CN110707958B - 一种基于调制波区间划分的中点电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调制波区间划分的中点电压控制方法。装置包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中数字处理控制模块包括采样单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元、调制波区间划分单元和零序分量计算单元。方法为：计算三相调制信号加入零序分量后过零点的偏移角度；划分调制波区间，并计算出抑制中点电压波动所需的零序分量；通过比较直流侧上下电容的瞬时电压，判断零序分量的符号；将零序分量与三相调信号相加，并经过正弦脉宽调制单元处理，得到脉宽调制控制信号，进而驱动电路控制三电平逆变器开关管工作。本发明硬件成本低、控制准确、适用范围广，可以有效抑制中点电压波动，降低入网电流的畸变率。

Description

一种基于调制波区间划分的中点电压控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变换技术中的控制技术领域，特别是一种基于调制波区间划分的中点电压控制方法。

背景技术

NPC三电平逆变器由于其拓扑结构成熟，开关器件承受电压低，输出谐波含量少等优点，在中高功率场合得到了广泛的应用。但由于NPC三电平逆变器的固有特性，逆变器的直流侧会产生中点电压波动的问题。目前对于三电平逆变器直流侧中点电压波动的问题，主要有三种解决方法：(1)采用独立的直流电压源为直流侧电容供电；(2)外接中点平衡控制电路；(3)采用特定的中点电压控制方法；由于前两种方法会增加硬件成本，故一般不予考虑。

在理想电网条件下，现有的中点电压控制方法相对成熟，如基于零序分量注入的DPWM方法、基于冗余小矢量调整的SVPWM方法、基于混合调制的方法等。然而在实际情况中，电网故障会导致网侧三相电压不平衡，在三相电压不平衡的状态下，中点电压波动的幅值会增大，频率则由三相平衡时的三倍工频变为工频，且含有3、5、7次等奇次谐波分量，这给中点电压的控制带来了困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于非理想电网条件下基于调制波区间划分的中点电压控制方法及装置，在非理想电网条件下实现逆变器直流侧上、下电容电压的平衡，且在低功率因数运行的情况下也有较好的效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于调制波区间划分的中点电压控制装置，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中：

数字处理控制模块包括采样单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元、调制波区间划分单元和零序分量计算单元；采样单元分别采集三电平逆变器直流侧上、下电容电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电流信号，发送至调制波区间划分单元、零序分量计算单元和闭环控制单元；调制波区间划分单元和零序分量计算单元根据采样得到的交流侧电流信号及调制波信号，计算得出抑制中点电压波动所需的零序分量，将零序分量与闭环控制单元得到的调制波信号相加，发送至正弦脉宽调制单元，正弦脉宽调制单元的输出端经过驱动电路，接入三电平逆变器中每相桥臂的各个开关管。

一种基于调制波区间划分的中点电压控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采样交流侧三相电压e_a、e_b、e_c，交流侧三相电流i_a、i_b、i_c，直流侧上电容电压U_C1，直流侧下电容电压U_C2；

步骤2、利用对称分量法，对交流侧三相电压e_a、e_b、e_c、交流侧三相电流i_a、i_b、i_c进行正负序分解；

步骤3、以消除有功功率波动为目标，计算电流给定，并通过闭环控制单元得到三相调制波u_a、u_b、u_c；

步骤4、计算加入零序分量后a、b、c三相调制波的过零点偏移角度

步骤5、利用步骤4所求得的三相调制波的过零点偏移角度，将一个工频周期划分为六个调制波区间，分别为：

区间Ⅰ：

区间Ⅱ：

区间Ⅲ：

区间Ⅳ：

区间Ⅴ：

区间Ⅵ：

其中，

为加入零序分量之前的调制波的过零点；

步骤6、利用步骤5划分的六个调制波区间，在各个区间分别计算零序分量u₀；

步骤7、对直流侧上、下电容的瞬时电压进行比较：

当U_C1>U_C2时：

u′₀＝-|u₀|

当U_C1<U_C2时：

u′₀＝|u₀|

其中，u₀′为最终与三相调制波相加的零序分量；

步骤8、三相调制信号经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，驱动电路控制三电平逆变器开关管的工作。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过划分区间直接计算出准确的零序分量，有利于中点电压的实时控制；(2)降低了输出电流的畸变率，提高了波形质量。

附图说明

图1是本发明基于调制波区间划分的中点电压控制装置的结构示意图。

图2是本发明基于调制波区间划分的中点电压控制方法中调制波偏移角示意图。

图3是本发明中一个周期内调制波角度区间划分图。

图4是NPC三电平并网逆变器的拓扑图。

图5是本发明中零序分量计算流程图。

图6是功率因数为1时，在0.1s加入本发明的控制方法前后的直流侧上、下电容电压波形图。

图7是功率因数为0.866时，在0.1s加入本发明的控制方法前后的直流侧上、下电容电压波形图。

图8是功率因数为0.5时，在0.1s加入本发明的控制方法前后的直流侧上、下电容电压波形图。

图9是加入本发明的控制方法前后的网侧电流谐波分布对比图，其中(a)为加入本发明的控制方法前的网侧电流谐波分布图，(b)为加入本发明的控制方法后的网侧电流谐波分布图。

具体实施方式

结合图1，一种基于调制波区间划分的中点电压控制装置，包括三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中数字处理控制模块包括采样单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元、调制波区间划分单元和零序分量计算单元；采样单元分别采集三电平逆变器直流侧上、下电容电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电压信号、三电平逆变器交流侧的三相电流信号，发送至调制波区间划分单元、零序分量计算单元和闭环控制单元，调制波区间划分单元和零序分量计算单元根据采样得到的交流侧电流信号及调制波信号，计算得出抑制中点电压波动所需的零序分量，将零序分量与闭环控制单元得到的调制波信号相加，并送至正弦脉宽调制单元，正弦脉宽调制单元的输出端经过驱动电路，接入三电平逆变器中每相桥臂的各个开关管。

作为一种具体示例，所述数字处理控制模块为TMS320F28335和EPM1270T芯片。

一种基于调制波区间划分的中点电压控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采样交流侧电压e_a、e_b、e_c，交流侧电流i_a、i_b、i_c，直流侧上电容电压U_C1、直流侧下电容电压U_C2；

步骤2、利用对称分量法对交流侧电压e_a、e_b、e_c、交流侧电流i_a、i_b、i_c进行正负序分解，因为本实施方案中NPC三电平逆变器采用三相三线制接法，故不考虑网侧电压、电流的零序分量，只考虑其正、负序分量；

步骤3、以消除有功功率波动为目标，计算电流给定，并通过闭环控制单元得到三相调制波u_a、u_b、u_c，具体如下：

步骤3.1、将三相静止坐标系下e_a、e_b、e_c、i_a、i_b、i_c的正、负序交流量转换为正、负序同步旋转坐标系下的直流量，正、负序同步旋转坐标系转换矩阵分别为：

经过转换，得到正序同步旋转坐标系下电压、电流的d、q轴分量e_dp、e_qp、i_dp、i_qp，以及负序同步旋转坐标系下电压、电流的d、q轴分量e_dn、e_qn、i_dn、i_qn；

步骤3.2、在非理想电网条件下，逆变器的有功、无功瞬时功率会含有二倍工频的波动量，根据瞬时无功功率理论，其瞬时功率中的直流量及波动量为：

其中，i^* _dp为正序d轴的电流给定，i^* _qp为正序q轴的电流给定,i^* _dn为负序d轴的电流给定，i^* _qn为负序q轴的电流给定,P₀为瞬时有功功率的直流分量，P_c2、P_s2为瞬时有功功率的交流分量，Q₀为瞬时无功功率的直流分量，Q_c2、Q_s2为瞬时无功功率的交流分量，当控制目标为消除有功功率波动量P_c2、P_s2时，可得到电流给定的表达式：

其中，E₁、E₂的表达式为：

步骤3.3、通过闭环控制单元，得到同步旋转坐标系下的4路调制波信号u_dp、u_qp、u_dn、u_qn，其控制方程如下：

步骤3.4、先将负序两相旋转坐标系下的调制波信号u_dn、u_qn转换到三相静止坐标系下，再将三相静止坐标系下的负序分量转换到正序同步旋转坐标系下，转换矩阵分别为：

经过转换，得到正序旋转坐标系下的负序分量，将同一坐标系下正、负序调制波分量相加，得到正序同步旋转坐标系下的调制波分量u_d、u_q；

步骤3.5、将同步旋转坐标系下的调制波信号转换为三相调制波信号u_a、u_b、u_c，转换公式如下：

步骤4、为了抑制逆变器直流侧中点电压的波动，向三相调制波中注入零序分量，使直流侧中点电流为零，从而抑制直流侧中点电压波动，由此可得零序分量的计算公式为：

其中，u'_a、u'_b、u'_c为加入零序分量之后的三相调制波，u_ap、u_bp、u_cp为三相调制波的正序分量，u_an、u_bn、u_cn为三相调制波的负序分量，i_ap、i_bp、i_cp为网侧三相电流的正序分量，i_an、i_bn、i_cn为网侧三相电流的负序分量，由上式可知，u₀的求解需要判断u'_a、u'_b、u'_c的符号，而u'_a、u'_b、u'_c中含有需要求解的u₀，因此零序分量无法通过上式直接得出。

如图2所示，在加入零序分量之后，调制波过零点会产生角度偏移，已知未加入零序分量的三相调制波u_a、u_b、u_c的过零点，若求出加入零序分量之后三相调制波各自的过零点偏移角度，就可以判断u'_a、u'_b、u'_c的符号，从而计算得出抑制中点电压波动所需的零序分量。

调制波区间划分单元计算加入零序分量后x相调制波的过零点偏移角度，x相代表a、b、c相中的任意一相，过零点偏移角度的表达式为：

上式中，

为x相调制波偏移角度，

为x相调制波最小过零点，u_z为采用三相调制波符号划分区间从而计算得出的零序分量，u_z的表达式如下：

步骤5、结合图3，利用步骤(4)所求得的三相调制波偏移角，将一个工频周期划分为六个调制波区间，分别为：

区间Ⅰ：

区间Ⅱ：

区间Ⅲ：

区间Ⅳ：

区间Ⅴ：

区间Ⅵ：

步骤6、利用步骤5划分的六个调制波区间，零序分量计算单元在各个区间分别计算零序分量u₀，其表达式如下：

当ωt位于区间Ⅰ时：

当ωt位于区间Ⅱ时：

当ωt位于区间Ⅲ时：

当ωt位于区间Ⅳ时：

当ωt位于区间Ⅴ时：

当ωt位于区间Ⅵ时：

其中u_ap、u_bp、u_cp为三相调制波的正序分量，u_ap、u_bp、u_cp为三相调制波的负序分量，i_ap、i_bp、i_cp为网侧三相电流的正序分量，i_ap、i_bp、i_cp为网侧三相电流的负序分量。

步骤7、对直流侧上、下电容的瞬时电压进行比较：

当U_C1>U_C2时：

u′₀＝-|u₀|

当U_C1<U_C2时：

u′₀＝|u₀|

其中,u'₀为最终与三相调制波相加的零序分量；

步骤8、将零序分量u₀分别与三相调制波u_a、u_b、u_c相加，得到：

u′_a＝u_a+u′₀

u′_b＝u_b+u′₀

u′_b＝u_b+u′₀

将加入零序分量后的调制波信号u'_a、u'_b、u'_c送至正弦脉宽调制单元，生成脉宽调制信号，驱动电路控制三电平逆变器开关管的工作，实现中点电压平衡的控制。

NPC三相三电平逆变器的调制规则为：如图4所示，以a相桥臂为例，在u_aref的正半周，当u_aref大于载波时，令S_a1、S_a2导通，a相桥臂输出高电平，当u_aref小于载波时，令S_a2、S_a3导通，a相桥臂输出零电平；在u_aref的负半周，当u_aref小于载波时，令S_a3、S_a4导通，a相桥臂输出低电平，当u_aref大于载波时，令S_a2、S_a3导通，a相桥臂输出零电平。b、c相桥臂的调制规则相同。

图5是计算零序分量的流程图，具体实施过程如下：

S1、采样网侧三相电流信号；

S2、检测当前工频周期的调制波过零点角度

S3、设定最大允许误差角

判断当前工频周期的调制波过零点角度

与上一个工频周期的调制波过零点角度

的大小，若

则第k个工频周期的调制波区间划分情况与第k-1个工频周期保持一致，并计算零序分量，跳转至S1，进入下一个工频周期的循环；若

则计算当前工频周期的调制波过零点偏移角并划分调制波区间，计算零序分量，跳转至S1，进入下一个工频周期的循环。

实施例1

本实施例利用MATLAB中的Simulink工具搭建了三电平逆变电路，直流电经直流母线电容后，由三电平逆变电路逆变输出三相电压，经LC滤波电路输出光滑的三相正弦电压。仿真过程中的电气参数设置如表1：

表1

图6为上述电气参数下、逆变器网侧功率因数为1时的直流母线电容C₁、C₂瞬时电压U_c1、U_c2的仿真波形，在0.1s时刻加入本发明所述的控制方法。在未加入本发明中的控制方法之前，直流侧上、下电容的瞬时电压存在幅值约为20V的电压波动，在加入本发明中的控制方法之后，直流侧上、下电容电压的波动被限制在2V以内。图7、图8分别为逆变器网侧功率因数为0.866和0.5时直流母线电容C₁、C₂瞬时电压U_c1、U_c2的仿真波形，其他条件不变，在0.1s时刻加入本发明所述的控制方法，直流侧上、下电容电压的波动被限制在2V以内。可以看出，在低功率因数下，本发明中的控制方法仍有较为理想的效果。图9中的(a)、(b)分别是加入中点控制方法之前及之后的网侧电流总谐波畸变率，可以看出本发明中的中点控制方法，有效的抑制了网侧电流中的3、5、7、9等奇次谐波，降低了电流的总谐波畸变率。

综上所述，本发明基于调制波区间划分的中点电压控制方法，通过计算三相调制波过零点的偏移角，对调制波信号划分区间，再以此为依据并结合直流侧上、下电容瞬时电压的差值，计算抑制中点电压波动所需的零序分量。将零序分量与三相调制波分别相加并进行限幅，经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，该脉宽调制信号驱动电路来控制三电平逆变器开关管工作，实现中点电压平衡的控制。本发明通过重新划分区间，直接计算出准确的零序分量，不必对零序分量进行修正，减少了输出电压、电流的谐波，提高了波形质量，且在逆变器低功率因数运行的情况下仍有较好的控制效果，有利于并网逆变器向网侧输送无功功率，具有重大的工程应用价值。

Claims (3)

1.一种基于调制波区间划分的中点电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采样交流侧三相电压e_a、e_b、e_c，交流侧三相电流i_a、i_b、i_c，直流侧上电容电压U_C1，直流侧下电容电压U_C2；

步骤2、利用对称分量法，对交流侧三相电压e_a、e_b、e_c、交流侧三相电流i_a、i_b、i_c进行正负序分解；

步骤3、以消除有功功率波动为目标，计算电流给定，并通过闭环控制单元得到三相调制波u_a、u_b、u_c；

步骤4、计算加入零序分量后a、b、c三相调制波的过零点偏移角度

具体如下：

令x相代表a、b、c相中的任意一相，过零点偏移角度的表达式为：

式中，

为x相调制波过零点偏移角度，

为x相调制波最小过零点，u_z为采用三相调制波符号划分区间从而计算得出的零序分量，u_z的表达式如下：

步骤5、利用步骤4所求得的三相调制波的过零点偏移角度，将一个工频周期划分为六个调制波区间，分别为：

区间I：

区间II：

区间Ⅲ：

区间IV：

区间Ⅴ：

区间Ⅵ：

其中，

为加入零序分量之前的调制波的过零点；

步骤6、利用步骤5划分的六个调制波区间，在各个区间分别计算零序分量u₀；

步骤7、对直流侧上、下电容的瞬时电压进行比较：

当U_C1>U_C2时：

u′₀＝-|u₀|

当U_C1<U_C2时：

u′₀＝|u₀|

其中，u′₀为最终与三相调制波相加的零序分量；

步骤8、三相调制信号经正弦脉宽调制单元生成脉宽调制信号，驱动电路控制三电平逆变器开关管的工作。

2.根据权利要求1所述的基于调制波区间划分的中点电压控制方法，其特征在于，步骤5中所述的将一个工频周期划分为六个调制波区间，具体步骤为：

S1、采样网侧三相电流信号；

S2、检测当前工频周期的调制波过零点角度

S3、设定最大允许误差角

判断当前工频周期的调制波过零点角度

与上一个工频周期的调制波过零点角度

的大小，若

则第k个工频周期的调制波区间划分情况与第k-1个工频周期保持一致，跳转至S1，进入下一个工频周期的循环；若

则计算当前工频周期的调制波过零点偏移角，并划分调制波区间，跳转至S1，进入下一个工频周期的循环。

3.根据权利要求1所述的基于调制波区间划分的中点电压控制方法，其特征在于，步骤6所述利用步骤5划分的六个调制波区间，在各个区间分别计算零序分量u₀，表达式如下：

当ωt位于区间I时：

当ωt位于区间II时：

当ωt位于区间Ⅲ时：

当ωt位于区间IV时：

当ωt位于区间Ⅴ时：

当ωt位于区间Ⅵ时：

其中u_ap、u_bp、u_cp为三相调制波的正序分量，u_ap、u_bp、u_cp为三相调制波的负序分量，i_ap、i_bp、i_cp为网侧三相电流的正序分量，i_ap、i_bp、i_cp为网侧三相电流的负序分量。

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