CN114285304B

CN114285304B - 一种npc三电平dvr系统中点电位平衡控制方法

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Publication number: CN114285304B
Application number: CN202111660027.XA
Authority: CN
Inventors: 王森; 刘咏妮; 成文杰; 周大磊; 侯飞; 张俊奇; 胡江江
Original assignee: Suzhou Actionpower Power Supply Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Actionpower Power Supply Technology Co ltd; XI'AN ACTIONPOWER ELECTRIC CO LTD
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114285304A

Abstract

本发明公开了一种NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法，所述控制方法是通过对NPC三电平DVR系统不平衡工况下的直流不平衡中点电位平衡补偿量的计算及限幅范围的计算，使三相三线制上下母线电容的平均电压值相等以消除中点电位的低频波动，实现NPC三电平DVR系统中点电位的平衡控制。该方法通过加入补偿量并对其进行限幅，可以使三相三线制上下母线电容的平均电压值快速相等，解决了三相三线NPC三电平DVR系统不平衡工况下的直流平衡问题。

Description

一种NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法

技术领域

本发明涉及不平衡电压暂降补偿工况下，三相三线三电平动态电压恢复器中点电位不平衡问题的改善技术领域，具体涉及一种NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法。

背景技术

随着经济的不断发展，电力配网中的敏感设备明显增多，其对电网的优质供电提出了更多的要求。电压暂降和暂升等问题是造成设备故障并引发严重经济损失的主要原因。动态电压恢复器(dynamic voltage restorer, DVR）是解决电压暂降和暂升问题的有效手段之一。三电平拓扑已在柔性交流输电、中压交流传动等很多领域得到广泛的推广。中点钳位型(neutral point clamped, NPC)三电平拓扑在电能质量行业的应用也逐步广泛起来。其具有输出电平更多、电压变化率更小、谐波含量更少等优点，但中点电压不平衡等问题在很大程度上制约了其的发展。NPC三电平DVR需要补偿三相电压不平衡，也即变流器输出三相不对称的电压，其中点电压不平衡问题更加严重。如何解决不平衡补偿模式下NPC三电平DVR的中点电压不平衡问题是一个很大的挑战。

中点电位控制可以采用空间矢量PWM法，根据中点电压波动和中点电流的方向来分配冗余小矢量的作用时间，从而实现一个开关周期内的中点电流平均值为零。注入零序分量的方法也可以实现中点平衡，相对于空间矢量，其计算简便、控制简单。但是零序分量法在一定的调制比和功率因数范围内仍然会产生3倍于输出频率的波动。而双调制波法，将调制波进行重构，使得一个开关周期内中点平均电流和为零，进而完全消除了中点电压波动，但是，上述双调制波方法都是基于三电平变流器输出三相对称电压的工况下进行的，无法直接应用不对称电压的工况。

针对双调制波方法在不平衡补偿工况时的中点电位直流不平衡问题，传统的补偿量计算方法，其边界值分析不够全面，缺少一个必要的条件，某些工况会存在补偿不正确的情况，且不适合于三相不对称电压的工况。

如何解决上述问题，是本领域技术人员致力于解决的事情。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法，所述控制方法是通过对NPC三电平DVR系统不平衡工况下的直流不平衡中点电位平衡补偿量的计算及限幅范围的计算，使三相三线制上下母线电容的平均电压值相等以消除中点电位的低频波动，实现NPC三电平DVR系统中点电位的平衡控制，所述补偿量由以下公式计算得到：

式1：V _ioff = -C(V _c1 -V _c2 )/(2I _i T _s )

其中，V _ioff为补偿量，C为直流母线电容容量，V _C1 、V _C2分别为直流侧上、下母线电容电压，T _s为系统开关周期，I _i为电流，i为A、B、C三相；

补偿量V _ioff的限幅范围满足式2或式3：

式2：

V _in ≤V _ioff ≤ (V _in +1-V _ip )/2

式3：

-V _ip ≤ V _ioff ≤(V _in +1-V _ip )/2

其中，V _in和 V _ip是经由双调制波将任意一相参考电压重构得到，V _in和 V _ip分别满足：

V _ip = (V _i -V _min )/2 ≥0，V _in =(V _i -V _max )/2≤ 0，

其中，V _max、V _min分别代表三相参考电压中的最大、最小值，

如补偿量V _ioff超出限幅范围，取边界值。

具体的，补偿量的计算过程如下：

在不增加DVR系统开关损耗的情况下，只在两个调制波均不钳位到零的区域内进行补偿量的叠加，且任意时刻只对一相电压进行补偿量叠加，双调制波将任意一相参考电压重构为式4和5两个电压，

式4： V _ip = (V _i -V _min )/2

式5： V _in =(V _i -V _max )/2

其中：V _ip ≥0，V _in ≤ 0，V _max、V _min分别代表三相参考电压中的最大、最小值，V _i代表三相调制波电压，i代表A、B、C三相；

首先对A相进行补偿量计算；

假设向双调制波中V _ap、V _an中加入幅值相同、符号相反的补偿量V _aoff，加入补偿量后的两个调制波分别为

式6：

V ^’ _ap = V _ap + V _aoff

式7：

V ^’ _an = V _an- V _aoff ，

增加补偿量后，一个载波周期的平均中点电流为

式8：

I ₀ = d ^’ _a0 I _a +d _b0 I _b +d _c0 I _c

其中，d ^’ _a0为A相电压在一个开关周期内输出中点电位的占空比，B、C相电压在一个开关周期内输出中点电位的占空比仍为d _b0、d _c0，因此d ^’ _a0直接影响了平均中点电流的取值，而因双调制波下一个开关周期内任意一相输出电压钳位到中点电位的占空比为：

式9：

d ^’ _a0 = |V ^’ _an+ 1-V ^’ _ap|

同时双调试波满足

式10：

V ^’ _an+ 1-V ^’ _ap ≥0

将式6 V ^’ _ap = V _ap + V _aoff、式7 V ^’ _an = V _an- V _aoff及式4V _ip = (V _i -V _min )/2、式5V _in = (V _i -V _max )/2带入关系式d ^’ _a0 = |V ^’ _an+ 1-V ^’ _ap|得到：

式11：

d ^’ _a0 = (V _min- V _max+2)/2-2 V _aoff，

将式11代入式8中，根据平衡时中点电流为0，得到：

式12：

I ₀ = d ^’ _a0 I _a - d _a0 I _a，

因d _a0 = |V _an+ 1-V _ap | = (V _min- V _max+2)/2，通过推导得到：

补偿后的平均中点电流为I ₀ = -2V _aoff I _a，

根据实际检测到的中点电位不平衡所需要的补偿电流为I ₀ = C(V _c1 -V _c2 )/T _s，可以得到A相的补偿量计算公式V _aoff = -C(V _c1 -V _c2 )/(2I _a T _s )，相应的，B、C相的补偿量计算与其相同进而得到式1公式。

具体的，对A相补偿量V _aoff的限幅范围的计算：

加入补偿量后的两个调制波需要满足

1≥V ^’ _ap ≥0 ①

1≥V ^’ _an ≥0 ②

V ^’ _an +1≥V ^’ _ap③

① 式-②式可以得到：

(V _an- V _ap)/2 ≤V _aoff≤(V _an+1-V _ap)/2 ④

从①式可以得到：-V _ap ≤V _aoff ≤1- V _ap ⑤

从②式可以得到：V _an ≤V _aoff ≤V _an- 1 ⑥

根据三相不平衡参考电压V _ra =m _a cos(wt), V _rb =m _a cos(wt-Φ ₁ )，V _rc =m _a cos(wt+Φ ₂ )，式中，m _a为A相的调制度，wt为角频率，Φ ₁为B相相对于A相的角度，Φ ₂ 为C相相对于A相的角度；三相注入零序分量V _z的参考电压为V _ra0 = V _ra +V _z，V _rb0 = V _rb +V _z，V _rc0 = V _rc +V _z；双调制波V _ip= (V _i -V _min )/2 ≥ 0、V _in =(V _i -V _max )/2≤ 0及补偿后的平均中点电流为I ₀ = -2V _aoff I _a以及上述关系式④、⑤、⑥，计算出关于补偿量的边界值满足：

V _an ≤V _aoff ≤ (V _an +1-V _ap )/2 ⑦

或

-V _ap ≤ V _aoff ≤(V _an +1-V _ap )/2 ⑧

将得到的补偿量V _aoff按照上述条件进行限幅，超出限幅范围的情况，取各自补偿量范围的边界值，B、C相的补偿量计算方法与A相相同。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法，其利用双调制波方法的通用公式进行推导，并通过加入补偿量并对其进行限幅，可以使三相三线制上下母线电容的平均电压值快速相等，解决了三相三线NPC三电平DVR系统不平衡工况下的直流平衡问题。

附图说明

图1为三相三线NPC三电平DVR系统示意图；

图2为不平衡暂降工况下三相补偿参考电压；

图3为不平衡暂降工况下双调制波v _ap和v _an的波形；

图4为不平衡暂降工况下v _aoff补偿量的边界值。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

本发明提供一种NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法，该方法基于三相三线NPC三电平DVR系统。

参见图1所示，该DVR系统包括：12只IGBT器件G1~G12；中点钳位二极管D1~D；三相桥的逆变电感L _a 、L _b 、L _c；三相输出高通滤波电容C _a 、C _b 、C _c；直流侧上下母线电容C ₁ 、C ₂；双向旁路晶闸管部分V _T；三相系统阻抗L _sa 、L _sb 、L _sc；低压400V侧的三相电网电压V _sa 、V _sb 、V _sc；三相负载电压V _La 、V _Lb 、V _Lc；DVR运行时串入电网的三相输出电压V _oa 、V _ob 、V _oc；三相负载电流I _La 、I _Lb 、 I _Lc；变流器三相输出电流I _a 、I _b 、I _c；上电容电压V _C1；下电容电压为V _C2；中点电位V _np；中点电流I ₀；总直流母线电压为V _dc。

这里，该变压器采用三相角星联结（星型侧六抽头），实现变流器与电网的电气隔离。实际运行过程中，当电网电压正常时，旁路晶闸管VT导通，此状态称之为旁路状态；当电网电压偏离额定值一定范围时，控制器检测到偏离，将会关闭晶闸管，投入逆变部分，在控制器的控制下逆变输出偏离电压值，从而保证负载电压保持额定电压，此状态称之为主路运行状态。

针对三相电压不平衡（不含零序电压）的暂降或者暂升，一般的NPC三电平逆变器只输出基波正序电压，中点电位波形中存在明显的3倍调制波频率的波动。中点电位不平衡会引起交流输出畸变率增加、开关器件过压等问题，影响变流器的安全性能。对于NPC三电平DVR来说，其需要输出的是包含正序电压和负序电压的不平衡电压，中点电位的低频波动更加严重。一个载波周期的平均中点电流为i ₀ =d _a0 i _a +d _b0 i _b +d _c0 i _c，根据平均中点电流的数学模型，所有载波周期的三相电流满足i _a +i _b +i _c = 0且零状态占空比满足d _a0 =d _b0 =d _c0就能完全消除中点电位的低频波动。对于三相三线系统三相电流i _a +i _b +i _c = 0这一条件自然满足，故只要满足d _a0 =d _b0 =d _c0就能完全消除中点电位的低频波动。

不平衡工况下的直流不平衡问题是通过得到中点电位平衡补偿量来保证上下母线电容的平均电压值相等。电位平衡补偿量的计算方法为：为了不增加开关损耗，只在两个调制波均不钳位到零的区域进行补偿量的叠加，因此，任意时刻只对一相电压进行补偿量叠加。

双调制波是将任意一相参考电压重构为两个电压V _ip = (V _i -V _min )/2 ≥ 0、V _in = (V _i -V _max )/2≤ 0，式中，V _max、V _min分别代表三相参考电压中的最大、最小值，V _i代表三相调制波电压，i代表A、B、C三相，一个开关周期内任意一相输出电压钳位到中点电位的占空比可表示为d _i0 = 1- |V _ip -V _in |，可以推导出双调制波方法始终满足V _ip – V _in = (V _max - V _min )/ 2，即d _a0 = d _b0 = d _c0，在三相三线制系统中，三相电流和总为零，因此，平均中点电流总是为零，在三相不平衡补偿工况下，双调制波方法可以保证在全范围内消除中点电位波动。

该NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法是通过对NPC三电平DVR系统不平衡工况下的直流不平衡中点电位平衡补偿量的计算及限幅范围的计算，使三相三线制上下母线电容的平均电压值相等以消除中点电位的低频波动，实现NPC三电平DVR系统中点电位的平衡控制。

具体的：

将双调制波向相反的方向对等移动，不影响注入的零序电压和调制波的幅值大小，但是可以有效改变中点占空比d _i0，以A相来说明补偿量的计算方法，向V _ap、V _an中加入幅值相同、符号相反的补偿量V _aoff，即加入补偿量后的两个调制波分别为V ^’ _ap = V _ap + V _aoff 、V ^’ _an = V _an- V _aoff ，增加补偿量后，一个载波周期的平均中点电流为i ₀ = d ^’ _a0 i _a +d _b0 i _b +d _c0 i _c，d ^’ _a0为A相电压在一个开关周期内输出中点电位的占空比，B、C相电压在一个开关周期内输出中点电位的占空比仍为d _b0、d _c0，因此d ^’ _a0直接影响了平均中点电流的取值。

此时，补偿后的平均中点电流为i ₀ = -2V _aoff i _a，系统开关周期为T _s，直流母线电容容量为C，上电容电压为V _C1，下电容电压为V _C2，则实际检测到的中点电位不平衡所需要的补偿电流为I ₀ = C(V _c1 -V _c2 )/T _s，可以得到补偿量V _aoff = -C(V _c1 -V _c2 )/(2I _a T _s )。

具体的，对A相补偿量V _aoff的限幅范围的计算：

加入补偿量后的两个调制波需要满足

1≥V ^’ _ap ≥0 ①

1≥V ^’ _an ≥0 ②

V ^’ _an +1≥V ^’ _ap ③

① 式-②式可以得到：

(V _an- V _ap)/2 ≤V _aoff≤(V _an+1-V _ap)/2 ④

从①式可以得到：-V _ap ≤V _aoff ≤1- V _ap ⑤

从②式可以得到：V _an ≤V _aoff ≤V _an- 1 ⑥

根据以下公式：

三相不平衡参考电压V _ra =m _a cos(wt), V _rb =m _a cos(wt-Φ ₁ )，V _rc =m _a cos(wt+Φ ₂ )，

式中，m _a为A相的调制度，Φ ₁为B相相对于A相的角度，Φ ₂ 为C相相对于A相的角度；三相注入零序分量V _z的参考电压为V _ra0 = V _ra +V _z，V _rb0 = V _rb +V _z，V _rc0 = V _rc +V _z；双调制波V _ip=(V _i -V _min )/2 ≥ 0、V _in =(V _i -V _max )/2≤ 0及补偿后的平均中点电流为I ₀ = -2V _aoff I _a计算出补偿量V _aoff上述三个关系式各边界值的大小，

再根据不平衡暂降工况下双调制波V _ap和V _an的波形图中 V _aoff（参见图3所示）需要限幅的范围得出：在区间[θ₂~θ_a]与[θ′_a ~θ₆] V _aoff的限幅范围为V _an ≤V _aoff ≤ (V _an +1-V _ap )/ 2 , 在区间[θ_a ~θ₃]与[θ₅~θ′_a]，V _aoff的限幅范围为-V _ap ≤ V _aoff ≤(V _an +1-V _ap )/2，

将得到的补偿量V _aoff按照上述条件进行限幅，超出限幅范围的情况，取各自补偿量范围的边界值，B、C相的补偿量计算方法与A相相同，根据上述的公式可以推导出不平衡暂降补偿工况下V _aoff补偿量的边界值的曲线图，如图4所示。实际应用时，严格按照区间范围进行限定，可达到快速均压的效果。

其中图3中，θ₁~θ₆，为三相参考电压的相交点，因为半个周波的对称关系，θ₄=θ₁+π，θ₅=θ₂+π，θ₆=θ₃+π。三相不平衡工况下的参考电压的相交点与三相参考电压的幅值、相角有关系。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法是通过对NPC三电平DVR系统不平衡工况下的补偿量的计算及限幅范围的计算，使上下母线电容的平均电压值相等以消除中点电位的低频波动，实现NPC三电平DVR系统中点电位的平衡控制，所述补偿量由以下公式计算得到：

式1：V_ioff＝-C(V_c1-V_c2)/(2I_iT_s)

其中，V_ioff为补偿量，C为直流母线电容容量，V_C1、V_C2分别为直流侧上、下母线电容电压，T_s为系统开关周期，I_i为电流，i为A、B、C三相；

补偿量V_ioff的限幅范围满足式2或式3：

式2：

V_in≤V_ioff≤(V_in+1-V_ip)/2

式3：

-V_ip≤V_ioff≤(V_in+1-V_ip)/2

其中，V_in和V_ip是经由双调制波将任意一相参考电压重构得到，V_in和V_ip分别满足：

V_ip＝(V_i-V_min)/2≥0，V_in＝(V_i-V_max)/2≤0，

其中，V_max、V_min分别代表三相参考电压中的最大、最小值,

如补偿量V_ioff超出限幅范围，取边界值。

2.根据权利要求1所述的NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法，其特征在于，补偿量的计算过程如下：

式4：V_ip＝(V_i-V_min)/2

式5：V_in＝(V_i-V_max)/2

其中：V_ip≥0，V_in≤0，V_max、V_min分别代表三相参考电压中的最大、最小值，V_i代表三相调制波电压，i代表A、B、C三相；

首先对A相进行补偿量计算；

假设向双调制波中V_ap、V_an中加入幅值相同、符号相反的补偿量V_aoff，加入补偿量后的两个调制波分别为

式6：

V’_ap＝V_ap+V_aoff

式7：

V’_an＝V_an-V_aoff，

增加补偿量后，一个载波周期的平均中点电流为

式8：

I₀＝d’_a0I_a+d_b0I_b+d_c0I_c

其中，d’_a0为A相电压在一个开关周期内输出中点电位的占空比，B、C相电压在一个开关周期内输出中点电位的占空比仍为d_b0、d_c0，因此d’_a0直接影响了平均中点电流的取值，而因双调制波下一个开关周期内任意一相输出电压钳位到中点电位的占空比为：

式9：

d’_a0＝|V’_an+1-V’_ap|

同时双调试波满足

式10：

V’_an+1-V’_ap≥0

将式6、式7及式4、式5带入关系式d’_a0＝|V’_an+1-V’_ap|得到：

式11：

d’_a0＝(V_min-V_max+2)/2-2V_aoff，

将式11代入式8中，根据平衡时中点电流为0，得到：

式12：

I₀＝d’_a0I_a-d_a0I_a，

因d_a0＝|V_an+1-V_ap|＝(V_min-V_max+2)/2，通过推导得到：

补偿后的平均中点电流为I₀＝-2V_aoffI_a，

根据实际检测到的中点电位不平衡所需要的补偿电流为I₀＝C(V_c1-V_c2)/T_s，得到A相的补偿量计算公式V_aoff＝-C(V_c1-V_c2)/(2I_aT_s)，相应的，B、C相的补偿量计算与其相同进而得到式1公式。

3.根据权利要求2所述的NPC三电平DVR系统中点电位平衡控制方法，其特征在于，对A相补偿量V_aoff的限幅范围的计算：

加入补偿量后的两个调制波需要满足

1≥V’_ap≥0 ①

0≥V’_an≥-1 ②

V’_an+1≥V’_ap ③

①式至③式得到：

(V_an-V_ap)/2≤V_aoff≤(V_an+1-V_ap)/2 ④

从①式得到：-V_ap≤V_aoff≤1-V_ap ⑤

从②式得到：V_an≤V_aoff≤V_an-1 ⑥

根据三相不平衡参考电压V_ra＝m_acos(wt),V_rb＝m_acos(wt-Φ₁)，V_rc＝m_acos(wt+Φ₂)，式中，m_a为A相的调制度，w为角频率，t为时间，Φ₁为B相相对于A相的角度，Φ₂为C相相对于A相的角度；三相注入零序分量V_z的参考电压为V_ra0＝V_ra+V_z，V_rb0＝V_rb+V_z，V_rc0＝V_rc+V_z；通过对三相注入零序分量V_z的参考电压分解得到双调制波V_ip＝(V_i-V_min)/2≥0、V_in＝(V_i-V_max)/2≤0，通过双调制波V_ip、V_in及补偿后的平均中点电流I₀＝-2V_aoffI_a以及上述关系式④、⑤、⑥，计算出关于补偿量的边界值满足：

V_an≤V_aoff≤(V_an+1-V_ap)/2 ⑦

或

-V_ap≤V_aoff≤(V_an+1-V_ap)/2 ⑧

将得到的补偿量V_aoff按照上述条件进行限幅，超出限幅范围的情况，取各自补偿量范围的边界值，B、C相的补偿量计算方法与A相相同。