CN112187077A - 三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法及系统 - Google Patents

三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于三电平逆变电路领域，公开了一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法及系统，包括获取第一电容的电压和第二电容的电压；当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为正时，关闭与第二电容直接连接的开关管，根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算第一占空比，并根据第一占空比开通与第一电容直接连接的开关管；当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为负时，关闭与第一电容直接连接的开关管；根据第二电容的电压和第一电容的电压的差值计算第二占空比，并根据第二占空比通与第二电容直接连接的开关管。第一电容直接连接的开关管与第二电容直接连接的开关管独立控制，解决平衡电路在轻载时的电流较大及发热严重的问题。

Description

三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法及系统
技术领域
本发明属于三电平逆变电路领域，涉及一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法及系统。
背景技术
三电平逆变电路由于直流侧电容直接连接，存在电容电压不一致的问题，所以需要通过一定措施维持电压均衡。
常用的方法包括调整发波方式、增加平衡电路等方法。其中，调整发波方式在三相四线制电路中由于三维空间中电压矢量的复杂而无法使用。增加平衡电路方法虽然能够实现电容电压均衡，但常规平衡电路控制方法存在轻载时平衡电路电流和满载时接近的问题，导致轻载时平衡电路发热严重、效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中平衡电路发热严重、效率较低的缺点，提供一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法及系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明一方面，一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法，所述三电平逆变电路直流侧串联电容包括第一电容和第二电容；
所述电压平衡方法包括以下步骤：
获取第一电容的电压和第二电容的电压；
当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为正时，关闭与第二电容直接连接的开关管，根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算第一占空比，并根据第一占空比开通与第一电容直接连接的开关管；
当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为负时，关闭与第一电容直接连接的开关管；根据第二电容的电压和第一电容的电压的差值计算第二占空比，并根据第二占空比通与第二电容直接连接的开关管。
本发明三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法进一步的改进在于：
所述获取第一电容的电压和第二电容的电压的具体方法为：
依次经过分压电路、运算电路和限幅电路将第一电容的电压和第二电容的电压调节至0～3V后输入DSP控制器；通过DSP控制器采样并读取第一电容的电压和第二电容的电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到第一电容的电压和第二电容的电压。
所述根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算第一占空比的具体方法为：将第一电容的电压和第二电容的电压的差值输入PI控制器，通过PI控制器输出第一占空比；
所述根据第二电容的电压和第一电容的电压的差值计算第二占空比的具体方法为：将第二电容的电压和第一电容的电压的差值输入PI控制器，通过PI控制器输出第一占空比。
将第一电容的电压和第二电容的电压的差值输入PI控制器，通过式(1)，PI控制器得到并输出第一占空比；
D＝Kp×Δe+Ki×∫Δedt
其中，D为第一占空比，Kp为比例系数，Δe为第一电容的电压和第二电容的电压的差值，Ki为积分系数；
将第二电容的电压和第一电容的电压的差值输入PI控制器，通过式(2)，PI控制器得到并输出第二占空比；
D′＝Kp×Δe′+Ki×∫Δedt
其中，D′为第二占空比，Δe′为第二电容的电压和第一电容的电压的差值。
本发明再一方面，一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡系统，所述三电平逆变电路直流侧串联电容包括第一电容和第二电容；
所述电压平衡系统包括：
电压获取单元，与第一电容和第二电容均连接，用于获取第一电容的电压和第二电容的电压；
占空比计算单元，与电压获取单元连接，用于根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算占空比；以及
开关管控制器，与占空比计算单元、第一电容直接连接的开关管以及第二电容直接连接的开关管均连接，用于当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为正时，按照占空比打开与第一电容直接连接的开关管，关闭与第二电容直接连接的开关管；当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为负时，按照占空比打开与第二电容直接连接的开关管，关闭与第一电容直接连接的开关管。
本发明三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡系统进一步的改进在于：
所述电压获取单元包括依次连接的分压电路、运算电路、限幅电路和DSP控制器，分压电路与第一电容和第二电容均连接，DSP控制器用于采样并读取第一电容的电压和第二电容的电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到第一电容的电压和第二电容的电压。
所述占空比计算单元为PI控制器。
所述开关管控制器为栅极驱动器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法，通过获取第一电容的电压和第二电容的电压，并将与第二电容直接连接的开关管和与第一电容直接连接的开关管独立控制，根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值，确定别与第一电容直接连接的开关管和第二电容直接连接的开关管的占空比，进而实现第一电容的电压和第二电容的电压的平衡。本电压平衡方法中不需要用到直流侧电流，与第一电容直接连接的开关管和与第二电容直接连接的开关管独立工作，空载或轻载时，电流处于断续状态，与第一电容直接连接的开关管或二第一电容直接连接的开关管的占空比也较小，电感电流纹波小，电感发热少，仅开通非常小的占空比(<0.1)即可达到第一电容的电压和第二电容的电压相平衡的效果，有效减小轻载时电路电流，避免轻载时平衡电路发热严重。
附图说明
图1为三电平逆变电路的一相电路拓扑图；
图2为本发明实施例的电压平衡方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和2，本发明一个实施例中，公开了一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法，所述三电平逆变电路直流侧串联电容包括第一电容C1和第二电容C2；所述电压平衡方法包括以下步骤，其中，本实施例中仅以一相电路为例，其余相电路的开关管的控制方法与之相同。
获取第一电容C1的电压和第二电容C2的电压；当第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的差值为正时，关闭与第二电容C2直接连接的第二开关管Q2，根据第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的差值计算第一占空比，并根据第一占空比开通与第一电容C1直接连接的第一开关管Q1；当第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的差值为负时，关闭与第一电容C1直接连接的第一开关管Q1；根据第二电容C2的电压和第一电容C1的电压的差值计算第二占空比，并根据第二占空比通与第二电容C2直接连接的第二开关管Q2。其中，UBusP表示第一电容C1的电压，UBusN表示第二电容C2的电压。
平衡电路常规的控制方式是采用第一开关管Q1和第二开关管Q2互补工作的方式，第一电容C1和第二电容C2电压相等时，第一开关管Q1和第二开关管Q2的占空比均为0.5。当第一电容C1的电压高于第二电容C2的电压时，第一开关管Q1占空比大于0.5；当第一电容C1的电压低于第二电容C2的电压时，第一开关管Q1占空比小于0.5。不论是什么情况下，第一开关管Q1和第二开关管Q2均在0.5上下变动，导致空载时的电流与额定负载时接近，设备发热严重。
本发明电压平衡方法，采用第一开关管Q1和第二开关管Q2独立控制的方式，这样第一开关管Q1和第二开关管Q2的占空比可以从0开始，最大至1。当第一电容C1的电压高于第二电容C2的电压时，只接通第一开关管Q1；当第一电容C1的电压低于第二电容C2的电压时，只接通第二开关管Q2。开通的开关管的占空比通过利用PI控制器根据第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的差值计得到，PI控制器的占空比是带有符号的数值，当第一电容C1的电压高于第二电容C2的电压时，占空比为负值；当第一电容C1的电压低于第二电容C2的电压时，占空比为正值。
本电压平衡方法的优势在于，控制中不需要用到直流侧电流。因为如果控制中需要用到直流侧电流，可以有两种方式，但这两种方式都存在问题：方式一：第一开关管Q1和第二开关管Q2采用互补的方式工作，这样电流是连续的，容易得到电流的平均值，但电流纹波很大，导致电感发热高，散热存在风险；方式二：第一开关管Q1和第二开关管Q2采用独立工作的方式，这样电流是断续的，无法得到电流平均值。本电压平衡方法对前述存在问题的方式进行了分析和改进，经过分析可以不用直流侧电流，取得两种方式各自的优点，第一开关管Q1和第二开关管Q2独立工作，空载或轻载时，电流处于断续状态，第一开关管Q1或第二开关管Q2的占空比也较小，电感电流纹波小，电感发热少，仅开通非常小的占空比(<0.1)即可达到第一电容C1的电压和第二电容C2的电压相平衡的效果；在重载时，第一开关管Q1或第二开关管Q2的占空比在50％附近，整个工作过程是连续的，电流处于连续状态，平衡电路的工作状态与互补工作方式相同。
本发明再一个实施例中，三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法中，获取第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的具体方法为：依次经过分压电路、运算电路和限幅电路将第一电容C1的电压和第二电容C2的电压调节至0～3V后输入DSP控制器；通过DSP控制器采样并读取第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到第一电容C1的电压和第二电容C2的电压。
本发明再一个实施例中，三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法中，所述根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算第一占空比的具体方法为：将第一电容的电压和第二电容的电压的差值输入PI控制器，通过PI控制器输出第一占空比。
理论上占空比的大小是
Figure BDA0002701748510000071
与占空比D为正比例关系，即随着差值增大，
Figure BDA0002701748510000072
也会变大，所以需要的占空比D需要变大。但是，由于实际电路包含死区和发波延时，所以理论计算的占空比与实际需要的占空比存在偏差，在实验中的占空比通过第一电容C1和第二电容C2的差值经过PI调节器得到。
其中，PI控制器是根据其数学模型采用软件方法实现的，将第一电容的电压和第二电容的电压的差值输入PI控制器，通过式(1)，PI控制器得到并输出第一占空比：
D＝Kp×Δe+Ki×∫Δedt
其中，D为第一占空比，Kp为比例系数，Δe为第一电容的电压和第二电容的电压的差值，Ki为积分系数。
将第二电容的电压和第一电容的电压的差值输入PI控制器，通过式(2)，PI控制器得到并输出第二占空比：
D′＝Kp×Δe′+Ki×∫Δedt
其中，D′为第二占空比，Δe′为第二电容的电压和第一电容的电压的差值。本发明一个实施例中，公开了一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡系统，所述三电平逆变电路直流侧串联电容包括第一电容C1和第二电容C2；所述电压平衡系统包括：电压获取单元、占空比计算单元以及开关管控制器。电压获取单元与第一电容C1和第二电容C2均连接，占空比计算单元与电压获取单元连接，开关管控制器与占空比计算单元、第一电容C1直接连接的开关管以及第二电容C2直接连接的开关管均连接。
电压获取单元用于获取第一电容C1的电压和第二电容C2的电压；占空比计算单元用于根据第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的差值计算占空比；开关管控制器用于当第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的差值为正时，按照占空比打开与第一电容C1直接连接的开关管，关闭与第二电容C2直接连接的开关管；当第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的差值为负时，按照占空比打开与第二电容C2直接连接的开关管，关闭与第一电容C1直接连接的开关管。
具体的，电压获取单元包括依次连接的分压电路、运算电路、限幅电路和DSP控制器，分压电路与第一电容C1和第二电容C2均连接，DSP控制器用于采样并读取第一电容C1的电压和第二电容C2的电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到第一电容C1的电压和第二电容C2的电压。
具体的，占空比计算单元为PI控制器，根据其数学模型采用软件方法实现。
具体的，开关管控制器为栅极驱动器，栅极驱动器用于根据占空比生成开关管的驱动脉冲信号，根据该驱动脉冲信号驱动控制开关管。
本发明三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法及系统，通过将第一开关管Q1和第二开关管Q2分开控制，有效解决平衡电路在轻载时电路电流较大以及发热严重的问题。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法，其特征在于，所述三电平逆变电路直流侧串联电容包括第一电容和第二电容；
所述电压平衡方法包括以下步骤：
获取第一电容的电压和第二电容的电压；
当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为正时，关闭与第二电容直接连接的开关管，根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算第一占空比，并根据第一占空比开通与第一电容直接连接的开关管；
当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为负时，关闭与第一电容直接连接的开关管；根据第二电容的电压和第一电容的电压的差值计算第二占空比，并根据第二占空比通与第二电容直接连接的开关管。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法，其特征在于，所述获取第一电容的电压和第二电容的电压的具体方法为：
依次经过分压电路、运算电路和限幅电路将第一电容的电压和第二电容的电压调节至0～3V后输入DSP控制器；通过DSP控制器采样并读取第一电容的电压和第二电容的电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到第一电容的电压和第二电容的电压。
3.根据权利要求1所述的三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法，其特征在于，所述根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算第一占空比的具体方法为：将第一电容的电压和第二电容的电压的差值输入PI控制器，通过PI控制器输出第一占空比；
所述根据第二电容的电压和第一电容的电压的差值计算第二占空比的具体方法为：将第二电容的电压和第一电容的电压的差值输入PI控制器，通过PI控制器输出第一占空比。
4.根据权利要求3所述的三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡方法，其特征在于，将第一电容的电压和第二电容的电压的差值输入PI控制器，通过式(1)，PI控制器得到并输出第一占空比；
D＝Kp×Δe+Ki×∫Δedt
其中，D为第一占空比，Kp为比例系数，Δe为第一电容的电压和第二电容的电压的差值，Ki为积分系数；
将第二电容的电压和第一电容的电压的差值输入PI控制器，通过式(2)，PI控制器得到并输出第二占空比；
D′＝Kp×Δe′+Ki×∫Δedt
其中，D′为第二占空比，Δe′为第二电容的电压和第一电容的电压的差值。
5.一种三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡系统，其特征在于，所述三电平逆变电路直流侧串联电容包括第一电容和第二电容；
所述电压平衡系统包括：
电压获取单元，与第一电容和第二电容均连接，用于获取第一电容的电压和第二电容的电压；
占空比计算单元，与电压获取单元连接，用于根据第一电容的电压和第二电容的电压的差值计算占空比；以及
开关管控制器，与占空比计算单元、第一电容直接连接的开关管以及第二电容直接连接的开关管均连接，用于当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为正时，按照占空比打开与第一电容直接连接的开关管，关闭与第二电容直接连接的开关管；当第一电容的电压和第二电容的电压的差值为负时，按照占空比打开与第二电容直接连接的开关管，关闭与第一电容直接连接的开关管。
6.根据权利要求5所述的三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡系统，其特征在于，所述电压获取单元包括依次连接的分压电路、运算电路、限幅电路和DSP控制器，分压电路与第一电容和第二电容均连接，DSP控制器用于采样并读取第一电容的电压和第二电容的电压的AD采样值，并根据分压电路和运算电路的比例系数，得到第一电容的电压和第二电容的电压。
7.根据权利要求5所述的三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡系统，其特征在于，所述占空比计算单元为PI控制器。
8.根据权利要求5所述的三电平逆变电路直流侧串联电容的电压平衡系统，其特征在于，所述开关管控制器为栅极驱动器。
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