CN111082690B

CN111082690B - 一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法及系统

Info

Publication number: CN111082690B
Application number: CN201911391755.8A
Authority: CN
Inventors: 房俊龙; 汪光亚; 赵文忠; 李然; 傅美霓; 林俊儒; 张婷婷; 郝一鸣
Original assignee: Northeast Agricultural University
Current assignee: Northeast Agricultural University
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111082690A

Abstract

本发明公开一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法及系统，方法包括：将各小区域对应的虚拟空间矢量和参考电压矢量代入伏秒平衡方程，确定各小区域对应的虚拟空间矢量的作用时间；确定各小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间；基于虚拟空间矢量的作用时间、第一偏移时间和第二偏移时间确定各小区域对应的开关状态作用时间；根据各小区域对应的开关状态作用时间控制所述三电平逆变器，本发明对于其中的一对冗余基本小矢量引入两个时间偏差，并根据中点电位的反馈信号调节时间偏差，来协调该对冗余基本小矢量的正负类型的作用时间，进而达到抵消另一基本小矢量和基本中矢量作用时所产生的中点电流，实现虚拟中矢量作用前后不引起中点电位波动。

Description

一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法及系统

技术领域

本发明涉及逆变器控制技术领域，特别是涉及一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法及系统。

背景技术

为应对生活生产的实际需要，及电力电子技术的快速发展，使得更多的高压大功率的逆变器投入应用。中点箝位型(NPC)拓扑结构在三电平逆变器中应用最为广泛，但是由于存在的中点电压不平衡缺陷，因此极大的限制了其发展。

中点电压作为系统高效稳定运行的重要指标之一，它的稳定与否就直接影响到逆变输出的波形质量。假若中点电压存在较大的不平衡，带来最直接的影响就是增大输出电流的畸变率，产生较多的低次、偶次谐波，以及使得开关管所需承受的应力上升，危害开关管，进而导致系统无法稳定运行。因此对于研究如何控制中点电压平衡就显得尤为重要。

中点电压不平衡严重制约中点箝位式(NPC)逆变器发展，现有进行中点电压不平衡控制主要分为两类：一是通过外部硬件电路来实现中点电压平衡控制，但此种方法不仅会造成经济上的浪费，还很难保证整个系统的可靠性。二是采用三电平空间矢量调制算法进行中点电压不平衡控制，但此种方法在实现高调制度和低功率因素工况下，出现严重的中点电压振荡问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法及系统，以实现中点电压平衡控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法，所述平衡方法包括：

对虚拟矢量空间进行划分，确定六个大区域，所述大区域包括3个小区域；

确定参考电压矢量所处的具体区域；

利用虚拟空间矢量公式确定各所述小区域对应的虚拟空间矢量；

根据最近三虚拟矢量法则，将所述虚拟空间矢量和参考电压矢量代入伏秒平衡方程，确定各所述小区域对应的各虚拟空间矢量的作用时间；

确定各所述小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间；

基于各所述小区域对应的所述虚拟空间矢量的作用时间、所述第一偏移时间和所述第二偏移时间确定各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间；

根据各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间控制所述三电平逆变器。

可选的，所述虚拟空间矢量公式为：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ大区域时：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ大区域时：

其中，V_VLx为虚拟大矢量，V_VM为虚拟中矢量，V_V0为虚拟零矢量，K为偏移系数，

X为待确定的参考电压矢量所在的小区域，V_Lx、V_M、V₀分别为基本大矢量、基本中矢量和基本零矢量，

分别为正型基本小矢量和负型小矢量，x取值为1或2。

可选的，所述伏秒平衡方程为：

其中，V_VLx为虚拟大矢量，x取值为1或2，V_VM为虚拟中矢量，V_V0为虚拟零矢量，V_ref为参考电压矢量，T_VLx为虚拟大矢量作用的时间，T_VM为虚拟中矢量作用的时间，T_V0为虚拟零矢量作用的时间，T_s为采样周期。

可选的，所述确定各所述小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间，具体包括：

Ⅰ1区：

Ⅰ2区：

Ⅰ3区：

Ⅱ1区：

Ⅱ2区：

Ⅱ3区：

Ⅲ1区：

Ⅲ2区：

Ⅲ3区：

Ⅳ1区：

Ⅳ2区：

Ⅳ3区：

Ⅴ1区：

Ⅴ2区：

Ⅴ3区：

Ⅵ1区：

Ⅵ2区：

Ⅵ3区：

其中，T_off1为第一偏移时间，T_off2为第二偏移时间，T_VM为虚拟中矢量作用的时间，I_a、I_b、I_c为不同矢量状态下中点N的电流大小。

本发明提供一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡系统，所述平衡系统包括：

划分模块，用于对虚拟矢量空间进行划分，确定六个大区域，所述大区域包括3个小区域；

区域确定模块，用于确定参考电压矢量所处的具体区域；

虚拟空间矢量确定模块，用于利用虚拟空间矢量公式确定各所述小区域对应的虚拟空间矢量；

虚拟空间矢量的作用时间确定模块，用于根据最近三虚拟矢量法则，将所述虚拟空间矢量和参考电压矢量代入伏秒平衡方程，确定各所述小区域对应的各虚拟空间矢量的作用时间；

偏移时间确定模块，用于确定各所述小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间；

开关状态作用时间确定模块，用于基于各所述小区域对应的所述虚拟空间矢量的作用时间、所述第一偏移时间和所述第二偏移时间确定各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间；

控制模块，用于根据各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间控制所述三电平逆变器。

可选的，所述虚拟空间矢量公式为：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ大区域时：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ大区域时：

分别为正型基本小矢量和负型小矢量，x取值为1或2。

可选的，所述伏秒平衡方程为：

Ⅰ1区：

Ⅰ2区：

Ⅰ3区：

Ⅱ1区：

Ⅱ2区：

Ⅱ3区：

Ⅲ1区：

Ⅲ2区：

Ⅲ3区：

Ⅳ1区：

Ⅳ2区：

Ⅳ3区：

Ⅴ1区：

Ⅴ2区：

Ⅴ3区：

Ⅵ1区：

Ⅵ2区：

Ⅵ3区：

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法及系统，方法包括：将各小区域对应的虚拟空间矢量和参考电压矢量代入伏秒平衡方程，确定各小区域对应的虚拟空间矢量的作用时间；确定各小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间；基于虚拟空间矢量的作用时间、第一偏移时间和第二偏移时间确定各小区域对应的开关状态作用时间；根据各小区域对应的开关状态作用时间控制所述三电平逆变器，本发明对于其中的一对冗余基本小矢量引入两个时间偏差，并根据中点电位的反馈信号调节时间偏差，来协调该对冗余基本小矢量的正负类型的作用时间，进而达到抵消另一基本小矢量和基本中矢量作用时所产生的中点电流，实现虚拟中矢量作用前后不引起中点电位波动，完成对于中点电位的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法流程图；

图2为本发明实施例三电平基本空间矢量图；

图3为本发明实施例三分区式空间矢量区域划分图；

图4为本发明实施例针对第Ⅰ大区第1小区绘制开关状态示意图；

图5为本发明实施例针对第Ⅰ大区合成虚拟中矢量示意图；

图6为本发明实施例针对第Ⅰ大区第1小区拟合参考电压矢量图；

图7为本发明实施例针对第Ⅰ大区第1小区绘制的三分区式VSVPWM波形图；

图8为本发明实施例仿真结果图；

图9为本发明实施例控制过程中线电压波形图；

图10为本发明实施例基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡系统结构图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的目的是针对传统三分区VSVPWM调制的中点箝位型(NPC)三电平逆变器中点振荡问题，提出的一种改进型三分区式VSVPWM调制策略，按照

0三个模长标准，将虚拟空间矢量分为：虚拟大矢量V_VL，虚拟中矢量V_VM，虚拟零矢量V_V0，并用V_dc表示直流侧电压。

本发明具体设计思路为：只有虚拟中矢量会产生中点电流，进而对中点电压产生影响。因此，本发明的研究核心就是虚拟中矢量。根据虚拟中矢量的合成特点，对于其中的一对冗余基本小矢量引入两个时间偏差，并根据中点电位的反馈信号调节时间偏差，来协调该对冗余基本小矢量的正负类型的作用时间，进而抵消另一基本小矢量和基本中矢量所产生的中点电流，实现虚拟中矢量作用前后不引起中点电位波动，完成对于中点电位的控制。

图1为本发明实施例基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法流程图，如图1所示，本发明提供一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法，所述平衡方法包括：

步骤S1：对虚拟矢量空间进行划分，确定六个大区域，所述大区域包括3个小区域；

步骤S2：确定参考电压矢量所处区域；

步骤S3：利用虚拟空间矢量公式确定各所述小区域对应的虚拟空间矢量；所述虚拟空间矢量包括：虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量；

步骤S4：根据最近三虚拟矢量法则，将所述虚拟空间矢量和参考电压矢量代入伏秒平衡方程，确定各所述小区域对应的各虚拟空间矢量的作用时间；所述虚拟空间矢量的作用时间包括虚拟大矢量作用的时间、虚拟中矢量作用的时间和虚拟零矢量作用的时间；

步骤S5：确定各所述小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间；

步骤S6：基于各所述小区域对应的所述虚拟空间矢量的作用时间、所述第一偏移时间和所述第二偏移时间确定各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间；

步骤S7：根据各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间控制所述三电平逆变器。

下面对各个步骤进行详细论述：

步骤S1：对虚拟矢量空间进行划分，确定六个大区域，所述大区域包括3个小区域。

具体的，利用三分区方法对三电平空间矢量图中6个大区域三分区的虚拟中矢量进行重新的构建，得到调制方式相同的18个小区域，具体如图2-3所示，各小区域的空间矢量状态如表1所示。

表1空间矢量状态次序表

步骤S2：确定参考电压矢量V_ref所处区域，具体如图6所示。

步骤S3：利用虚拟空间矢量公式确定各所述小区域对应的虚拟空间矢量，所述虚拟空间矢量包括：虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量；所述虚拟空间矢量公式为：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ大区域时：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ大区域时：

其中，V_VLx为虚拟大矢量，V_VM为虚拟中矢量，V_V0为虚拟零矢量，K为偏移系数，K∈[0,1/6]，X为待确定的参考电压矢量所在的小区域，V_Lx、V_M、V₀分别为基本大矢量、基本中矢量和基本零矢量，

分别为正型基本小矢量和负型小矢量，x取值为1或2。

步骤S4：根据最近三虚拟矢量法则，将所述虚拟空间矢量和参考电压矢量代入伏秒平衡方程，确定各所述小区域对应的各虚拟空间矢量的作用时间；所述虚拟空间矢量的作用时间包括虚拟大矢量作用的时间、虚拟中矢量作用的时间和虚拟零矢量作用的时间；所述伏秒平衡方程为：

步骤S5：确定各所述小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间。

本发明将第Ⅰ大区第1小区简称Ⅰ1区，其他的简称的命名与Ⅰ1区相类似，在此不再一一赘述。

Ⅰ1区：

Ⅰ2区：

Ⅰ3区：

Ⅱ1区：

Ⅱ2区：

Ⅱ3区：

Ⅲ1区：

Ⅲ2区：

Ⅲ3区：

Ⅳ1区：

Ⅳ2区：

Ⅳ3区：

Ⅴ1区：

Ⅴ2区：

Ⅴ3区：

Ⅵ1区：

Ⅵ2区：

Ⅵ3区：

其中，T_off1为第一偏移时间，T_off2为第二偏移时间，T_VM为虚拟中矢量作用的时间，I_a、I_b、I_c为不同矢量状态下中点N的电流大小，如表2所示；

表2空间矢量分析表

步骤S6：基于各所述小区域对应的所述虚拟空间矢量的作用时间、所述第一偏移时间和所述第二偏移时间确定各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间，具体包括：

Ⅰ1区：

Ⅰ2区：

Ⅰ3区：

Ⅱ1区：

Ⅱ2区：

Ⅱ3区：

Ⅲ1区：

Ⅲ2区：

Ⅲ3区：

Ⅳ1区：

Ⅳ2区：

Ⅳ3区：

Ⅴ1区：

Ⅴ2区：

Ⅴ3区：

Ⅵ1区：

Ⅵ2区：

Ⅵ3区：

其中，T_VLx为虚拟大矢量作用的时间，x取值为1或2，T_VM为虚拟中矢量作用的时间，T_V0为虚拟零矢量作用的时间，T_off1为第一偏移时间，T_off2为第二偏移时间。

图10为本发明实施例基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡系统结构图，如图10所示，一种基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡系统，所述平衡系统包括：

划分模块1，用于对虚拟矢量空间进行划分，确定六个大区域，所述大区域包括3个小区域；

区域确定模块2，用于确定参考电压矢量所处的具体区域；

虚拟空间矢量确定模块3，用于利用虚拟空间矢量公式确定各所述小区域对应的虚拟空间矢量；所述虚拟空间矢量公式为：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ大区域时：

当待确定的参考电压矢量位于Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ大区域时：

分别为正型基本小矢量和负型小矢量，x取值为1或2。

虚拟空间矢量的作用时间确定模块4，用于根据最近三虚拟矢量法则，将所述虚拟空间矢量和参考电压矢量代入伏秒平衡方程，确定各所述小区域对应的各虚拟空间矢量的作用时间；所述伏秒平衡方程为：

偏移时间确定模块5，用于确定各所述小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间；所述确定各所述小区域对应的第一偏移时间和第二偏移时间，具体包括：

Ⅰ1区：

Ⅰ2区：

Ⅰ3区：

Ⅱ1区：

Ⅱ2区：

Ⅱ3区：

Ⅲ1区：

Ⅲ2区：

Ⅲ3区：

Ⅳ1区：

Ⅳ2区：

Ⅳ3区：

Ⅴ1区：

Ⅴ2区：

Ⅴ3区：

Ⅵ1区：

Ⅵ2区：

Ⅵ3区：

开关状态作用时间确定模块6，用于基于各所述小区域对应的所述虚拟空间矢量的作用时间、所述第一偏移时间和所述第二偏移时间确定各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间；

Ⅰ1区：

Ⅰ2区：

Ⅰ3区：

Ⅱ1区：

Ⅱ2区：

Ⅱ3区：

Ⅲ1区：

Ⅲ2区：

Ⅲ3区：

Ⅳ1区：

Ⅳ2区：

Ⅳ3区：

Ⅴ1区：

Ⅴ2区：

Ⅴ3区：

Ⅵ1区：

Ⅵ2区：

Ⅵ3区：

控制模块7，用于根据各所述小区域在不同参考电压矢量状态下的开关状态作用时间控制所述三电平逆变器。

具体举例：

以第Ⅰ大区第1小区为例，绘制ONN、POO、OON、PON开关状态示意电路图，如图4所示。由图4可知ONN、POO、OON和PON中点电流分别为i_a、-i_a、-i_c和i_b。i_a为流出中点N的电流；-i_a为流入中点N的电流；-i_c为流出中点N的电流；i_b的方向既可能流入也可能是流出。此外，由于虚拟大矢量和虚拟零矢量所对应的中点电流为0。因此，需要对POO、ONN，这两种开关状态进行特定时间分配，才能抵消OON、PON对于中点电压的影响。

图5为本发明实施例针对第Ⅰ大区合成虚拟中矢量示意图，根据图5，合成虚拟中矢量的具体公式为：

其中，V_M为基本中矢量，V_Sx为基本小矢量，x取值为1或2。

利用

确定各所述小区域对应的虚拟空间矢量；

根据传统三分区VSVPWM调制方式的边界条件，确定参考矢量所处区域。并假定参考电压矢量处于Ⅰ1区中，再由最近三虚拟矢量(NTV²)合成法则，并将参考电压矢量V_ref及其所在小区域内的三个虚拟空间矢量V_VL1、V_VM、V_V0，代入伏秒平衡方程组

中，得Ⅰ1对应的虚拟空间矢量的作用时间：

其中，T_VL1为虚拟大矢量作用的时间，T_VM为虚拟中矢量作用的时间，T_V0为虚拟零矢量作用的时间，T_s为采样周期，θ为参考电压矢量的方向角，M为调制度，

利用得到的虚拟矢量作用时间，对具体开关状态进行作用时间分配，即可实现一次拟合参考电压过程。该步骤的核心任务是根据实际中点电流的大小，得到为平衡中点电压而引入的第一偏移时间和第二偏移时间。

中点电流对于中点电压的具体影响，如下所示：

由于实际各开关状态的作用时间很短，因此可将该过程中的中点N的电流视为固定值，即OON和PON矢量状态下中点N的电流大小分别为I_c和I_b，则ΔV₁、ΔV₂分别表示为：

针对基本小矢量和基本中矢量而引入的偏移时间分别为T_off1，T_off2。

OON矢量状态下中点N的电流大小为I_c，方向为流出中点，即引起中点电压降低：

则

PON矢量状态下中点N的电流大小为I_b，假设方向以流入中点为正，流入中点为负，则：

则

即第Ⅰ大区第1小区简称Ⅰ1对应的第一偏移时间和第二偏移时间为：

经过上述计算得到Ⅰ1区矢量时间分配：

其中，T_VM为虚拟中矢量作用的时间，T_V0为虚拟零矢量作用的时间，T_VL1为虚拟大矢量作用的时间，T_off1为第一偏移时间，T_off2为第二偏移时间。

本发明剩余的各大区域对应的各小区域的求取过程与第Ⅰ大区第1小区简称Ⅰ1相同，在此不再一一赘述。具体各步骤获得的结果如上述，在此不再重复论述。

采用本发明公开的基于三分区三电平逆变器中点电压的平衡方法系统对NPC型逆变器进行了仿真，仿真参数如表3所示：

表3仿真参数表

图7为Ⅰ1区中各开关状态的开关次序以及所对应的VSVPWM波形。图8为电容C₁、C₂两端的电压V₁、V₂波形图。图9为改进调制策略的线电压波形图。通过观察图8可知，本专利所述调制方法使得直流侧两个电容的电压差稳定±0.6V左右，即中点电压平衡控制达到设计预期，根据图9可知，此改进策略在运行过程中不会引起线电压较大畸变。仿真结果证明了本专利所提出的基于三分区式VSVPWM调制的NPC型平衡逆变器中点电压的改进方法的有效性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。