CN110943638B - 一种中点电压平衡变开关频率控制方法及系统 - Google Patents

一种中点电压平衡变开关频率控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中点电压平衡变开关频率控制方法及系统，属于电力电子领域，控制方法包括：在当前开关周期开始时，根据当前三相占空比、中点电压及三相电流信号，更新三相占空比；根据更新后的三相占空比和三相电流信号，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波；根据所预测的中点电压高频纹波计算开关周期更新值；以开关周期更新值对逆变器开关频率实时更新，完成对中点电压高频纹波峰值的控制；控制系统对应包括采样触发模块、零序电压计算模块、高频中点电压纹波预测模块和开关频率更新模块。本发明不仅有效降低开关损耗，并且降低了EMI噪声峰值。

Description

一种中点电压平衡变开关频率控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种中点电压平衡变开关频率控制方法及系统。
背景技术
中点钳位式三电平逆变器是一种常见的多电平拓扑变换器，相比于传统的两电平变换器具有总谐波畸变率(THD)低、电压跳变(dv/dt)低、电压应力减半等优势，且作为多电平拓扑具有简单的硬件电路，已广泛应用于光伏发电和牵引系统等高压大功率场合。但是中点钳位式三电平逆变器有中性点电压不平衡的固有问题，即由直流侧两个电容器的充电和放电引起的中性点电位的波动。中性点电压的不平衡将使逆变器的输出电压失真，并向负载引入谐波；此外，直流母线电容器的电压波动会缩短电容器的使用寿命。故中性点电压平衡对于维持良好的输出波形并确保逆变器的正常运行至关重要。
抑制中性点电压不平衡的常见方法是增大直流母线电容，或者使用两个隔离的直流电源抑制中性点电压不平衡保持中性点电压恒定；另一种方法是在逆变器直流侧加可控的有源前端保持中性点电压平衡。但是，由于需要增加额外的硬件，上述方法增加了系统硬件的成本和复杂性。基于PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调制的控制方法可以在不增加额外硬件的前提下，对中性点电压的波动进行平衡。在常规的SVPWM(SpaceVector PWM，空间矢量PWM调制)下中性点电压含有大量的低频分量(尤其是三次谐波分量)，且在开关频率处含有高频纹波分量，对中性点电压的控制不仅要平衡低频的波动，也要对高频纹波分量进行限制。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种中点电压平衡变开关频率控制方法，旨在解决现有的抑制中点电压不平衡方法无法通过高频中点电压纹波峰值的变化实时调节开关频率，导致逆变器开关损耗较高且EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)噪声峰值较高的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种中点电压平衡变开关频率控制方法，包括步骤：
(1)在当前开关周期开始时，根据当前三相占空比、中点电压及三相电流信号，更新三相占空比；
(2)根据更新后的三相占空比和三相电流信号，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波；
(3)根据步骤(2)获取的中点电压高频纹波计算开关周期更新值；
(4)利用开关周期更新值对逆变器开关频率实时更新，完成对中点电压高频纹波峰值的控制；
其中，高频的范围指50Hz工频20倍以上的频率。
优选地，上述步骤(1)具体包括步骤：
(1.1)在当前开关周期开始时，以三相电压调制信号计算当前三相占空比，且对中点电压及三相电流信号采样；
(1.2)根据当前三相占空比、中点电压及三相电流信号，计算零序电压占空比；
(1.3)将当前三相占空比与零序电压占空比相加更新三相占空比。
优选地，步骤(2)具体包括步骤：
(2.1)判断更新后的三相占空比中每相占空比正负，为正的占空比与正载波比较；为负的占空比和负载波比较；
(2.2)通过上述步骤(2.1)比较获取三相PWM控制信号的n个边沿变化，将开关周期分为n+1段；
(2.3)在各开关周期分段内，根据三相电流信号的采样值获取中性点电流；
(2.4)将中性点电流除以直流母线电容值，计算中点电压高频纹波斜率；
(2.5)由更新后的三相占空比和固定开关周期计算各开关周期分段的作用时间后，根据各开关周期分段的作用时间和中点电压高频纹波斜率，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波峰值。
优选地，步骤(3)中的开关周期更新值为：
Figure GDA0002896625130000031
其中，Ts为开关周期更新值；TsN为固定开关周期；VNP_require为中点电压高频纹波限定值；VNP_max为固定开关周期下预测的中点电压高频纹波峰值。
另一方面，本发明提供了一种中点电压平衡变开关频率控制系统，包括采样触发模块、零序电压计算模块、高频中点电压纹波预测模块和开关频率更新模块；
采样触发模块与中点钳位式三电平逆变器的控制器相连，用于在当前开关周期开始时产生三相电压调制信号计算当前三相占空比，且对中点电压及三相电流信号采样；
零序电压计算模块的输入端连接采样触发模块的输出端，用于接收当前三相占空比、中点电压及三相电流信号后，更新三相占空比；
高频中点电压纹波预测模块的第一输入端连接零序电压计算模块的输出端，其第二输入端连接至采样触发模块的输出端；用于根据更新后的三相占空比和三相电流信号，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波；
开关频率更新模块的输入端与高频中点电压纹波预测模块的输出端连接，其输出端与周期寄存器的输入端相连；用于根据接收的中点电压高频纹波计算开关周期更新值。
优选地，高频中点电压纹波预测模块包括依次连接的比较单元、中点电压高频纹波斜率计算单元和中点电压高频纹波峰值预测单元；
比较单元用于将更新后的三相占空比中为正的占空比与正载波比较，为负的占空比与负载波比较，在开关周期内将开关周期分为n+1段；
中点电压高频纹波斜率计算单元用于在各开关周期分段内，根据三相电流信号的采样值获取中性点电流，并将中性点电流除以直流母线电容值，计算中点电压高频纹波斜率；
中点电压高频纹波峰值预测单元用于由更新后的三相占空比和固定开关周期计算各开关周期分段的作用时间后，根据各开关周期分段的作用时间和中点电压高频纹波斜率，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波峰值。
优选地，开关周期更新值为：
Figure GDA0002896625130000041
其中，Ts为开关周期更新值；TsN为固定开关周期；VNP_require为中点电压高频纹波限定值；VNP_max为固定开关周期下预测的中点电压高频纹波峰值。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的中点电压平衡变开关频率控制方法在预测当前开关周期内的中点电压高频纹波后，将固定开关周期与中点电压高频纹波限定值相乘后除以固定开关周期下的中点电压高频纹波预测峰值，作为开关周期更新值，由此能够使得实际的开关频率在固定开关频率参考下按照一定规律变化，从而有效降低逆变器的平均开关频率，进而有效降低开关损耗。
(2)本发明所提供的中点电压平衡变开关频率控制方法会实时更新开关频率，因此开关频率具有较大的变化范围，具有更宽泛的频谱特性，能够有效降低EMI噪声峰值，改善逆变器性能。
(3)本发明所提供的中点电压平衡变开关频率控制方法对中点电压高频纹波可实时预测，并根据预测的结果实时调节当前开关周期，可将中点电压高频纹波峰值控制在限定值以内。
(4)本发明所提供的中点电压平衡变开关频率控制方法在控制过程中加入了用来平衡中点电压低频波动的零序电压，使得中点电压的低频分量被大幅抑制，有效降低了中点电压的峰峰值。
附图说明
图1是现有的中点钳位式三电平逆变器示意图；
图2是本发明提供的三相与直流侧中点的等效图；
图3是本发明提供的中点电压平衡变开关频率控制方法示意图；
图4是一个开关周期内开关周期分段及中点电压高频纹波示意图；
图5是实施例提供的中点电压平衡变开关频率控制实现框图；
图6是实施例提供的中点电压低频抑制与传统SVPWM方法下中点电压波动对比图；
图7是实施例提供的中点电压高频纹波示意图；
图8是实施例提供的变开关频率控制后的中点电压高频纹波示意图；
图9是实施例提供的同一工况下不同控制方法下开关频率对比图；
图10是实施例提供的同一工况下不同控制方法下EMI噪声对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在详细介绍本发明的技术方案之前，首先对中点钳位式三电平逆变器系统的拓扑结构进行简要说明。
图1是现有的中点钳位式三电平逆变器示意图，三相桥臂以一定规律与上直流母线、中性点及下直流母线连接，从而输出三种电压状态(Vdc/2,0,-Vdc/2)，故可将中点钳位式三电平逆变器系统等效成一个三相单刀三掷的电路如图2所示。
实施例
如图3所示，本实施例提供了一种中点电压平衡变开关频率控制方法，包括如下步骤：
(1)在当前开关周期开始时，根据当前三相占空比、中点电压及三相电流信号，更新三相占空比；具体包括如下步骤：
(1.1)在当前开关周期开始时，以三相电压调制信号计算当前三相占空比，且对中点电压及三相电流信号采样；
(1.2)根据当前三相占空比、中点电压及三相电流信号，计算零序电压占空比；
(1.3)将当前三相占空比与零序电压占空比相加更新三相占空比。
更具体的为：
在当前开关周期开始时，以三相电压调制信号计算当前三相占空比，并对中点电压及三相电流信号进行采样，其中三相电压调制信号包括调制比和电角度；在一个开关周期内流出中性点的平均电流可以表示：INP_out＝dOaia+dObib+dOcic，其中，dOa，dOb，dOc分别为三相连接至中性点的占空比；INP_out为一个开关周期内流出中性点的平均电流；ia，ib，ic分别表示三相电流；不失一般性，以A相为例，假如加入零序电压的更新后的占空比为da＝da_ref+dzs，其中，da为更新后的A相占空比；da_ref为根据三相调制信号计算出的三相占空比；dzs为零序电压占空比；
判断更新后A相占空比的正负，为正时dOa＝1-da，为负时dOa＝1+da；在一个开关周期内流入中性点的平均电流可以表示为INP_in＝C/T*VNP，其中，INP_in为一个开关周期内流入中性点的平均电流；C为直流母线电容值；T为开关周期值；VNP为中点电压；为了消除中点电位的低频波动，则在一个开关周期内流入和流出中性点的平均电流应为零，即INP_out+INP_in＝0；解方程即可计算得到用来平衡中点电压低频波动的零序电压占空比，将其与三相占空比相加得到更新后的三相占空比；
(2)根据更新后的三相占空比和三相电流信号，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波；具体包括步骤：
(2.1)判断更新后的三相占空比中每相占空比正负，为正的占空比与正载波比较；为负的占空比和负载波比较；
(2.2)通过上述步骤(2.1)比较获取三相PWM控制信号的n个边沿变化，将开关周期分为n+1段；
(2.3)在各开关周期分段内，根据三相电流信号的采样值获取中性点电流；
(2.4)将中性点电流除以直流母线电容值，计算中点电压高频纹波斜率；
(2.5)由更新后的三相占空比和固定开关周期计算各开关周期分段的作用时间后，根据各开关周期分段的作用时间和中点电压高频纹波斜率，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波峰值；
更具体为，根据更新后的三相占空比(da,db,dc)，判断更新后每相的占空比正负，若占空比为正，则和正载波比较；若占空比为负，则和负载波比较；比较后得到三相PWM控制信号共有6个边沿变化，在整个开关周期内，将开关周期分为7段，如图4所示，在每个开关周期分段内，中性点电流为此时三相中连接到中性点的相对应的相电流之和，由三相电流信号的采样值可以得到中性点电流iNP，从而获得中点电压高频纹波斜率dvNP/dt＝iNP/C，其中，C为直流母线电容值；由更新后的三相占空比和固定开关频率TsN计算每个开关周期分段的作用时间，结合每个开关周期分段中中点电压高频纹波斜率预测高频纹波，并得到在一个开关周期的中点电压高频纹波峰值；
(3)根据步骤(2)获取的中点电压高频纹波计算开关周期更新值；
(4)利用开关周期更新值对逆变器开关频率实时更新，完成对中点电压高频纹波峰值的控制；
其中，高频的范围指50Hz工频20倍以上的频率。
其中，开关周期更新为：
Figure GDA0002896625130000081
其中，Ts为开关周期更新值；TsN为固定开关周期；VNP_require为中点电压高频纹波限定值；VNP_max为固定开关周期下预测的中点电压高频纹波峰值。
基于上述控制方法，即可实时对三电平中点电压低频波动的平衡，以及对中点电压高频纹波进行预测并相应地更新当前开关周期。
另一方面，如图5所示，本发明提供了一种中点电压平衡变开关频率控制系统，包括采样触发模块、零序电压计算模块、高频中点电压纹波预测模块和开关频率更新模块；
采样触发模块与中点钳位式三电平逆变器的控制器相连，用于在当前开关周期开始时产生三相电压调制信号计算当前三相占空比，且对中点电压及三相电流信号采样；
零序电压计算模块的输入端连接采样触发模块的输出端，用于接收当前三相占空比、中点电压及三相电流信号后，更新三相占空比；
高频中点电压纹波预测模块的第一输入端连接零序电压计算模块的输出端，其第二输入端连接至采样触发模块的输出端；用于根据更新后的三相占空比和三相电流信号，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波；
开关频率更新模块的输入端与高频中点电压纹波预测模块的输出端连接，其输出端与周期寄存器的输入端相连；用于根据接收的中点电压高频纹波计算开关周期更新值。
优选地，高频中点电压纹波预测模块包括依次连接的比较单元、中点电压高频纹波斜率计算单元和中点电压高频纹波峰值预测单元；
比较单元用于将更新后的三相占空比中为正的占空比与正载波比较，为负的占空比与负载波比较，在开关周期内将开关周期分为n+1段；
中点电压高频纹波斜率计算单元用于在各开关周期分段内，根据三相电流信号的采样值获取中性点电流，并将中性点电流除以直流母线电容值，计算中点电压高频纹波斜率；
中点电压高频纹波峰值预测单元用于由更新后的三相占空比和固定开关周期计算各开关周期分段的作用时间后，根据各开关周期分段的作用时间和中点电压高频纹波斜率，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波峰值。
优选地，开关周期更新值为：
Figure GDA0002896625130000091
其中，Ts为开关周期更新值；TsN为固定开关周期；VNP_require为中点电压高频纹波限定值；VNP_max为固定开关周期下的中点电压高频纹波预测峰值。
本实施例的工况条件为直流母线电压200V，调制比0.8，直流母线电容68uF。采用本发明提供的中点电压低频抑制方法，相比于传统的SVPWM方法，两者的中点电压对比如图6所示，在加入用来平衡中点电压低频波动的零序电压占空比后，中点电压的峰峰值降低了92.5％，低频波动基本被完全消除，只剩下开关频率次的高频电压纹波。本发明提供的中点电压高频纹波预测效果如图7所示，预测纹波峰值与实际的相吻合；采用本发明所提供的变开关频率控制方法时的中点电压高频纹波如图8所示，对比图7中固定开关频率的内容，在一个开关周期内，中点电压高频纹波峰值仍被限定在要求的范围内，分布更加均匀。
图9和图10分别为采用本发明所提供的中点电压平衡变开关控制方法与传统固定开关频率的SVPWM方法时，开关频率和传导EMI噪声的比较，根据图9所示可知相比于固定开关频率，变开关频率控制的开关频率在12.5kHz到20kHz之间变化，平均开关频率降低16％，从而降低了逆变器开关损耗；根据图10所示可知在变开关频率控制后电流谐波具有更宽泛的频率分布，而传统SVPWM的电流谐波只能分布在固定开关频率附近，则变开关频率控制能有效地削低EMI噪声峰值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中点电压平衡变开关频率控制方法，其特征在于，包括步骤：
(1)在当前开关周期开始时，根据当前三相占空比、中点电压及三相电流信号，更新三相占空比，以消除中点电压的低频波动；
(2)根据所述更新后的三相占空比和所述三相电流信号，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波；
(3)根据所述步骤(2)获取的中点电压高频纹波计算开关周期更新值；
(4)利用所述开关周期更新值对逆变器开关频率实时更新，完成对中点电压高频纹波峰值的控制；
其中，高频的范围指50Hz工频20倍以上的频率；
所述步骤(2)具体包括步骤：
(2.1)判断所述更新后的三相占空比中每相占空比正负，为正的占空比与正载波比较；为负的占空比和负载波比较；
(2.2)通过所述步骤(2.1)比较获取三相PWM控制信号的n个边沿变化，将开关周期分为n+1段；n＝6；
(2.3)在各所述开关周期分段内，根据三相电流信号的采样值获取中性点电流；
(2.4)将所述中性点电流除以直流母线电容值，计算中点电压高频纹波斜率；
(2.5)由更新后的三相占空比和固定开关周期计算各所述开关周期分段的作用时间后，根据各开关周期分段的作用时间和所述中点电压高频纹波斜率，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波峰值。
2.根据权利要求1所述的中点电压平衡变开关频率控制方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括步骤：
(1.1)在当前开关周期开始时，以三相电压调制信号计算当前三相占空比，且对中点电压及三相电流信号采样；
(1.2)根据所述当前三相占空比、所述中点电压及所述三相电流信号，计算零序电压占空比；
(1.3)将所述当前三相占空比与所述零序电压占空比相加更新三相占空比。
3.根据权利要求1所述的中点电压平衡变开关频率控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中的开关周期更新值为：
Figure FDA0002896625120000021
其中，Ts为开关周期更新值；TsN为固定开关周期；VNP_require为中点电压高频纹波限定值；VNP_max为固定开关周期下预测的中点电压高频纹波峰值。
4.一种中点电压平衡变开关频率控制系统，其特征在于，包括采样触发模块、零序电压计算模块、高频中点电压纹波预测模块和开关频率更新模块；
所述采样触发模块与中点钳位式三电平逆变器的控制器相连，用于在当前开关周期开始时产生三相电压调制信号计算当前三相占空比，且对中点电压及三相电流信号采样；
所述零序电压计算模块的输入端连接所述采样触发模块的输出端，用于接收所述当前三相占空比、所述中点电压及所述三相电流信号后，更新三相占空比，以消除中点电压的低频波动；
所述高频中点电压纹波预测模块的第一输入端连接零序电压计算模块的输出端，其第二输入端连接至采样触发模块的输出端；用于根据更新后的三相占空比和三相电流信号，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波；
所述开关频率更新模块的输入端与所述高频中点电压纹波预测模块的输出端连接，其输出端与周期寄存器的输入端相连；用于根据接收的所述中点电压高频纹波计算开关周期更新值；
其中，高频的范围指50Hz工频20倍以上的频率；
所述高频中点电压纹波预测模块包括依次连接的比较单元、中点电压高频纹波斜率计算单元、中点电压高频纹波峰值预测单元；
所述比较单元用于将所述更新后的三相占空比中为正的占空比与正载波比较，为负的占空比与负载波比较，在开关周期内将开关周期分为n+1段；n＝6；
所述中点电压高频纹波斜率计算单元用于在各开关周期分段内，根据所述三相电流信号的采样值获取中性点电流，并将中性点电流除以直流母线电容值，计算中点电压高频纹波斜率；
所述中点电压高频纹波峰值预测单元用于由更新后的三相占空比和固定开关周期计算各开关周期分段的作用时间后，根据各所述开关周期分段的作用时间和所述中点电压高频纹波斜率，预测当前开关周期内的中点电压高频纹波峰值。
5.根据权利要求4所述的中点电压平衡变开关频率控制系统，其特征在于，所述开关周期更新值为：
Figure FDA0002896625120000031
其中，Ts为开关周期更新值；TsN为固定开关周期；VNP_require为中点电压高频纹波限定值；VNP_max为固定开关周期下预测的中点电压高频纹波峰值。
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