專利名稱：三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子多電平變換器及其驅(qū)動(dòng)控制方法，尤其涉及一種直接三電平逆變器中點(diǎn)電位參數(shù)自整定的平衡控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：
直接三電平逆變器以其結(jié)構(gòu)緊湊，輸出電壓電流諧波含量低，dv/dt小，開(kāi)關(guān)管所承受的電壓僅為直流母線電壓的1/2等優(yōu)點(diǎn)。在電力電子變換技術(shù)領(lǐng)域成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。它在中高壓電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。
但直接三電平逆變器存在中點(diǎn)電位平衡的問(wèn)題，并在一定程度上限制了其使用。如果中點(diǎn)電位不平衡不能得到有效的控制，會(huì)存在以下危害(1)使輸出電壓畸變，含有大量的低次諧波，在電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中會(huì)引起電機(jī)軸的振動(dòng)，更為嚴(yán)重的是會(huì)使輸出電壓電平數(shù)丟失。(2)不平衡時(shí)，開(kāi)關(guān)管所承受的電壓不再是母線直流電壓的1/2?？赡軙?huì)損害開(kāi)關(guān)管。(3)電容電壓的不平衡，也會(huì)影響直流母線上電容的使用壽命。
近期國(guó)內(nèi)外在直接三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡的問(wèn)題上提出的控制方法頗多，總的來(lái)講，分為硬件處理和軟件處理兩種控制方式。硬件處理需要另設(shè)輔助工作橋臂與獨(dú)立的充放電電感，增加變換器的體積重量，制造成本高且控制難度也大。軟件處理方式有的在指令電壓中加入零序電壓以控制中點(diǎn)的波動(dòng)，并給出可有效控制的范圍，但這種方法比較復(fù)雜，不利于數(shù)字實(shí)現(xiàn)；有的不使用對(duì)中點(diǎn)產(chǎn)生影響的中矢量，而用大矢量平均分配的方法，這種方法使輸出電壓諧波含量增加，影響調(diào)制效果；有的是在一定容差范圍內(nèi)切換正負(fù)小矢量，來(lái)控制中點(diǎn)電位平衡，這樣會(huì)使功率管開(kāi)關(guān)次數(shù)增多，變換器損耗有所增加；也有的加入了模糊控制，在一定程度上簡(jiǎn)化了平衡因子的計(jì)算，并且對(duì)非線性系統(tǒng)有很好的控制效果，但上下電容壓差信號(hào)的不確定性，使輸入量化因子的選值缺乏準(zhǔn)確性，平衡精度難以保持。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)直接三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種新的基于參數(shù)自整定的中點(diǎn)平衡控制系統(tǒng)及控制方法。
一種直接三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制系統(tǒng)，包括一個(gè)直接三電平功率變換器單元，負(fù)載單元，中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元，積分單元，模糊控制器單元，正負(fù)小矢量選擇單元，正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元，電壓空間矢量調(diào)制單元。其中直接三電平功率變換器單元與負(fù)載單元連接；直接三電平功率變換器單元的電容電壓差值輸出分別連接中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元和積分單元，同時(shí)還與中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元的輸出一起連接到模糊控制器單元；積分單元與模糊控制器的輸出相加后輸入到正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元，同時(shí)三電平功率變換器的負(fù)載電流信息通過(guò)正負(fù)小矢量選擇單元轉(zhuǎn)換為指針輸入到正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元；正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元的輸出連接到電壓空間矢量調(diào)制單元；電壓空間矢量調(diào)制單元的輸出端與直接三電平功率變換器連接。
所述的中點(diǎn)平衡控制方法，包括如下部分 a)直接三電平功率變換器單元； b)負(fù)載單元； c)中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元； d)積分單元； e)模糊控制器單元； f)正負(fù)小矢量選擇單元； g)正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元； h)電壓空間矢量調(diào)制單元。
所述的中點(diǎn)平衡控制方法，包括如下步驟 1.)根據(jù)當(dāng)前電壓空間矢量的幅值和空間相角確定基本矢量的作用順序和時(shí)間，基本矢量的作用順序都以小矢量開(kāi)始； 2.)測(cè)量直流母線的上電容和下電容的電壓差值，即用來(lái)衡量中點(diǎn)電位的不平衡度； 3.)把第2.)步中電容的電壓差值輸入到中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元，先經(jīng)其中的量化因子進(jìn)行量化后，再由其內(nèi)部設(shè)計(jì)的校正規(guī)則得到對(duì)模糊控制器單元中的量化因子進(jìn)行校正的系數(shù)； 4.)把在第3.)步中得到的模糊控制器單元的校正系數(shù)和原模糊控制器單元的量化因子相乘，得到校正后的模糊控制單元的量化因子； 5.)使用第4.)步中校正后的模糊控制器單元的量化因子對(duì)第2.)步中電容的電壓差進(jìn)行量化，輸入到模糊控制器單元。經(jīng)過(guò)模糊控制器單元的模糊規(guī)則和積分單元的補(bǔ)償，計(jì)算出正負(fù)小矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)； 6.)利用霍爾檢測(cè)負(fù)載電流的方向，根據(jù)負(fù)載電流的方向經(jīng)正負(fù)小矢量選擇單元判斷當(dāng)前小矢量的正負(fù)；將第5.)步得到的正負(fù)小矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)和判斷出的小矢量的極性，經(jīng)正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元對(duì)小矢量的作用時(shí)間進(jìn)行重新分配； 7.)根據(jù)第5.)步對(duì)小矢量的作用時(shí)間進(jìn)行重新分配的結(jié)果，調(diào)整每一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期中的正負(fù)小矢量執(zhí)行時(shí)間，達(dá)到中點(diǎn)電位的平衡。
8.)根據(jù)第7.)步得到的正負(fù)小矢量重新分配后的作用時(shí)間，經(jīng)電壓空間矢量調(diào)制模塊進(jìn)行空間矢量調(diào)制，得到功率電路的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
本文發(fā)明提出的基于參數(shù)自整定控制的中點(diǎn)平衡控制方法，以直流母線的上電容和下電容的電壓差值作為參數(shù)自整定控制器的輸入，根據(jù)中點(diǎn)電位的不平衡度，實(shí)時(shí)修正模糊控制器單元的量化因子；同時(shí)以中點(diǎn)電流的方向決定正負(fù)小矢量的選取，模糊控制器單元通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的動(dòng)態(tài)平衡。其靜態(tài)及動(dòng)態(tài)誤差都能控制在較低范圍，能使中點(diǎn)電位的平衡控制達(dá)到較高的精度。本發(fā)明對(duì)直接三電平逆變器中點(diǎn)電位這一非線性時(shí)變系統(tǒng)有很好的適應(yīng)性和魯棒性，


圖1本發(fā)明中點(diǎn)平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2本發(fā)明實(shí)施例中的二極管嵌位三電平逆變器電路圖； 圖3三電平逆變器的第一扇區(qū)空間矢量分布圖； 圖4本發(fā)明中點(diǎn)平衡控制方法流程圖； 具體實(shí)施方法 本發(fā)明中點(diǎn)平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括功率逆變器單元101，負(fù)載單元102，中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元103，積分單元104，模糊控制器單元105，正負(fù)小矢量選擇單元106，正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元107和電壓空間矢量調(diào)制單元108；本發(fā)明中點(diǎn)平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中的功率逆變器如圖2所示為二極管箝位型三電平逆變器。其中中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元103，積分單元104和模糊控制器單元105的輸入信號(hào)都為直流母線的上電容和下電容的電壓差值。正負(fù)小矢量選擇單元106的輸入信號(hào)為三相負(fù)載電流iA，iB，iC。正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元107的輸入信號(hào)為正負(fù)小矢量選擇單元106的輸出和另一個(gè)輸入信號(hào)為積分單元104與模糊控制器105的輸出之和。由正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元107確定正負(fù)小矢量的作用時(shí)間后輸入電壓空間矢量調(diào)制單元108。
本發(fā)明中點(diǎn)平衡控制系統(tǒng)中的空間矢量調(diào)制單元108，空間矢量合成方法采用最近三矢量法(the Nearest Three Space-Vector，NTV)對(duì)參考空間矢量Vref合成。并采用七段對(duì)稱的方式對(duì)調(diào)制周期Ts進(jìn)行分配。其具體操作以第一扇區(qū)為例，第一扇區(qū)空間矢量分布如圖3所示。假設(shè)參考矢量落在第4小區(qū)域。那么基本電壓矢量的作用順序?yàn)镻OO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO，起始矢量為小矢量。其他扇區(qū)可類似推出。
本發(fā)明中點(diǎn)平衡控制方法的流程圖如圖4所示，具體包括如下操作步驟 1.)根據(jù)當(dāng)前電壓空間矢量的幅值和空間相角確定基本矢量的作用順序和時(shí)間，基本矢量的作用順序都以小矢量開(kāi)始； 2.)測(cè)量直流母線的上電容和下電容的電壓差值，即用來(lái)衡量中點(diǎn)電位的不平衡度； 3.)把第2.)步中電容的電壓差值輸入到中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元103，先經(jīng)其中的量化因子進(jìn)行量化后，再由其內(nèi)部設(shè)計(jì)的校正規(guī)則得到對(duì)模糊控制器單元105中的量化因子進(jìn)行校正的系數(shù)；； 4.)把在第3.)步中得到的模糊控制器單元105的校正系數(shù)和原模糊控制器單元105的量化因子相乘，得到校正后的模糊控制單元105的量化因子； 5.)使用第4.)步中校正后的模糊控制器單元105的量化因子對(duì)第2.)步中電容的電壓差進(jìn)行量化，輸入到模糊控制器單元105。經(jīng)過(guò)模糊控制器單元105的模糊規(guī)則和積分單元104的補(bǔ)償，計(jì)算出正負(fù)小矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)； 6.)利用霍爾檢測(cè)負(fù)載電流的方向，根據(jù)負(fù)載電流的方向經(jīng)正負(fù)小矢量選擇單元106判斷當(dāng)前小矢量的正負(fù)；將第5.)步得到的正負(fù)小矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)和判斷出的小矢量的極性，經(jīng)正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元107對(duì)小矢量的作用時(shí)間進(jìn)行重新分配；； 7.)根據(jù)第6.)步對(duì)小矢量的作用時(shí)間進(jìn)行重新分配的結(jié)果，調(diào)整每一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期中的正負(fù)小矢量執(zhí)行時(shí)間，達(dá)到中點(diǎn)電位的平衡； 8.)根據(jù)第7.)步得到的正負(fù)小矢量重新分配后的作用時(shí)間，經(jīng)電壓空間矢量調(diào)制單元108進(jìn)行空間矢量調(diào)制，得到功率電路的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
在上述具體的操作步驟中，第3.)步的中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元103，其實(shí)現(xiàn)方式可以為基于指標(biāo)函數(shù)的模糊控制器設(shè)計(jì)，也可以為基于模糊數(shù)模型的模糊控制器設(shè)計(jì)。該處用模糊控制查詢表的方式來(lái)進(jìn)行處理，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用。具體查詢表中的數(shù)字可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行調(diào)整如表1所示，其中e為直流母線上電容和下電容的電壓差值的量化值，ec為電壓差值的變化率的量化值，查詢結(jié)果u(k)即為模糊控制單元量化因子的校正系數(shù)。
表1模糊校正單元模糊控制查詢表
以e的論域分為7個(gè)模糊子集，ec分為11個(gè)模糊子集為例，模糊控制查詢表如表2所示 表2校正單元模糊控制查詢表舉例
在第4.)步中模糊控制器單元105，該單元實(shí)現(xiàn)方式有多種，如自適應(yīng)模糊控制器，基于模糊數(shù)模型的控制器。該處選取輸入輸出變量的隸屬函數(shù)為梯形和三角形函數(shù)。模糊推理采用Mamdani方法。清晰化方法為面積中心法為例，模糊控制規(guī)則如表3所示 表3模糊控制規(guī)則表舉例
在第6.)步中正負(fù)小矢量選擇單元106，正負(fù)小矢量的判斷依據(jù)為，如表4所示。定義中點(diǎn)電流流出為正方向，負(fù)載電流流向負(fù)載為正方向。正小矢量定義為對(duì)應(yīng)中點(diǎn)電流為正時(shí)，負(fù)小矢量定義為對(duì)應(yīng)中點(diǎn)電流為負(fù)。表中負(fù)載電流都假設(shè)為正。
表4正負(fù)小矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流 在第7.)步中正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元107的實(shí)現(xiàn)，假設(shè)在一個(gè)控制周期Ts中，兩冗余小矢量占用的時(shí)間為t，其中正小矢量作用時(shí)間為tp，負(fù)小矢量作用時(shí)間為tn，正負(fù)小矢量的分配關(guān)系為 其中f為由模糊控制器單元105的模糊規(guī)則和積分單元104，計(jì)算出的正負(fù)小矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)。
按上述步驟進(jìn)行操作，即可對(duì)三電平的中點(diǎn)電位進(jìn)行有效的控制。
權(quán)利要求
1.一種三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括一個(gè)直接三電平功率變換器單元(101)，負(fù)載單元(102)，中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元(103)，積分單元(104)，模糊控制器單元(105)，正負(fù)小矢量選擇單元(106)，正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元(107)，電壓空間矢量調(diào)制單元(108)；其中直接三電平功率變換器單元(101)與負(fù)載單元(102)連接；直接三電平功率變換器單元(101)的電容電壓差值輸出端分別連接中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元(103)和積分單元(104)的輸入端，中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元(103)的輸出端連接模糊控制器單元(105)的輸入端；積分單元(104)的輸出端與模糊控制器(105)的輸出端相加后輸入到正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元(107)的輸入端，直接三電平功率變換器單元(101)的負(fù)載電流信息通過(guò)正負(fù)小矢量選擇單元(106)轉(zhuǎn)換為指針輸入到正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元(107)；正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元(107)的輸出端連接電壓空間矢量調(diào)制單元(108)的輸入端；電壓空間矢量調(diào)制單元(108)的輸出端與三電平功率變換器(101)的輸入端連接。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于
以直流母線的上電容與下電容的電壓差值作為平衡控制系統(tǒng)的參數(shù)輸入，以負(fù)載電流的方向作為正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配的方向判斷指針，根據(jù)中點(diǎn)電位的不平衡度，通過(guò)實(shí)時(shí)修正量化因子的控制方法，調(diào)整每一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期中的正負(fù)小矢量執(zhí)行時(shí)間，達(dá)到中點(diǎn)電位的平衡。
3.一種基于權(quán)利要求1所述的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括如下步驟
步驟A、根據(jù)當(dāng)前電壓空間矢量的幅值和空間相角確定基本矢量的作用順序和時(shí)間，基本矢量的作用順序都以小矢量開(kāi)始；
步驟B、測(cè)量直接三電平功率變換器單元(101)直流母線的上電容與下電容的電壓差值，衡量中點(diǎn)電位的不平衡度；
步驟C、將步驟B所述電容的電壓差值輸入到中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元(103)，先經(jīng)其中的量化因子進(jìn)行量化后，再由其內(nèi)部設(shè)計(jì)的校正規(guī)則得到對(duì)模糊控制器單元(105)中的量化因子進(jìn)行校正的系數(shù)；
步驟D、將步驟C得到的模糊控制器單元(105)中的量化因子校正系數(shù)和模糊控制器單元(105)的量化因子相乘，得到校正后的模糊控制單元(105)的量化因子；
步驟E、用校正后的模糊控制器單元(105)的量化因子對(duì)步驟B所述電容的電壓差進(jìn)行量化后，再經(jīng)過(guò)模糊控制器單元(105)其內(nèi)部的模糊規(guī)則運(yùn)算和積分單元(104)的補(bǔ)償，計(jì)算出正負(fù)小矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)；
步驟F、利用霍爾檢測(cè)負(fù)載電流的方向，根據(jù)負(fù)載電流的方向經(jīng)正負(fù)小矢量選擇單元(106)判斷當(dāng)前小矢量的正負(fù)；將得到的正負(fù)小矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)和判斷出的小矢量的極性，經(jīng)正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元(107)對(duì)小矢量的作用時(shí)間進(jìn)行重新分配；
步驟G、根據(jù)步驟F所述對(duì)小矢量的作用時(shí)間進(jìn)行重新分配的結(jié)果，調(diào)整每一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期中的正負(fù)小矢量執(zhí)行時(shí)間，達(dá)到中點(diǎn)電位的平衡。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制系統(tǒng)及控制方法，屬電力電子多電平變換器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的系統(tǒng)包括一個(gè)直接三電平功率變換器單元，電壓空間矢量調(diào)制單元和一個(gè)正負(fù)小矢量選擇單元，還包括中點(diǎn)電位偏差值量化因子校正單元，正負(fù)小矢量作用時(shí)間重新分配單元，模糊-積分混合控制器；本發(fā)明所述中點(diǎn)平衡控制方法根據(jù)中點(diǎn)電位的不平衡度，實(shí)時(shí)修正校正單元的量化因子，同時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流的方向，判斷當(dāng)前小矢量的正負(fù)，通過(guò)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的動(dòng)態(tài)平衡。本發(fā)明將靜態(tài)及動(dòng)態(tài)誤差都能控制在較低范圍，達(dá)到中點(diǎn)電位精確平衡的效果，提高了多電平功率變換器系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)H02M7/48GK101814855SQ20101014972
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者何禮高, 杜恩利, 李旭, 馬彥林 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué), 常州聯(lián)力自動(dòng)化科技有限公司