CN111900891A

CN111900891A - 一种具有中点平衡功能的三电平逆变器dpwm调制方法

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Publication number: CN111900891A
Application number: CN202010751645.4A
Authority: CN
Inventors: 张承慧; 张博学; 邢相洋; 李晓艳; 王志祯
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: CN111900891B

Abstract

本公开提供了一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，采用初始调制波叠加共模调制波的形式实现，是一种DPWM与SVPWM的混合调制策略，兼顾DPWM减小损耗和SVPWM根据中点电位调节中点平衡的优点。包括以下步骤：获取三电平逆变器的运行状态数据，得到三相初始调制波；将电压绝对值最大的一相箝位，得到箝位后的共模调制波；采用PI控制对逆变器的中点电位差进行调节，并采用PI控制的输出量进行共模调制波的修正；将修正的共模调制波与初始调制波进行叠加，得到输出调制波，驱动开关管工作；本公开所述的方法在降低系统损耗的同时，保证中点电位平衡，采用共模注入的方法，实现过程简单易操作，无传统SVPWM的繁杂计算过程，有很强的应用价值。

Description

一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法

技术领域

本公开涉及三电平逆变器调制技术领域，特别涉及一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

在能源设备大力发展的当下，逆变器作为连接新能源和电网之间的枢纽得到行业内的广泛关注，它将直流电能变为交流电能，被广泛应用于不间断电源、电动汽车、风力发电、太阳能发电、电力有源滤波器等领域。日本学者A.Nabae于1980年提出了中点箝位型三电平逆变器(NPC)，相比于两电平逆变器有更高的电压等级，更小的谐波含量，现如今被广泛应用在高压大功率领域。

逆变器是否能够高效率、高质量地向电网传送能量，是当今学者研究的重点。尤其在大功率应用场合，逆变器的高效率运行可以节约很多能量。影响逆变器工作性能的因素有很多，调制策略就是其中一个。三电平逆变器常用的调制策略有正弦脉宽调制(SPWM，Sinusoidal Pulse Width Modulation)、空间矢量调制(SVPWM，Space Vector PulseWidth Modulation)和非连续脉宽调制(DPWM，Discontinuous Pulse Width Modulation)。其中SPWM调制的电压利用率低，同样的直流电压得到的最大交流电压只有SVPWM调制的78.5％。SVPWM由Vander Broek H.W等人提出，是一种连续脉冲宽度调制，通过对电压矢量配以合适的作用时间，达到期望的输出电压。这种调制在每个开关周期，每相均有器件的开通和关断，因此会造成较大的系统损耗。为了减小损耗，提高系统效率，采用DPWM，在1/3周期内将某相电压箝位至正母线或者负母线，致使该相开关管不动作，因此减小损耗，该调制在大功率应用场合优势十分明显。

由于拓扑结构的内在原因，三电平逆变器本身存在中点震荡或者中点偏移等问题，中点震荡会产生较大的纹波，导致电容过热影响逆变器使用寿命，某些非理想因素导致的中点电位偏移，严重影响系统运行，甚至导致系统崩溃，SVPWM调制通过合理分配冗余小矢量的作用时间，使中点电位在一定程度上达到平衡。而某些DPWM调制的使用会加剧中点偏移，某些DPWM在一段时间只使用一种小矢量，造成中点电位的震荡较大，它们都影响着逆变器的正常运行；有学者利用中点电位选择不同的DPWM调制方法，达到中点平衡，但是该方法造成不同DPWM之间切换时系统产生较大损耗，降低设备使用寿命。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，解决了三电平逆变器使用DPWM调制时中点不平衡问题，实现了以减小损耗为目的的中点平衡控制。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法。

一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，包括以下步骤：

获取三电平逆变器的运行状态数据，得到三相初始调制波；

将电压绝对值最大的一相箝位，得到箝位后的共模调制波；

采用PI控制对逆变器的中点电位差进行调节，并采用PI控制的输出量进行共模调制波的修正；

将修正的共模调制波与初始调制波进行叠加，得到输出调制波，驱动开关管工作。

本公开第二方面提供了一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制系统。

一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制系统，包括：

数据获取模块，被配置为：获取三电平逆变器的运行状态数据，得到三相初始调制波；

箝位控制模块，被配置为：电压绝对值最大的一相箝位，得到箝位后的共模调制波；

共模修正模块，被配置为：采用PI控制对逆变器的中点电位差进行调节，并采用PI控制的输出量进行共模调制波的修正；

叠加输出模块，被配置为：将修正的共模调制波与初始调制波进行叠加，得到输出调制波，驱动开关管工作。

本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法中的步骤。

本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法中的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，采用PI控制对逆变器的中点电位差进行调节，并采用PI控制的输出量进行共模调制波的修正，将修正的共模调制波与初始调制波进行叠加，解决了三电平逆变器使用DPWM调制时中点不平衡问题，实现了以减小损耗为目的的中点平衡控制。

2、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，采用PI控制的输出量控制箝位时间，根据输出量将原本60°箝位的非连续脉宽调制变为非连续脉宽调制和空间矢量调制的混合调制波，输出值同时控制空间矢量调制中小矢量的作用时间，同时具有DPWM减小损耗和SVPWM灵活控制中点电位的能力。

3、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，不会造成中点平衡控制时电压矢量序列的跳变以及产生额外的损耗。

4、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，采用共模注入的方法，实现过程简单易操作，没有传统SVPWM的繁杂计算过程。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的NPC三电平逆变器主电路拓扑结构。

图2为本公开实施例1提供的构成具有中点平衡功能的DPWM示意性结构图。

图3为本公开实施例1提供的三电平逆变器空间矢量图。

图4为本公开实施例1提供的共模调节因子的波形图与斜率变换后的波形图。

图5为本公开实施例1提供的三电平逆变器输出调制波波形。

图6为本公开实施例1提供的三电平逆变器电容电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本公开实施例1提供了一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，采用初始调制波叠加共模调制波的形式实现，是一种DPWM与SVPWM的混合调制策略，兼顾DPWM减小损耗和SVPWM根据中点电位调节中点平衡的优点；

将电压绝对值最大的一相箝位，得到60°箝位的共模调制波，依据中点电位将60°DPWM的一段DPWM变为SVPWM并且控制SVPWM中一对冗余小矢量作用时间，得到修正的共模调制波，将修正的共模调制波与初始调制波进行叠加，得到输出调制波，驱动开关管工作。

具体内容如下：

本实施例的控制对象为非隔离型三电平逆变器系统，如图1所示，包括电网e_a、e_b、e_c、逆变器、直流侧电压源三部分。逆变器由A、B、C三相桥臂组成，每相桥臂各有4个功率开关器件和两个二极管，直流侧包括两个串联电容，两个电容中间形成一个中性点O，每相桥臂的两个二极管的中点与中性点连接，逆变器的每相输出通过电感与交流电网连接，交流电网公共点记为O’。

选择电容中性点O作为参考，正直流母线称为P线，负直流母线称为N线。三电平逆变器每相桥臂有三种工作状态P、O和N，当桥臂工作于P状态时桥臂输出电压为直流侧电压值的二分之一，当桥臂工作于O状态时桥臂输出电压为0，当桥臂工作于N状态时桥臂输出电压为直流侧电压值的负二分之一。

图3为本实施例的空间矢量图，包括27个基本矢量，具体包括6个大矢量、6个中矢量、12个小矢量和3个零矢量。其中小矢量分为P型小矢量(使中点电位上升)和N型小矢量(使中点电位下降)，在矢量图中共享同一位置的P、N型小矢量互为冗余矢量，具体的基本电压矢量及其对应矢量类型如表1所示。

表1：基本电压矢量及其对应矢量类型

将初始调制波绝对值最大值箝位，即当电压最大值的绝对值大于电压最小值的绝对值时，箝位到P线，电压最大值的绝对值小于电压最小值的绝对值时，箝位到N线，因此得到箝位补偿电压为：

u_P＝-u_max+1 |u_max|≥|u_min| (1)

u_N＝-u_min-1 |u_max|<|u_min| (2)

其中，u_max＝max(u_a,u_b,u_c)，u_min＝min(u_a,u_b,u_c)，u_a、u_b、u_c分别为逆变器的三相初始参考电压，u_max为三相电压最大值，u_min为三相电压最小值，|u_max|为三相电压最大值的绝对值，|u_min|为三相电压最小值的绝对值，u_P为正箝位补偿电压，u_N为负箝位补偿电压。

引入共模调节因子λ，构建共模函数：

u₀＝λu_N+(1-λ)u_P (3)

u₀为注入的共模电压。当λ＝1时，u₀＝u_N为负母线箝位，当λ＝0时，u₀＝u_P为正母线箝位。当采用负母线箝位时，该桥臂电压输出负二分之一直流侧电压，此时小矢量只能选择N型小矢量，造成中点电位下降。当采用正母线箝位时，该桥臂电压输出二分之一直流侧电压，此时小矢量只能选择P型小矢量，造成中点电位上升。因此在一个60°区间内中点电位下降，下一个60°区间内中点电位上升，中点存在较大的震荡。

采集直流侧上下电容电压，并将它们之间的差值作为中点电位差，即：

Δu＝u_CP-u_CN (4)

其中，Δu为中点电位差，u_CP为上电容电压，u_CN为下电容电压。

为控制中点平衡，采用PI控制器对中点电位差进行调节，控制器输出k为

传统60°箝位存在中点震荡较大、中点偏移问题，为解决此问题，用中点控制器输出作为斜率修正共模函数。如图4中，λ为0、1变化曲线，引入k值作为斜率将λ变为λ_new曲线。图中，λ_new相比于λ箝位区间变短，因此DPWM调制的区域变短。

修正后的共模电压的计算采用如下计算方程

u₀'＝λ_newu_N+(1-λ_new)u_P (6)

其中，u₀'为修正后的共模电压，由共模函数可知，λ_new中0、1的部分，对应于正、负箝位，只有单一小矢量被使用，而斜率部分代表着正、负箝位补偿分别以λ_new和1-λ_new的时间比例生成共模电压，对应于P型、N型小矢量共同作用。箝位区间的缩短减少了单一小矢量的作用时间，减小中点电位震荡，互为冗余的小矢量共同作用同样减少了中点电位的震荡。

将共模调制波叠加到初始参考电压，得到输出参考电压：

u_a'＝u₀'+u_a (7)

u_b'＝u₀'+u_b (8)

u_c'＝u₀'+u_c (9)

其中，u_a'、u_b'、u_c'为逆变器输出参考电压，如图5所示为逆变器输出参考电压u_a'、u_b'、u_c'的波形图，可以看出，该输出调制波有部分被箝位到母线，实现减小开关损耗的目的。此外，因此相比于传统DPWM，增加了非箝位区域，在该区域中为SVPWM调制，通过调整冗余小矢量的作用时间实现直流侧中点电压的平衡控制。

用输出参考电压驱动开关管，得到具有中点平衡控制功能的DPWM三电平调制策略。

图2为本公开的DPWM示意性结构图，该控制过程主要分为三部分，如上述所示。

图6为三电平逆变器中点电位波形图，可以看出，本实施例涉及的控制策略对中点电位有明显的控制作用。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制系统，包括：

所述系统的工作方法与实施例1提供的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法相同，这里不再赘述。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法中的步骤，所述步骤为：

获取三电平逆变器的运行状态数据，得到三相初始调制波；

将电压绝对值最大的一相箝位，得到箝位后的共模调制波；

详细步骤与实施例1提供的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法相同，这里不再赘述。

实施例4：

本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法中的步骤，所述步骤为：

获取三电平逆变器的运行状态数据，得到三相初始调制波；

将电压绝对值最大的一相箝位，得到箝位后的共模调制波；

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取三电平逆变器的运行状态数据，得到三相初始调制波；

将电压绝对值最大的一相箝位，得到箝位后的共模调制波；

2.如权利要求1所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，其特征在于，将电压绝对值最大的一相箝位，得到60°箝位的共模调制波。

3.如权利要求1所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，其特征在于，当初始调制波电压最大值的绝对值大于或等于最小值的绝对值时，采用正母线箝位，该相输出为正母线电压；当初始调制波电压最大值的绝对值小于最小值的绝对值时，采用负母线箝位，该相输出为负母线电压。

4.如权利要求1所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，其特征在于，对中点电位差进行平衡控制，采用PI控制的输出量控制箝位时间，根据输出量将原本60°箝位的非连续脉宽调制变为非连续脉宽调制和空间矢量调制的混合调制，输出量同时控制空间矢量调制中小矢量的作用时间，得到修正的共模调制波。

5.如权利要求1所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，其特征在于，针对基于箝位补偿电压得到的共模函数，采用PI控制的输出量作为斜率修正共模函数。

6.如权利要求5所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，其特征在于，修正后的共模函数使得箝位区间缩短。

7.如权利要求5所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法，其特征在于，修正后的共模电压为：

u₀'＝λ_newu_N+(1-λ_new)u_P

其中，u_N和u_P为箝位补偿电压，λ_new为修正后的共模调节因子。

8.一种具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制系统，其特征在于，包括：

9.一种介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法中的步骤。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的具有中点平衡功能的三电平逆变器DPWM调制方法中的步骤。