CN112134478B - 一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，只需进行逻辑判断及简单计算，根据连接到中点的负载电流、直流侧电容电压不平衡方向以及流入中点电荷量，调节时间因子，进而调整矢量作用时间使电容中点电压向不平衡的反方向移动，简单便于工程应用，无需进行大量复杂的三角函数计算，克服了无法在任意调制比和功率因数情况下对对NPC三电平逆变器的中点电位进行控制，通过时间因子调节实现对中点电位的动态控制，可以消除算法误差累积造成的中点电位不平衡。本控制方法可以应用于基于NPC三电平逆变器拓扑的有源电力滤波器、新能源并网逆变器以及储能变流器等设备。

Description

一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡 控制方法

技术领域

本发明涉及电路控制领域，具体涉及一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法。

背景技术

中点电位平衡控制，是中点箝位三电平逆变装置的关键性技术，决定了逆变器输出电压、电流的质量。因此，中点电位平衡控制一直是人们关于NPC三电平逆变器研究的热点。目前，已经发展了有很多中点电位平衡控制方法，其中工程应用中较为成熟广泛的方法主要有以下几种：

第一、基于空间矢量脉宽调制法(Space VectorPulse Width Modulation,SVPWM)的中点电位平衡控制方法。此类方法易于数字实现、且电压利用率高。然而，传统的SVPWM控制算法进行大小扇区判断时需要进行大量三角函数计算，将影响逆变器输出的实时性。同时，当调制比较大时，由于没有成对出现的正、负小矢量，中矢量对中点电位的影响无法消除，从而引起中点电位的低频振荡。

第二、基于零序电压注入的中点电位平衡控制方法。此类方法实现过程简单、执行效率高且中点电位平衡能力强。但是该方法无法实现在任意调制度和功率因数情况下对NPC三电平逆变器的中点电位进行控制，在高调制比和低功率因数情况下会出现高于输出频率的波动。

第三、基于虚拟空间矢量调制(Virtual SVPWM,VSVPWM)的中点电位平衡控制方法。此类方法可控区域大，理论上能够完全消除中矢量对中点电位的影响。然而传统的VSVPWM算法针对NPC三电平逆变器中点电位没有任何反馈，无法消除算法误差累积造成的中点电位不平衡。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于60°坐标系的NPC三电平逆变器中点电位平衡控制方法。该方法基于传统60°坐标系引入时变虚拟小矢量、中矢量，利用虚拟中矢量进行小扇区重新分区、基本矢量选择及矢量作用时间计算，同时根据负载电流方向、直流电压差值和流入中点电荷量调节时间因子，减少了计算工作量，简化了算法工程应用，实现中点电位平衡控制。

一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，括如下步骤：

步骤1，对原坐标系进行坐标变换，得到变换后的参考电压在60°坐标系下的模型，计算电压基准值后，得到标幺化的参考电压矢量，建立60°坐标系下的空间矢量旋转模型，即60°坐标系中g、h轴的基准值；

步骤2，引入60°坐标系下正小矢量、负小矢量和中矢量的时间因子，得到虚拟的中、小矢量和传统60°坐标系的中、小矢量关系；步骤3，根据步骤2得到的中、小矢量的关系得到虚拟中矢量在60°坐标系中的坐标，并构建辅助线重新进行小扇区划分；

步骤4，根据步骤3小扇区重新划分及已有归一化60°坐标系进行小扇区判断和基本矢量选择，并利用最近三矢量合成原则和伏秒平衡原理计算基本矢量作用时间；

步骤5，根据步骤4，得到时间因子、负载电流、直流电压差值以及流入中点电荷量关系，参考电压在1号小扇区时，控制时间因子k₁、k₂调节虚拟小矢量作用时间进行控制中点电位平衡，在参考电压在其他小扇区时，通过调节虚拟中矢量中基本中矢量时间因子k₃控制中点电位的平衡；

步骤6，将计算得到的k₁、k₂、k₃代入步骤2，根据最近三矢量合成原则计算都得到基本矢量作用时间，控制矢量作用时间调整逆变器输出及下一周期扇区判断。

进一步地，步骤2中，设引入60°坐标系下正小矢量、负小矢量和中矢量的时间因子分别为k₁、k₂、k₃，则虚拟的中、小矢量和传统60°坐标系的中、小矢量关系如下：

V₁′＝k₁V_POO+(1-k₁)V_ONN

V₂′＝k₂V_PPO+(1-k₂)V_OON

式中，V₁'、V₂'为虚拟小矢量，V₇'为虚拟中矢量，V_POO和V_ONN、V_OON和V_PPO均为Ⅰ号扇区中冗余正负小矢量，V_PON为Ⅰ号扇区的中矢量。

进一步地，步骤3中，计算虚拟中矢量V₇'在归一化60°坐标系中坐标为((1+k₃)V_g ^*/2，(1+k₃)V_h ^*/2)，利用虚拟中矢量V₇'构建辅助线l₁、l₂、l₃、l₄重新进行小扇区划分；辅助线l₁、l₂、l₃、l₄表达式如下：

式中，V_g ^*、V_h ^*分别为归一化60°坐标系中g、h轴的基准值。

进一步地，步骤4中，计算基本矢量作用时间公式如下：

式中，V_x、V_y、V_z分别为合成参考矢量V_ref ^*的基本电压矢量，T_s为一个采样周期，T_x、T_y、T_z分别为一个采样周期内对应的基本电压矢量作用时间。

进一步地，步骤5中，参考电压在1号小扇区时，

式中，ΔV为直流电容电压差值，k_n为时间因子(n＝1、2)、T_M为小矢量作用时间，i_s为正小矢量作用时的中点电流，在下一个周期调节正负冗余小矢量的作用时间即调节k_n来产生一个ΔV进行抵消，以达到中点电位平衡的目的。

进一步地，步骤5中，参考电压在2～5号小扇区中时，

式中，Q为流入中点电荷量，i_a、i_b、i_c分别为V_ONN、V_PPO、V_PON作用时对应的中点电流，T₇'为虚拟中矢量V₇'作用时间；

当参考电压矢量位于2～5号小扇区时，通过调节虚拟中矢量中基本中矢量时间因子k₃控制中点电位的平衡；设U_n为中点电位波动允许值，检测ΔV的值，当-U_n<ΔV<U_n时，k₃取1/3；当ΔV>U_n，若i_b>0时，k₃取1/6，若i_b<0，则k₃取2/3；当-U_n<ΔV，若i_b>0时，k₃取2/3，若i_b<0，则k₃取1/6。

本发明达到的有益效果为：本发明所述一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，只需进行逻辑判断及简单计算，根据连接到中点的负载电流、直流侧电容电压不平衡方向以及流入中点电荷量，调节时间因子，进而调整矢量作用时间使电容中点电压向不平衡的反方向移动，算法简单，便于工程应用。相较于基于SVPWM的中点电位平衡控制方法，无需进行大量复杂的三角函数计算；相较于基于零序电压注入的中点电位平衡控制方法，克服了无法在任意调制比和功率因数情况下对对NPC三电平逆变器的中点电位进行控制；相较于基于VSVPWM的中点电位平衡控制方法，通过时间因子调节实现对中点电位的动态控制，可以消除算法误差累积造成的中点电位不平衡。并且，本发明所提控制方法，可以应用于基于NPC三电平逆变器拓扑的有源电力滤波器、新能源并网逆变器以及储能变流器等设备。

附图说明

图1为本发明实施例中α-β坐标系到g-h坐标系变换的示意图。

图2为本发明实施例中虚拟矢量小扇区划分示意图。

图3为本发明实施例中小扇区判断依据表。

图4为本发明实施例中小扇区矢量选择表。

图5为本发明实施例中I号大扇区各基本电压矢量作用时间表。

图6为本发明实施例中3号扇区输出电压作用时序图。

图7为本发明实施例中三电平NPC逆变器空间矢量图.

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

以某单相系统为例，阐述本发明的详细技术方案和实现过程。

设α-β坐标系统中三相参考电压矢量为：

式(1)中，ω为系统的基波角频率，V为系统电压有效值。

一、坐标变换和标幺变换。

定义60°坐标系(g-h)的g轴和α-β坐标系的α轴重合，逆时针旋转60°作为h轴，如图1所示。

根据式(1)和图1，建立参考电压V_ref由α-β坐标系变换到g-h坐标系模型，如下：

根据式(2)，计算电压基准值V_pu为：

根据式(1)、式(2)，计算参考电压矢量Vref标幺化表达式为：

建立60°坐标系下的空间矢量旋转模型，如下：

二、虚拟矢量合成和扇区判断。

构建虚拟小矢量和虚拟中矢量，引入时间因子k₁、k₂、k₃，虚拟矢量表示如下：

V₁′＝k₁V_POO+(1-k₁)V_ONN (6)

V₂′＝k₂V_PPO+(1-k₂)V_OON (7)

式中，V₁'、V₂'为虚拟小矢量，V₇'为虚拟中矢量，V_POO和V_ONN、V_OON和V_PPO均为Ⅰ号扇区中冗余正负小矢量，V_PON为Ⅰ号扇区的中矢量。三电平NPC逆变器每相桥臂存在三种开关状态，分别对应三种输出电压，定义为正端电压P(U_dc/2)、负端电压N(-U_dc/2)和中点零电位O(0)。因此，三电平NPC逆变器共有27种开关状态。根据基本电压矢量的幅值和方向，可以归纳出四类空间矢量：零矢量(0)、小矢量(U_dc/3)、中矢量

大矢量(2U_dc/3)，矢量分布图如图7所示。

根据式(8)，计算V₇'在归一化60°坐标系中坐标为：

V₇'＝((1+k₃)V_g ^*/2，(1+k₃)V_h ^*/2) (9)

根据式(9)，进行扇区划分，结果如图2所示。

根据式(9)及图2所确定虚拟矢量小扇区划分图，构建辅助线l₁、l₂、l₃、l₄。具体的，根据矢量V1'、V2'、V7'、V13、V14顶点在Ⅰ号扇区中的坐标位置(Vg*，0)、(0，Vh*)、((1+k3)Vg*/2，(1+k3)Vh*/2)、(2Vg*，0)、(0，2Vh*)构建辅助线。其中，l₁、l₂、l₃、l₄表示如下：

根据辅助线“V_g ^*+V_h ^*＝1”及式(10)，得到I号大扇区中的小扇区判断依据如图3所示。

三、空间矢量选择和作用时间计算。

根据图2、3以及最近三矢量合成原则，选择基本电压矢量，以I大扇区中小扇区为例，结果如图4所示。

根据图4和伏秒平衡原则，计算各基本电压矢量作用，结果如图5所示。

四、中点电位平衡控制。

根据中点电流、直流侧电压不平衡方向以及流入中点电荷量，进行时间因子调节。设直流电容电压差值为ΔV，正小矢量作用时中点电流为i_s，虚拟中矢量V₇'作用时间T₇'内流入中点电荷量为Q，具体控制方法如下：

(1)1号小扇区控制方法。

当参考电压在1号小扇区中时，只需控制时间因子k₁、k₂调节虚拟小矢量作用时间即可控制中点电位平衡，时间因子k₁、k₂可由式(11)确定，具体如下：

式中，k_n为时间因子(n＝1、2)、TM为小矢量作用时间。通过检测ΔV的值，在下一个周期调节正负冗余小矢量的作用时间即调节k_n来产生一个ΔV进行抵消，以达到中点电位平衡的目的。

(2)2～5号小扇区控制方法。

在V₇'工作时间T₇'内，流入中点的电荷量Q可以表示为：

式中，i_a、i_b、i_c分别为V_ONN、V_PPO、V_PON作用时对应的中点电流。

当参考电压矢量位于2～5号小扇区时，通过调节虚拟中矢量中基本中矢量时间因子k₃控制中点电位的平衡。设U_n为中点电位波动允许值，检测ΔV的值，当-U_n<ΔV<U_n时，k₃取1/3；当ΔV>U_n，若i_b>0时，k₃取1/6，若i_b<0，则k₃取2/3；当-U_n<ΔV，若i_b>0时，k₃取2/3，若i_b<0，则k₃取1/6。

将计算得到的k₁、k₂、k₃代入九段式PWM脉冲生成，根据最近三矢量合成原则计算都得到基本矢量作用时间，控制矢量作用时间调整逆变器输出及下一周期扇区判断。以3号小扇区矢量作用时间为例

推导可得：

3号小扇区一个周期内输出电压作用时序图如图6所示。

由上述实施过程可知，本发明只需进行逻辑判断及简单计算，根据连接到中点的负载电流、直流侧电容电压不平衡方向以及流入中点电荷量，调节时间因子，进而调整矢量作用时间使电容中点电压向不平衡的反方向移动，算法简单，便于工程应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1，对原坐标系进行坐标变换，得到变换后的参考电压在60°坐标系下的模型，计算电压基准值后，得到标幺化的参考电压矢量，建立60°坐标系下的空间矢量旋转模型，即60°坐标系中g、h轴的基准值；

步骤2，引入60°坐标系下正小矢量、负小矢量和中矢量的时间因子，得到虚拟的中、小矢量和传统60°坐标系的中、小矢量关系；

步骤3，根据步骤2得到的中、小矢量的关系得到虚拟中矢量在60°坐标系中的坐标，并构建辅助线重新进行小扇区划分；

步骤4，根据步骤3小扇区重新划分及已有归一化60°坐标系进行小扇区判断和基本矢量选择，并利用最近三矢量合成原则和伏秒平衡原理计算基本矢量作用时间；

步骤5，根据步骤4，得到时间因子、负载电流、直流电压差值以及流入中点电荷量关系，参考电压在1号小扇区时，控制时间因子k₁、k₂调节虚拟小矢量作用时间进行控制中点电位平衡，在参考电压在其他小扇区时，通过调节虚拟中矢量中基本中矢量时间因子k₃控制中点电位的平衡；

步骤6，将计算得到的k₁、k₂、k₃代入步骤2，根据最近三矢量合成原则计算都得到基本矢量作用时间，控制矢量作用时间调整逆变器输出及下一周期扇区判断。

2.根据权利要求1所述的一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于：步骤2中，设引入60°坐标系下正小矢量、负小矢量和中矢量的时间因子分别为k₁、k₂、k₃，则虚拟的中、小矢量和传统60°坐标系的中、小矢量关系如下：

V₁′＝k₁V_POO+(1-k₁)V_ONN

V₂′＝k₂V_PPO+(1-k₂)V_OON

式中，V₁'、V₂'为虚拟小矢量，V₇'为虚拟中矢量，V_POO和V_ONN、V_OON和V_PPO均为Ⅰ号扇区中冗余正负小矢量，V_PON为Ⅰ号扇区的中矢量。

3.根据权利要求1所述的一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于：步骤3中，计算虚拟中矢量V₇'在归一化60°坐标系中坐标为((1+k₃)V_g ^*/2，(1+k₃)V_h ^*/2)，利用虚拟中矢量V₇'构建辅助线l₁、l₂、l₃、l₄重新进行小扇区划分；辅助线l₁、l₂、l₃、l₄表达式如下：

式中，V_g ^*、V_h ^*分别为归一化60°坐标系中g、h轴的基准值。

4.根据权利要求1所述的一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于：步骤4中，计算基本矢量作用时间公式如下：

式中，V_x、V_y、V_z分别为合成参考矢量V_ref ^*的基本电压矢量，T_s为一个采样周期，T_x、T_y、T_z分别为一个采样周期内对应的基本电压矢量作用时间。

5.根据权利要求1所述的一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于：步骤5中，参考电压在1号小扇区时，

式中，ΔV为直流电容电压差值，k_n为时间因子(n＝1、2)、T_M为小矢量作用时间，i_s为正小矢量作用时的中点电流，在下一个周期调节正负冗余小矢量的作用时间即调节k_n来产生一个ΔV进行抵消，以达到中点电位平衡的目的。

6.根据权利要求1所述的一种基于60°坐标系的中点箝位三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于：步骤5中，参考电压在2～5号小扇区中时，

式中，Q为流入中点电荷量，i_a、i_b、i_c分别为V_ONN、V_PPO、V_PON作用时对应的中点电流，T₇'为虚拟中矢量V₇'作用时间；

当参考电压矢量位于2～5号小扇区时，通过调节虚拟中矢量中基本中矢量时间因子k₃控制中点电位的平衡；设U_n为中点电位波动允许值，检测ΔV的值，当-U_n<ΔV<U_n时，k₃取1/3；当ΔV>U_n，若i_b>0时，k₃取1/6，若i_b<0，则k₃取2/3；当-U_n<ΔV，若i_b>0时，k₃取2/3，若i_b<0，则k₃取1/6。

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