CN111900889B - 一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法 - Google Patents

一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及逆变器母线中点电位控制技术领域，具体公开了一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法，包括如下步骤：步骤一：确定允许的中点电位允许波动的上限值ΔUmax，且ΔUmax＞0；步骤二：分别采样上下母线电容电压Uc1和Uc2；步骤三：通过做差计算母线中点电位波动值ΔUdc＝Uc1‑Uc2；步骤四：分别采样三相负载电流，获得各相负载电流ix的流通方向，其中：x＝a、b、c；步骤五：根据负载电流的流动方向和中点电位波动值获得中点平衡因子NPBF的值；步骤六：比较ΔUmax与|ΔUdc|的大小；步骤七：当NPBF＝1且|ΔUdc|＞ΔUmax时采用偶极性调制方式，当|ΔUdc|＜ΔUmax采用单极性调制方式；本发明所提供的方法能够有效抑制三相四线三电平逆变器直流母线中点电位的波动，提高逆变电能的质量。

Description

一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器母线中点电位控制技术领域，具体为一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法。
背景技术
随着光伏等新能源发电渗透率的提高，结合储能系统的分布式发电技术和微电网技术得到了广泛的关注和应用。微网储能系统的核心是储能变流器，本专利采用图2所示的三相四线三电平拓扑作为储能变流器的电路拓扑。图2所示的三相四线三电平拓扑除了可以用于储能变流器中，还被广泛应用在有源滤波器(APF)、不间断供电电源(UPS)等领域。三电平拓扑的优点是功率管的电压应力只有直流母线电压的一半，谐波含量少，可以用于中到大功率场合。缺点是三电平拓扑自身的工作方式会导致直流母线中点电位发生波动，特别是当逆变器带单相或者三相不平衡负载的时候直流母线中点电位的波动将会加剧。
SVPWM调制策略的直流电压利用率比SPWM高且谐波含量少，所以在三相三线制三电平逆变器中一般采用SVPWM调制策略。为了弥补SPWM调制直流电压利用率低的缺点，已有研究成果指出通过向调制波中注入零序电压可以获得和SVPWM调制一样的效果。然而在三相四线制系统中，由于零序分量的存在此时的空间矢量控制由原来的二维空间矢量(2d-SVPWM)变成了三维空间矢量(3d-SVPWM)，不能再向SPWM调制波中注入零序分量来获得和3d-SVPWM一样的效果。目前三相四线三电平逆变器的控制主要有两种，一种是基于abc坐标系的3d-SVPWM调制策略，另外一种是基于αβO坐标系的3d-SVPWM调制策略，不管是基于abc坐标系还是基于αβO坐标系的调制策略，都需要将三维空间分割成众多的子空间，在不同的子空间中选择适当的空间矢量来合成所需的矢量。三维空间矢量调制方法涉及到的子空间多且抽象，计算量大，不利于数字控制实现。
目前三相四线制三电平逆变器中点电位的控制策略大都是基于三维空间矢量实现的，原本一个基本子空间里面只存在“P”、“O”或者“N”、“O”两种状态，也就是一个开关周期里面只存在“P”、“O”或者“N”、“O”两种状态。采用三维空间矢量方法来实现直流母线中点电位控制的核心思想就是不再局限于原本的基本子空间，而是通过子空间阔扩展的方式向周边的子空间扩展使得一个开关周期中同时存在“P”、“O”、“N”三种状态。但是如上文所述，三维空间矢量比较抽象难以理解，计算量大不利于数字实现。有学者研究了向SPWM调制波中注入零序分量来抑制三相三线三电平逆变器中点电位波动的方法，但是这些方法不再适用于四线制逆变器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法，包括如下步骤：
步骤一：确定允许的中点电位允许波动的上限值ΔUmax，且ΔUmax＞0；
步骤二：分别采样上下母线电容电压Uc1和Uc2；
步骤三：通过做差计算母线中点电位波动值ΔUdc＝Uc1-Uc2；
步骤四：分别采样三相负载电流，获得各相负载电流ix的流通方向，其中：x＝a、b、c；
步骤五：根据负载电流的流动方向和中点电位波动值获得中点平衡因子NPBF的值；
步骤六：比较ΔUmax与|ΔUdc|的大小；
步骤七：当NPBF＝1且|ΔUdc|＞ΔUmax时采用偶极性调制方式，当|ΔUdc|＜ΔUmax采用单极性调制方式。
进一步的，所述步骤五中，中点平衡因子NPBF的值有两种，分别为0或1。
进一步的，当ix＞0且Uc1＞Uc2时，NPBF取值为1。
进一步的，当ix＜0且Uc1＜Uc2时，NPBF取值为1。
进一步的，当ix＜0且Uc1＞Uc2时，NPBF取值为0。
进一步的，当ix＞0且Uc1＜Uc2时，NPBF取值为0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的方法抑制中点波动的核心思想是尽可能地使单个桥臂在一个开关周期中同时存在P、O、N三种状态且P、N两种状态的作用时间尽可能的多；能够有效抑制三相四线三电平逆变器直流母线中点电位的波动，提高逆变电能的质量。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明背景技术的电路拓扑图；
图3为本发明所采用的三电平逆变器中单个桥臂的载波调制方法图；
图4为图3中载波调制模式切换因子MMSF＝0时对应的双极性调制模式图；
图5为图3中载波调制模式切换因子0＜MMSF＜1时对应的双极性调制模式图；
图6为图3中载波调制模式切换因子MMSF＝1时对应的双极性调制模式图；
图7为本发明实施例中一个开关周期中的三种换流状态示意图。
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。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法，一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法，包括如下步骤：
步骤一：确定允许的中点电位允许波动的上限值ΔUmax，且ΔUmax＞0；
步骤二：分别采样上下母线电容电压Uc1和Uc2；
步骤三：通过做差计算母线中点电位波动值ΔUdc＝Uc1-Uc2；
步骤四：分别采样三相负载电流，获得各相负载电流ix的流通方向，其中：x＝a、b、c；
步骤五：根据负载电流的流动方向和中点电位波动值获得中点平衡因子NPBF的值；
步骤六：比较ΔUmax与|ΔUdc|的大小；
步骤七：当NPBF＝1且|ΔUdc|＞ΔUmax时采用偶极性调制方式，当|ΔUdc|＜ΔUmax采用单极性调制方式。
下表为中点平衡因子NPBF的逻辑表
|ΔUdc|＞ΔUmax |ΔUdc|＜ΔUmax
ix＞0 1 0
ix＜0 0 1
本发明方法基于载波调制模式切换的中点电位控制策略的核心思想是当中点电位发生波动的时候通过切换载波调制模式使得一个开关周期里面同时存在P、O、N三种开关状态，且P、N两种状态的作用时间尽可能的多。
首先说明三电平逆变器单个桥臂载波调制的实现方法。请参阅图3，三电平逆变器单个桥臂载波调制的实现方法，其中S1-S4表示单个桥臂从上到下4个功率管的驱动信号，MMSF(Modulation Mode Switching Factor)表示载波调制模式切换因子，当MMSF在0到1之间变化的时候载波调制模式也会相应的发生变化。
请参阅图4，当MMSF＝0时逆变器处于双极性调制模式，此时一个开关周期里面只存在P、N两种状态且P、N两种状态直接转换。逆变器按照此种模式工作时三电平逆变器将退化为两电平逆变器。
请参阅图5，当0＜MMSF＜1时逆变器处于偶极性调制模式。此时一个开关周期里面同时存在P、O、N三种状态。
请参阅图6，当MMSF＝1时逆变器处于单极性调制模式。此时一个开关周期里面只存在P、O或者N、O两种状态。
根据以上分析可知偶极性调制模式可以用于抑制中点电位的波动。在本方案中，由于偶极性调制方式的开关次数比单极性方式多，所以为了减少开关损耗，设置一个中点电位允许的波动上限值。只有当中点偏差大于上限值时才开启中点调制策略。
请参阅图7，以图7为实施例说明本方法对中点电位波动的抑制效果，在本实施例中NPBF＝1，Uc1＞Uc2。
在电网正半周，原本一个开关周期里面只存在P、O两种状态。P状态时负载电流给上母线电容C1放电，Uc1降低。0状态的时候负载电流不流过母线电容，直接从直流母线中点流出，此时该负载电流不影响中点电位的变化。
当采用偶极性调制模式之后，一个开关周期里面同时存在P、O、N三种状态，且0状态的时间越少越好，但不能没有0状态，否则将退化为两电平。此时在一个开关周期里面，当处于P状态的时候负载电流给上母线电容C1放电，Uc1降低。0状态作为短暂的过渡状态之后马上切换到N状态，N状态时负载电流通过下母线电容C2续流，给C2充电，Uc2增加。此时上下母线电容的偏差就可以被进一步地缩小。整个切换过程如图7所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种三相四线三电平逆变器直流母线中点电位控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：确定允许的中点电位允许波动的上限值ΔUmax，且ΔUmax＞0；
步骤二：分别采样上下母线电容电压Uc1和Uc2；
步骤三：通过做差计算母线中点电位波动值ΔUdc＝Uc1-Uc2；
步骤四：分别采样三相负载电流，获得各相负载电流ix的流通方向，其中：x＝a、b、c；
步骤五：根据负载电流的流动方向和中点电位波动值获得中点平衡因子NPBF的值；
步骤六：比较ΔUmax与|ΔUdc|的大小；
步骤七：当NPBF＝1且|ΔUdc|＞ΔUmax时采用偶极性调制方式，当|ΔUdc|＜ΔUmax采用单极性调制方式；
所述步骤五中，中点平衡因子NPBF的值有两种，分别为0或1；
当ix＞0且Uc1＞Uc2时，NPBF取值为1；
当ix＜0且Uc1＜Uc2时，NPBF取值为1；
当ix＜0且Uc1＞Uc2时，NPBF取值为0；
当ix＞0且Uc1＜Uc2时，NPBF取值为0；
当MMSF＝0时逆变器处于双极性调制模式，此时一个开关周期里面只存在P、N两种状态且P、N两种状态直接转换；逆变器按照此种模式工作时三电平逆变器将退化为两电平逆变器；
当0＜MMSF＜1时逆变器处于偶极性调制模式，此时一个开关周期里面同时存在P、O、N三种状态；
当MMSF＝1时逆变器处于单极性调制模式，此时一个开关周期里面只存在P、O或者N、O两种状态；
当采用偶极性调制模式之后，一个开关周期里面同时存在P、O、N三种状态，且0状态的时间越少越好，但不能没有0状态，否则将退化为两电平；此时在一个开关周期里面，当处于P状态的时候负载电流给上母线电容C1放电，Uc1降低；0状态作为短暂的过渡状态之后马上切换到N状态，N状态时负载电流通过下母线电容C2续流，给C2充电，Uc2增加；此时上下母线电容的偏差就可以被进一步地缩小。
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