接线上设置N点，N点依次连接交流源、电感、第一开关管和第四开关管的连接线、第三开关管、第二开关管和N点；第一开关管和第二开关管互补导通时，第三开关管长通，第四开关管关断；第三开关管和第四开关管互补导通时，第一开关管关断，第二开关管长通；

所述控制方法包括以下步骤：

S1：获取直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压；

S2：获取电感电流大小，并通过电感电流大小得到电感电流方向；

S3：当直流侧正母线电容电压低于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为负方向时，根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第一开关管的占空比，通过打开第一开关管的占空比控制第一开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节；

S4：当直流侧正母线电容电压高于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为正方向时，根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第四开关管的占空比，通过打开第四开关管的占空比控制第四开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节。

本发明进一步的改进在于：

所述获取直流侧正母线电容电压的方法为：

将直流侧正母线电容电压经过分压电路、运算电路和限幅电路后调节至0～3V后输入DSP控制器；通过DSP控制器读取直流侧正母线电容电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到直流侧正母线电容电压。

所述获取直流侧负母线电容电压的方法为：

将直流侧负母线电容电压经过分压电路、运算电路和限幅电路后调节至0～3V后输入DSP控制器；通过DSP控制器读取直流侧负母线电容电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到直流侧负母线电容电压。

所述S2的具体方法为：

通过霍尔传感器得到电感电流对应的电感电压，将电感电压经过运算电路、抬升电路和限幅电路调节至0～3V后输入DSP控制器，通过DSP控制器读取电感电压的AD采样值，并根据运算电路的比例系数得到电感电流，当电感电流为正时，电感电流方向为正方向；当电感电流为负时，电感电流方向为负方向；其中，流出直流侧的电流方向为正方向。

所述S3中根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第一开关管的占空比的具体方法为：

将直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值输入PI调节器，通过PI调节器输出打开第一开关管的占空比。

所述S4中根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第四开关管的占空比的具体方法为：

将直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值输入PI调节器，通过PI调节器输出打开第四开关管的占空比。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过获取直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压，判断直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的大小关系，通过获取电感电流大小，并通过电感电流大小得到电感电流方向，结合直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的大小关系及进行打开第一开关管或打开第四开关管的占空比，当直流侧正母线电容电压低于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为负方向时，通过打开第一开关管的占空比控制第一开关管的通断，此时第二开关管关断，此时电流会流经直流侧正母线电容，从而对直流侧正母线电容充电，由于总直流电压不变，所以直流侧正母线电容电压会升高，直流侧负母线电容电压会下降，从而达到直流侧电压平衡。当直流侧正母线电容电压高于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为正方向时，通过打开第四开关管的占空比控制第四开关管的通断，第三开关管关断，此时电流会流经直流侧负母线电容，从而对直流侧负母线电容充电，由于总直流电压不变，所以直流侧负母线电容电压会升高，直流侧正母线电容电压会下降，从而达到直流侧电压平衡。本方法由于是通过改变控制方式实现的，所以无需增加硬件成本；同时，由于仍然采用SPWM调制，所以实现方式简单，且在均衡直流侧中点电压的过程中不影响正常三电平电压的输出。

进一步的，将母线电容电压经过分压电路、运算电路和限幅电路后调节至0～3V后输入DSP控制器；触发DSP控制器内部AD采样转换器进行AD采样，通过DSP控制器读取母线电容电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到母线电容电压，母线电压信号经过调理后可以确保进入到DSP控制器的电压信号再0-3V范围内，在母线电压过高时不会损坏DSP控制器。

进一步的，通过霍尔传感器得到电感电流对应的电感电压，将电感电压经过运算电路、抬升电路和限幅电路调节至0～3V后输入DSP控制器；触发DSP控制器内部AD采样转换器进行AD采样，通过DSP控制器读取电感电压的AD采样值，并根据运算电路的比例系数得到电感电流，电感电流信号经过调理后可以确保进入到DSP控制器的电压信号在0-3V范围内，在电感电流过高时不会损坏DSP芯片。

进一步的，将直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值输入PI调节器，通过PI调节器输出开关管的占空比，可以方便的得出均压功能所需要的占空比，便于实现。

附图说明

图1为本发明的控制方法流程框图；

图2为本发明的开关管占空比计算流程图；

图3为本发明的三相四线制三电平电路的一相拓扑图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和2，本发明三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，包括以下步骤：

S1：获取直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压。

其中，获取直流侧正母线电容电压的方法为：将直流侧正母线电容电压经过分压电路、运算电路和限幅电路后调节至0～3V后输入DSP控制器；触发DSP内部AD采样转换器进行AD采样，通过DSP控制器读取直流侧正母线电容电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到直流侧正母线电容电压。

获取直流侧负母线电容电压的方法为：将直流侧负母线电容电压经过分压电路、运算电路和限幅电路后调节至0～3V后输入DSP控制器；触发DSP内部AD采样转换器进行AD采样，通过DSP控制器读取直流侧负母线电容电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到直流侧负母线电容电压。

S2：获取电感电流大小，并通过电感电流大小得到电感电流方向；具体方法为：通过霍尔传感器得到电感电流对应的电感电压，将电感电压经过运算电路、抬升电路和限幅电路调节至0～3V后输入DSP控制器，触发DSP内部AD采样转换器进行AD采样，通过DSP控制器读取电感电压的AD采样值，并根据运算电路的比例系数得到电感电流，当电感电流为正时，电感电流方向为正方向；当电感电流为负时，电感电流方向为负方向；其中，流出直流侧的电流方向为正方向。

S3：当正母线电容电压低于负母线电容电压，且电感电流方向为负方向时，将直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值输入PI调节器，通过PI调节器输出打开第一开关管的占空比，通过打开第一开关管的占空比控制第一开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节。

S4：当正母线电容电压高于负母线电容电压，且电感电流方向为正方向时，将直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值输入PI调节器，通过PI调节器输出打开第四开关管的占空比，通过打开第四开关管的占空比控制第四开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节；

下面详细分析本发明的原理：

参见图3，三相四线制三电平电路的一相，电路分为由第一开关管Q1和第二开关管Q2组成的上半部分、第三开关管Q3和第四开关管Q4组成的下半部分。四个开关管的开通关系为，第一开关管Q1和第二开关管Q2互补导通时，第三开关管Q3长通，第四开关管Q4关断；第三开关管Q3和第四开关管Q4互补导通时，第一开关管Q1关断，第二开关管Q2长通。在上半部分电路的第一开关管Q1工作时，输出电压为正电平，此时的电感电流为正或负时，会对直流侧正母线电容C1放电或充电；在上半部分电路的第二开关管Q2工作时，输出电压为零电平，此时的电感电流为正或负时，不会对直流侧正母线电容C1电压产生影响；在下半部分电路的第四开关管Q4工作时，输出电压为负电平，此时的电感电流为正或负时，会对直流侧负母线电容C2充电或放电；在下半部分的第三开关管Q3工作时，输出电压为零电平，此时的电感电流为正或负时，不会对直流侧负母线电容C2电压产生影响。

如果直流侧正母线电容C1的电压高于直流侧负母线电容C2的电压，电感电流为正时，通过在零电平第二开关管Q2工作时，关断第三开关管Q3，此时电流会流经直流侧负母线电容C2，从而对直流侧负母线电容C2充电，由于总直流电压不变，所以直流侧负母线电容C2电压会升高，直流侧正母线电容C1电压会下降，从而达到直流侧电压平衡。通过直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值，采用PI调节器得到打开第四开关管Q4的占空比或者关断第三开关管Q3的占空比，因为第三开关管和第四开关管互补导通，所以打开第四开关管Q4的占空比或者关断第三开关管Q3的占空比效果相同。

如果直流侧负母线电容C2的电压高于直流侧正母线电容C1的电压，电感电流为负时，通过在零电平第三开关管Q3工作时，关断第二开关管Q2，此时电流会流经直流侧正母线电容C1，从而对直流侧正母线电容C1充电，由于总直流电压不变，所以直流侧正母线电容C1电压会升高，直流侧负母线电容C2电压会下降，从而达到直流侧电压平衡。通过比较直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值，采用PI调节器得到打开第一开关管Q1的占空比或关断第二开关管Q2的占空比，因为第一开关管和第二开关管互补导通，所以打开第一开关管Q1的占空比或者关断第二开关管Q2的占空比效果相同。

由于第一开关管Q1和第二开关管Q2是互补的，并且第一开关管Q1是主管，第三开关管Q3和第四开关管Q4是互补的，并且Q4管是主管，所以第二开关管Q2的开通是通过第一开关管Q1的开通来实现的，第三开关管Q3的开通是通过第四开关管Q4的开通来实现的。

本方法由于是通过改变控制方式实现的，所以无需增加硬件成本；同时，由于仍然采用SPWM调制，所以实现方式简单，且在均衡直流侧中点电压的过程中不影响正常三电平电压的输出。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，所述三电平变换器包括三个相同的相电路、直流侧正母线电容和直流侧负母线电容，相电路包括电感、交流源、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，直流侧正母线电容、第一开关管、第四开关管和直流侧负母线电容依次串联，直流侧正母线电容与直流侧负母线电容的连接线上设置N点，N点依次连接交流源、电感、第一开关管和第四开关管的连接线、第三开关管、第二开关管和N点；第一开关管和第二开关管互补导通时，第三开关管长通，第四开关管关断；第三开关管和第四开关管互补导通时，第一开关管关断，第二开关管长通；

其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

S1：获取直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压；

S2：获取电感电流大小，并通过电感电流大小得到电感电流方向；

S3：当直流侧正母线电容电压低于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为负方向时，根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第一开关管的占空比，通过打开第一开关管的占空比控制第一开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节；

S4：当直流侧正母线电容电压高于直流侧负母线电容电压，且电感电流方向为正方向时，根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第四开关管的占空比，通过打开第四开关管的占空比控制第四开关管的通断，进行直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压调节。

2.根据权利要求1所述的三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述获取直流侧正母线电容电压的方法为：

将直流侧正母线电容电压经过分压电路、运算电路和限幅电路后调节至0～3V后输入DSP控制器；通过DSP控制器读取直流侧正母线电容电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到直流侧正母线电容电压。

3.根据权利要求1所述的三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述获取直流侧负母线电容电压的方法为：

将直流侧负母线电容电压经过分压电路、运算电路和限幅电路后调节至0～3V后输入DSP控制器；通过DSP控制器读取直流侧负母线电容电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到直流侧负母线电容电压。

4.根据权利要求1所述的三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述S2的具体方法为：

通过霍尔传感器得到电感电流对应的电感电压，将电感电压经过运算电路、抬升电路和限幅电路调节至0～3V后输入DSP控制器，通过DSP控制器读取电感电压的AD采样值，并根据运算电路的比例系数得到电感电流，当电感电流为正时，电感电流方向为正方向；当电感电流为负时，电感电流方向为负方向；其中，流出直流侧的电流方向为正方向。

5.根据权利要求1所述的三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述S3中根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第一开关管的占空比的具体方法为：

将直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值输入PI调节器，通过PI调节器输出打开第一开关管的占空比。

6.根据权利要求1所述的三电平变换器的直流侧电压平衡控制方法，其特征在于，所述S4中根据直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压得到打开第四开关管的占空比的具体方法为：

将直流侧正母线电容电压和直流侧负母线电容电压的差值输入PI调节器，通过PI调节器输出打开第四开关管的占空比。