專利名稱：基于電荷平衡的三電平變頻器中點電壓平衡方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于電荷平衡的三電平變頻器中點電壓平衡方法，屬于電力電子應用技術領域。
背景技術：
隨著電力電子技術、計算機技術和現代控制理論的發(fā)展，多電平變頻器正成為功率電源、電機驅動和電力系統(tǒng)變流等應用領域中最為熱門的研究方向之一。它增強了輸出電平的個數，有利于實現輸出電壓波形的正弦化，減少諧波分量，降低dv/dt和di/dt電應力，從而提高變頻器效率和功率因數，提高系統(tǒng)運行可靠性。多電平變頻器主要有三種拓撲結構二極管鉗位式、電容跨接式和H橋級聯(lián)式。而由于結構簡單，控制算法成熟，所用元器件數少，二極管鉗位式的三電平變頻器應用最為普遍。三電平變頻器的脈寬調制(PWM)控制算法是三電平變頻器系統(tǒng)中最核心的問題之一。常用的PWM算法有諧波消除法、優(yōu)化目標函數法、滯環(huán)電流控制法、載波調制法以及空間電壓矢量PWM等。由于空間電壓矢量PWM控制方法具有較大的優(yōu)勢，如它可以優(yōu)化開關矢量，降低開關頻率，提高電壓的利用率等，目前主要采用空間電壓矢量調制方法進行調制。不管存在什么調制方法，對于三電平變頻器都存在一個最常出現而又必須解決的一個問題，即在該變頻器傳遞有功功率時，直流母線上的上下兩個電容電壓可能出現不平衡現象，即稱中點電壓不平衡。它使上下電容電壓發(fā)生差異，不僅影響輸出電壓波形，產生諧波，也使開關器件承受的電壓不等，損壞器件，必須采取措施使其平衡。以往采用的解決該問題的方法主要有(1)分離的獨立直流源，它需要附加隔離變壓器，設備體積大，成本高，系統(tǒng)復雜；(2)整流與逆變背對背方法，控制復雜，可控開關器件數目多；(3)滯環(huán)比較法，采用多邊滯環(huán)比較器，通過實際各相電流與給定值的誤差來確定變頻器輸出狀態(tài)，測量難以精確，要求采樣頻率高。這些方法都不同程度地在實際中得到應用，但都存在如上所述各自的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種基于電荷平衡的三電平變頻器中點電壓平衡方法，以空間電壓矢量調制為基礎，在電機啟動時，特別在空間矢量第一扇區(qū)內，對三個小電壓矢量的施加時間進行重新分配，使它們在一個周期內對電容充放電的電荷相等，從而保證電容電壓在一個周期內不變，保持中點電壓平衡。
本發(fā)明提出的基于電荷平衡的三電平變頻器中點電壓的平衡方法，包括以下步驟1、確定用于控制變頻器輸出電壓的參考電壓矢量的相位；2、根據上述確定的參考三電平變頻器相位，生成電壓矢量序列；3、根據電壓矢量序列，確定三電平變頻器中的開關器件的開關函數；4、根據上述開關函數，發(fā)出脈沖控制信號，使三電平變頻器輸出與參考電壓的相位一致和幅值相對應的三相對稱電壓。
上述方法中的電壓矢量序列滿足以下條件(1)電壓矢量序列中的各綜合電壓矢量都在一個包含參考矢量端點的最小電壓三角形頂點上；(2)在一個循環(huán)周期內，電壓矢量序列中的所有綜合電壓矢量對直流母線電容中點的充放電電荷之和等于零；(3)電壓矢量序列中的任何一個綜合電壓矢量為三個相位互差120度的支路電壓矢量之和；(4)電壓矢量序列中的任意兩個相鄰的綜合電壓矢量相比，其三個支路電壓中有一個且僅有一個不同。
其中的三個支路電壓中的任意一個的電壓或為零、或為正的直流母線上電壓的一半，或為負的直流母線上電壓的一半，即有三個電平選擇。
上述方法中的確定開關函數的方法是使每個綜合電壓矢量對應一種三電平變頻器開關器件的開關函數。開關函數包括開關模式和開關時間。開關模式由電壓矢量序列中綜合電壓矢量的三個支路電壓矢量的排列次序決定；開關時間由綜合電壓矢量對直流母線電容中點的充放電電荷之和等于零決定。
本發(fā)明提出的基于電荷平衡的三電平變頻器中點電壓的平衡方法，具有以下的優(yōu)點1、根據一個開關周期內對電機施加的電壓小矢量產生的對直流電容充放電時間相等原理(充放電量相等)，決定施加的時間長短，從而使一個周期內電容上的電荷增量為零，進而保持中點電壓平衡不變。
2、該電壓矢量組合方式僅在電機啟動時的空間電壓圖中第一個大扇區(qū)內使用，而一旦電機反電勢建立起來后，即可使用常規(guī)的空間電壓矢量進行控制，因此本發(fā)明方法簡單可靠。
3、用以數字信號處理器(DSP)為基礎的控制系統(tǒng)作為本發(fā)明方法的執(zhí)行系統(tǒng)，DSP具有高的運算速度和強大的擴展功能，從而可以快速地實現控制。
附圖簡要

圖1為三電平變頻器空間電壓矢量分布圖。
圖2為第一扇區(qū)電壓矢量關系圖。
圖3采用中點電壓平衡方法的前后中點電壓波形比較。
上述方法中的電壓矢量序列滿足以下條件電壓矢量序列中的各綜合電壓矢量都在一個包含參考矢量端點的最小電壓三角形頂點上；在一個循環(huán)周期內，電壓矢量序列中的所有綜合電壓矢量對直流母線電容中點的充放電電荷之和等于零；電壓矢量序列中的任何一個綜合電壓矢量為三個相位互差120度的支路電壓矢量之和；電壓矢量序列中的任意兩個相鄰的綜合電壓矢量相比，其三個支路電壓中有一個且僅有一個不同。其中的三個支路電壓中的任意一個電壓或為零，或為正的直流母線上電壓的一半，或為負的直流母線上電壓的一半。
上述方法中確定開關函數的的方法是使每個綜合電壓矢量對應一種三電平變頻器開關器件的開關函數。其中的開關函數包括開關模式和開關時間。其中的開關模式由電壓矢量序列中綜合電壓矢量的三個支路電壓矢量的排列次序決定。其中的開關時間由綜合電壓矢量對直流母線電容中點的充放電電荷之和等于零決定。
本發(fā)明的一個實施例所采用的PWM調制方法為三電平空間電壓矢量PWM算法。三相三電平逆變器系統(tǒng)中有27個輸出電壓矢量可供組合使用，空間電壓矢量圖空間分布如圖1所示。按照電壓開關矢量幅值的大小來分，可以將它們分成四類零電壓開關矢量3個(Vooo，Vppp，Vnnn)，小電壓開關矢量12個，且兩兩重合(Vo1p和Vo1n，Vo2p和Vo2n，Vo3p和Vo3n Vo4p和Vo4n，Vo5p和Vo5n，Vo6p和Vo6n)，中電壓開關矢量6個(V12，V23，V34，V45，V56，V61)，大電壓開關矢量6個(V1，V2，V3，V4，V5，V6)。其中，Vref為給定的參考電壓矢量。取α、β坐標系統(tǒng)如圖1所示，則參考矢量Vref以O為圓心，逆時針方向旋轉。將平滑旋轉的參考矢量一個周期分解成n個小時間段Ts，每一個時間Ts內參考矢量位置固定不動，這時以距該矢量最近的三個電壓矢量來逼近該參考矢量，從而形成構成這些電壓矢量的開關組合，這就是空間電壓矢量調制原理。
具體地講，如果三電平變頻器直流母線上(設直流電壓為Vdc)的兩個電容電壓保持相等，則三電平的每相電壓都有三個電平狀態(tài)，即+Vdc/2、0和-Vdc/2。這樣，三相系統(tǒng)中就有33＝27個電壓矢量可供組合使用。圖1為三電平變頻器開關矢量分布圖，其中P、O、N分別表示交流側電壓為+Vdc/2、0、-Vdc/2，矢量號碼PON表示a， b，c三相的相電壓分別為Vdc/2、0、-Vdc/2，其余的類似。
若按照電壓開關矢量幅值的大小來分，可以將它們分成四類。
第一類零電壓開關矢量 幅長為零，分別表示變頻器交流側同時接正電平、零電平或負電平。
第二類小電壓開關矢量 幅值為Vdc/ 均勻分布在六個扇區(qū)的邊界線上。從圖1可以看出，每個小電壓矢量均有兩個不同的開關狀態(tài)，其中上面的小矢量(如 )代表各相橋臂均接正電平或者零電平，而下面的小矢量(如 )則代表各相橋臂分別接零電平或者負電平。小矢量會造成直流電容電壓的不平衡。另外，若三電平變頻器的直流電容電壓|Vdc1|和|Vdc2|不相等，則使兩個小電壓矢量不再重合，僅為比較接近的矢量。這樣，變頻器輸出的三相電壓不再對稱。
第三類中電壓開關矢量V→12,V→23,V→34,V→45,V→56,V→61,]]>幅長均為 /2。這六個電壓矢量的共同特點，是變頻器的三個臂分別接在直流側電壓的正電平、負電平和零電平上。中電壓開關矢量也會造成直流電容電壓的不平衡。
第四類大電壓開關矢量 幅值為2Vdc/ 這六個矢量均有一相接正電平或者負電平，另外兩相則對應接負電平及正電平。由于中點電流為零，不會改變直流電容電壓的平衡狀況。
從圖1中看出，電壓開關矢量均勻分布在各個扇區(qū)內。為了減小輸出電壓的諧波，根據控制系統(tǒng)給出的電壓給定值，選取適當的開關狀態(tài)，是三電平脈寬調制(PWM)控制的首要任務。與兩電平一樣，三電平空間電壓矢量PWM算法，從本質上是一種等效控制。通過在每一個開關周期Ts中，用參考矢量所在小三角形中三個頂點矢量來進行等效。
用公式來定義圖1中的各個矢量V→(k)=Vdc(Sa+α·Sb+α2·Sc)/6------(1)]]>式中Sa、Sb、Sc代表該矢量的三相開關狀態(tài)；α=ej23π.]]>將給定電壓從DQ坐標系統(tǒng)轉換到αβ坐標系，有Vrefα＝Vrefd·cosγ-Vrefq·sinγ (2)Vrefβ＝Vrefd·sinγ+Vrefq·cosγ式中γ為DQ坐標系和αβ坐標系之間的夾角。
從參考電壓的αβ軸分量，可以得到合成給定電壓矢量的模長|Vref|和相角θ分別為|Vref|=(Vrefα)2+(Vrefβ)2]]>θ=tg-1(Vrefα/Vrefβ)------(3)]]>根據式(3)所得參考電壓的模長和相角，可以判斷它落在哪個三角形的區(qū)域內。聯(lián)合參考電壓和該三角形三個頂點矢量，就可以實現該矢量的PWM調制。
圖2為第一扇區(qū)電壓矢量作用時間分配計算。下面將以給定電壓角度在第一扇區(qū)(即相角θ從0°到60。)時進行詳細分析。當給定電壓的角度大于60。時，可以采用類似的情況進行計算。
表1三電平PWM變頻器的開關矢量表 * 是電壓開關矢量的值根據式(1)可以計算出在0°到60°內的各個電壓開關矢量，如表1所示。該扇區(qū)內，各個小三角形的各頂點矢量作用時間分配定義，如圖2所示。
為了盡快確定給定電壓 處于圖2中哪個小三角形區(qū)域，可以先假設給定電壓矢量位于第3區(qū)域內。該區(qū)域三個頂點矢量分別為 假設這三個頂點相應的矢量作用時間依次為ta0、tb0、tc0，于是有V→01·ta0+V→12·tb0+V→02·tc0=V→ref·Ts------(4)]]>ta0+tb0+tc0＝Ts式中Ts為空間電壓矢量PWM的開關周期。
將式(3)、表1中各個頂點的開關矢量代入上式，可以得出ta0、tb0、tc0的值，分別為ta0＝(1-2ksinθ)·Tstb0=[2ksin(θ+π3)-1]·Ts------(5)]]>tc0=[2ksin(θ-π3)+1]·Ts]]>式中調制比k=2|Vref|/Vdc.]]>考察對電壓不平衡有影響最大的小矢量和中矢量，這其中又以小矢量影響尤甚。以下橋壁電容為研究對象，可以將小矢量分為充電矢量(USV)和放電矢量(LSV)USV LSV
考察當電壓矢量位于第一扇區(qū)的第1子扇區(qū)時，各電壓矢量及其作用效果如表2所示。
表2第一扇區(qū)的第1子扇區(qū)矢量選擇順序表

表中，第一行為一個開關周期Ts中每個綜合電壓矢量作用時間，T1-T7；第二行為相應每個作用時間所對應的不考慮中點電壓平衡的綜合電壓矢量；第三行為構成這些綜合矢量所對應的三相電壓矢量組合；第四行為可代替的電壓矢量；第五行為每個電壓矢量作用時間的具體取值。
以往中點電壓平衡算法需要檢測通過中點的電流流向，從而控制電壓矢量作用時間。實際中非常困難測到電流方向。本方法直接從第1大扇區(qū)第1子扇區(qū)的各電壓矢量充放電的電荷平衡入手，即在一個周期內，充放電總電荷為ΔQ＝(ic+ib)(T1+T7)+(ia+ib)(T3+T5)+iaT4(6)最終目標希望達到0。
注意到對于三相Y接電機繞組，Σk=13ik=0,]]>所以對于上式只要三相電流系數分別相等即可，即T1+T7＝T3+T4+T5(7)T1+T7＝T1+T7+T3+T5(8)從中不難看出，T3＝-T5，而負號說明，為達到式(6)所期望的效果，應將原矢量組合進行調整(原為放電矢量多，改為充放電平衡)，即可將00N改為PP0。而要求每次電壓綜合矢量改變時，每個開關只動作一次，采用了表2中劃線的矢量。開關動作如表3表3一個周期內開關組合表


表3中，Sa1，Sa2，…，Sc4為主電路中的12各開關，1表示為開通，0表示為關閉。當采用表3中的開關組合，則能得到表2中的畫線電壓矢量的組合，即為在一個周期內對電容充放電作用平均等于零。
當電機中的反電動勢建立后，電壓矢量位于其他扇區(qū)中時，依舊可以通過變化矢量形式、作用時間不變的途徑來滿足上下橋臂電容電壓偏差為0。相比較小矢量而言，中矢量的影響要小得多，所以遇到包含有中矢量的情況，采用常規(guī)空間電壓矢量組合。
采用新的空間電壓矢量組合后，第一扇區(qū)的空間電壓矢量組合如表4所示。
表4具有中點平衡的第一大扇區(qū)空間電壓矢量組合表

表中各行意義與表2相同，取表中下畫線的電壓矢量組合。
根據上述空間電壓矢量組合后，在DSP內編程實現。DSP計算后輸出十二路觸發(fā)脈沖序列，通過主回路開關器件的相應開關組合，使直流母線上的電容電壓中點保持平衡。圖3為一個實施例中采用中點電壓平衡方法的前后中點電壓波形比較。上圖為不考慮中點電壓平衡方法的中點電壓波形圖，從圖可見，在電機啟動的初始階段中點電壓變化很大，然后再趨向平穩(wěn)。下圖則為采用中點電壓平衡方法后的中點電壓波形，可以看出，中點電壓自始至終保持平衡不變。
權利要求
1.一種基于電荷平衡的三電平變頻器中點電壓的平衡方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)確定用于控制變頻器輸出電壓的參考電壓矢量的相位；(2)根據上述確定的參考三電平變頻器相位，生成電壓矢量序列；(3)根據電壓矢量序列，確定三電平變頻器中的開關器件的開關函數；(4)根據上述開關函數，發(fā)出脈沖控制信號，使三電平變頻器輸出與參考電壓相位一致和幅值相對應的三相對稱電壓。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在其中所述的電壓矢量序列滿足以下條件(1)電壓矢量序列中的各綜合電壓矢量都在一個包含參考矢量端點的最小電壓三角形頂點上；(2)在一個循環(huán)周期內，電壓矢量序列中的所有綜合電壓矢量對直流母線電容中點的充放電電荷之和等于零；(3)電壓矢量序列中的任何一個綜合電壓矢量為三個相位互差120度的支路電壓矢量之和；(4)電壓矢量序列中的任意兩個相鄰的綜合電壓矢量相比，其三個支路電壓中有一個且僅有一個不同。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于其中所述的三個支路電壓中的任意一個電壓或為零，或為正的直流母線上電壓的一半，或為負的直流母線上電壓的一半。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的確定開關函數的的方法是使每個綜合電壓矢量對應一種三電平變頻器開關器件的開關函數。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于其中所述的開關函數包括開關模式和開關時間。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于其中所述的開關模式由電壓矢量序列中綜合電壓矢量的三個支路電壓矢量的排列次序決定。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于其中所述的開關時間由綜合電壓矢量對直流母線電容中點的充放電電荷之和等于零決定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電荷平衡的三電平變頻器中點電壓的平衡方法，屬電力電子應用技術領域。本方法首先確定用于控制變頻器輸出電壓的參考電壓矢量的相位；根據上述確定的參考三電平變頻器相位，生成電壓矢量序列；根據電壓矢量序列，確定三電平變頻器中的開關器件的開關函數；根據上述開關函數，發(fā)出脈沖控制信號，使三電平變頻器輸出與參考電壓的相位一致和幅值相對應的三相對稱電壓。本發(fā)明方法根據一個開關周期內對電機施加的電壓小矢量產生的對直流電容充放電時間相等原理(充放電量相等)，決定施加電壓的時間長短，從而使一個周期內電容上的電荷增量為零，進而保持中點電壓平衡不變，方法簡單可靠，并可快速地實現控制。
文檔編號H02M5/00GK1481067SQ03150349
公開日2004年3月10日 申請日期2003年7月25日 優(yōu)先權日2003年7月25日
發(fā)明者趙爭鳴, 孟朔, 白華, 劉建政, 孫曉瑛 申請人:清華大學