一種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，以二極管鉗位型五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)為中心，將五電平矢量圖分解為12個(gè)兩電平矢量圖，并通過(guò)區(qū)域劃分得到18個(gè)三角形區(qū)域。通過(guò)在每個(gè)三角形區(qū)域構(gòu)造12個(gè)矢量序列，綜合目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化和內(nèi)六邊形矢量分解兩種方法控制直流側(cè)電容電壓平衡，并通過(guò)設(shè)置電壓誤差滯環(huán)進(jìn)行算法切換，當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)內(nèi)時(shí)采用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化均壓算法，而當(dāng)電壓誤差超出滯環(huán)時(shí)，選擇內(nèi)六邊形矢量分解均壓算法實(shí)現(xiàn)快速電壓平衡。該方法實(shí)現(xiàn)了二極管鉗位型五電平逆變器在高調(diào)制比下的直流側(cè)電容電壓平衡控制，逆變器具有良好的諧波特性。
【專利說(shuō)明】一種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二極管鉗位型五電平逆變器直流側(cè)電容電壓的平衡控制方法，尤其涉及一種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，屬于多電平逆變器技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]多電平變換器以耐壓較低的功率器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出，并且輸出波形總諧波畸變率低、系統(tǒng)電磁干擾小、開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，受到新能源并網(wǎng)發(fā)電、HVDC、高壓SVG以及高壓交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域的極大關(guān)注?；镜亩嚯娖酵?fù)浣Y(jié)構(gòu)歸納起來(lái)有3種:H橋級(jí)聯(lián)型、二極管鉗位型和飛跨電容性。其中二極管鉗位型多電平逆變器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜移相變壓器而更具有應(yīng)用前景。
[0003]對(duì)鉗位型多電平的研究多集中在其直流側(cè)分壓電容的電壓平衡，這個(gè)問(wèn)題對(duì)三電平的研究最為充分且目前有成熟的解決方法，利用冗余小矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的互補(bǔ)作用以及構(gòu)造虛擬空間矢量等。雖然5L-DCC相對(duì)三電平可以輸出更高的電壓、具備更好的諧波特性等優(yōu)點(diǎn)，但是為保證逆變器正常工作，需要對(duì)直流側(cè)4個(gè)分壓電容均壓，在高調(diào)制比時(shí)電壓平衡難度大，目前還沒(méi)有成熟的解決方案。
[0004]三相二極管鉗位型五電平逆變器矢量圖由4個(gè)六邊形由內(nèi)到外中心嵌套構(gòu)成，越外層六邊形冗余矢量個(gè)數(shù)越少，其中5個(gè)為零矢量，第一層內(nèi)層六邊形含有6個(gè)有效矢量，每個(gè)矢量有4種冗余狀態(tài)，而越外層六邊形冗余矢量個(gè)數(shù)越少，其中最外層六邊形的冗余矢量個(gè)數(shù)為零。傳統(tǒng)基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化最近三矢量SVM均壓方法以冗余矢量為基礎(chǔ)，當(dāng)調(diào)制比較小時(shí)，冗余矢量較多，相應(yīng)的矢量序列豐富，算法的均壓能力較強(qiáng)，而隨著調(diào)制比的增大，冗余矢量個(gè)數(shù)減少，算法對(duì)直流側(cè)電容電壓的控制變差，表現(xiàn)為調(diào)制比越高，功率因數(shù)越小，當(dāng)調(diào)制比接近I時(shí)，逆變器幾乎不能進(jìn)行有功功率的輸出，極大地限制了二極管鉗位型五電平逆變器的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，實(shí)現(xiàn)二極管鉗位型五電平在高調(diào)制比高功率因數(shù)下的直流側(cè)電容電壓平衡控制，改善了逆變器輸出的諧波特性。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，利用第2層12個(gè)頂點(diǎn)為中心將五電平矢量圖分解為12個(gè)兩電平矢量圖，通過(guò)區(qū)域劃分得到18個(gè)三角形區(qū)域，并在每個(gè)三角形構(gòu)造12個(gè)矢量序列，最后綜合目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化和內(nèi)層六邊形矢量分解兩種均壓方法，控制直流側(cè)電容電壓平衡，并通過(guò)設(shè)置電壓誤差滯環(huán)進(jìn)行算法切換，當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)內(nèi)時(shí)采用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化算法，而當(dāng)電壓誤差超出滯環(huán)時(shí)，選擇內(nèi)六邊形矢量分解均壓算法實(shí)現(xiàn)快速電壓平衡；具體包括如下步驟:
[0008](I)矢量圖分解:[0009](11)以三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)為中心，將其分解為12個(gè)兩電平矢量圖；
[0010](12)通過(guò)對(duì)兩電平矢量圖重疊區(qū)域的對(duì)稱劃分，得到18個(gè)三角形區(qū)域；
[0011](2)矢量序列的構(gòu)造:
[0012](21)對(duì)18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形，根據(jù)二極管鉗位型五電平逆變器輸出電壓切換要求，在每?jī)蓚€(gè)矢量的中點(diǎn)取中間矢量進(jìn)行狀態(tài)過(guò)渡；
[0013](22)對(duì)18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形，構(gòu)造12個(gè)矢量序列，要求相電平不能越級(jí)跳躍且所構(gòu)造的矢量序列在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)最多動(dòng)作兩次；
[0014](3)矢量序列的選擇:
[0015](31)設(shè)置電壓誤差滯環(huán)，并判斷當(dāng)前采樣電壓的誤差；
[0016](32)當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)內(nèi)時(shí)，以第二層六邊形矢量分解矢量序列為基礎(chǔ)，采用基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化均壓算法進(jìn)行均壓；
[0017](33)當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)外時(shí)，采用內(nèi)六邊形矢量分解均壓算法進(jìn)行均壓。
[0018]所述12個(gè)兩電平矢量圖均為正六邊形，所述三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)分別為12個(gè)正六邊形的中心；三相五電平逆變器矢量圖的中心點(diǎn)位于正六邊形的一個(gè)頂點(diǎn)上或位于正六邊形一條邊的中點(diǎn)上，且正六邊形至少有一條邊位于三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的邊上。
[0019]所述18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形均為正三角形，其一個(gè)頂點(diǎn)為三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)中的一個(gè)，其另兩個(gè)頂點(diǎn)為三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的24個(gè)頂點(diǎn)中的兩個(gè)。
[0020]有益效果:本發(fā)明提供的二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，實(shí)現(xiàn)了二極管鉗位型五電平逆變器在高調(diào)制比時(shí)直流側(cè)電容電壓的平衡控制，且算法不受功率因數(shù)的影響；采用本發(fā)明提供的均勻方法，能夠使得直流側(cè)電容電壓紋波小，電壓平衡速度快；采用本發(fā)明提供的均勻方法的逆變器具有良好的諧波特性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為二極管鉗位型五電平主電路拓?fù)洌?br> [0022]圖2為三相五電平逆變器矢量圖；
[0023]圖3為第I扇區(qū)矢量分解圖；其中圖3(a)給出了頂點(diǎn)編號(hào)，圖3 (b)給出了以頂點(diǎn)I為中心兩電平矢量圖在扇區(qū)I形成的三角形(I)，圖3(c)給出了以頂點(diǎn)2為中心兩電平矢量圖在扇區(qū)I形成的三角形⑵，圖3(d)給出了以頂點(diǎn)3為中心兩電平矢量圖在扇區(qū)I形成的三角形⑶；
[0024]圖4為區(qū)間劃分與三角形分布；其中圖4(a)為區(qū)間劃分圖，圖4(b)為三角形分布圖；
[0025]圖5為扇區(qū)I矢量分布；
[0026]圖6為M=0.93內(nèi)六邊形矢量分解算法仿真波形；其中圖6(a)為線電壓，圖6(b)為相電壓，圖6(c)為線電流，圖6(d)為電容電壓；
[0027]圖7為M=0.93本發(fā)明算法仿真波形；其中圖7(a)為線電壓，圖7(b)為相電壓，圖7(c)為線電流，圖7(d)為電容電壓；[0028]圖8為M=0.93內(nèi)六邊形矢量分解算法實(shí)驗(yàn)波形；其中圖8 (a)為線電壓，圖8 (b)為電容電壓穩(wěn)態(tài)，圖8(c)為線電流，圖8(d)為電流THD;
[0029]圖9為M=0.93本發(fā)明算法實(shí)驗(yàn)波形；其中圖9(a)為線電壓，圖9 (b)為電容電壓穩(wěn)態(tài)，圖9 (c)為線電流，圖9⑷為電流THD ；。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031 ] 一種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法包括如下步驟:
[0032](I)矢量圖分解:
[0033](11)以三相五電平逆變器矢量圖第2層正六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)為中心，將其分解為12個(gè)兩電平矢量圖；
[0034](12)通過(guò)對(duì)兩電平矢量圖重疊區(qū)域的對(duì)稱劃分，得到18個(gè)三角形區(qū)域；
[0035](2)矢量序列的構(gòu)造:
[0036](21)對(duì)18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形，根據(jù)二極管鉗位型五電平逆變器輸出電壓切換要求，在每?jī)蓚€(gè)矢量的中點(diǎn)取中間矢量進(jìn)行狀態(tài)過(guò)渡；
[0037](22)對(duì)18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形，構(gòu)造12個(gè)矢量序列，要求相電平不能越級(jí)跳躍且所構(gòu)造的矢量序列在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)最多動(dòng)作兩次；
[0038]( 3 )矢量序列的選擇:
[0039](31)設(shè)置電壓誤差滯環(huán)，并判斷當(dāng)前采樣電壓的誤差；
[0040](32)當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)內(nèi)時(shí)，以第二層六邊形矢量分解矢量序列為基礎(chǔ)，采用基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化均壓算法進(jìn)行均壓；
[0041](33)當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)外時(shí)，采用內(nèi)六邊形矢量分解均壓算法進(jìn)行均壓。
[0042]所述12個(gè)兩電平矢量圖均為正六邊形，所述三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)分別為12個(gè)正六邊形的中心；三相五電平逆變器矢量圖的中心點(diǎn)位于正六邊形的一個(gè)頂點(diǎn)上或位于正六邊形一條邊的中點(diǎn)上，且正六邊形至少有一條邊位于三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的邊上。
[0043]所述18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形均為正三角形，其一個(gè)頂點(diǎn)為三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)中的一個(gè)，其另兩個(gè)頂點(diǎn)為三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的24個(gè)頂點(diǎn)中的兩個(gè)。
[0044]下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明。
[0045]二極管鉗位型五電平主電路拓?fù)淙鐖D1所示，直流側(cè)由四組電容器Cl?C4串聯(lián)構(gòu)成5級(jí)電平，其中Rp為輔助均壓電阻，電阻Rs、二極管Ds和電容Cs構(gòu)成RCD吸收電路。逆變器的輸出Vxo (x=a，b，c)可以有5種電平(-2E，E，0，E，2E)，對(duì)應(yīng)5種不同的工作狀態(tài)(0,1,2,3,4) 0三相五電平逆變器有125個(gè)矢量，如圖2所示，其中61個(gè)有效矢量，剩余的為冗余矢量。
[0046]新算法以五電平矢量圖第二層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)為中心，將五電平矢量圖分解為12個(gè)兩電平矢量圖，以圖2中帶圈的頂點(diǎn)標(biāo)記為頂點(diǎn)1，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)依次為頂點(diǎn)2?頂點(diǎn)
12,如圖3 (a)所示。
[0047]5L-DCC扇區(qū)I分解過(guò)程如圖3所示，以頂點(diǎn)I為中心兩電平矢量圖在扇區(qū)I形成三角形(I)，見(jiàn)如3(b)，同樣以頂點(diǎn)2和頂點(diǎn)3為中心兩點(diǎn)平矢量圖在扇區(qū)I分別形成三角形⑵和(3)。此時(shí)三角形(I)、(2)、(3)在扇區(qū)I存在相互重疊部分，如圖4(a)所示ADF和BHl區(qū)域，使用對(duì)稱性對(duì)重疊部分進(jìn)行劃分，以O(shè)lE對(duì)三角形(I)和三角形(2)劃分后，區(qū)域03CEA歸為三角形(1)，同樣以02G對(duì)三角形(2)和三角形(3)劃分，區(qū)域04AEGB歸為三角形(2)，而區(qū)域05KGB歸為三角形(3)。同樣對(duì)扇區(qū)II~扇區(qū)VI進(jìn)行分解和區(qū)域劃分后，得到18個(gè)三角形區(qū)域分布，如圖4(b)所示。
[0048]基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化均壓算法以冗余矢量序列為基礎(chǔ)，冗余矢量序列越充足，算法的均壓能力越強(qiáng)。以三角形(I)為例進(jìn)行，其矢量分布如圖5所示，以合成三矢量(200)、(400)、(420)進(jìn)行分析，如果5L-DCC從狀態(tài)(200)直接切換到(400)，則a相電平輸出電平存在越級(jí)跳變，而從(420)到(200)時(shí)a、b兩相均存在越級(jí)跳變。為減小逆變器輸出du/dt，考慮插入中間矢量進(jìn)行狀態(tài)過(guò)渡，且假設(shè)過(guò)渡矢量的作用時(shí)間為AT，其取值與主電路功率器件的開(kāi)關(guān)速度有關(guān)，最后得到插入過(guò)渡矢量后的矢量序列為200-300-400-410-420-310-200，應(yīng)用同樣的方法構(gòu)造三角形(I)其余矢量序列，如表1所
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[0049]表1三角形(I)冗余矢量序列
【權(quán)利要求】
1.一種二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)矢量圖分解: (11)以三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)為中心，將其分解為12個(gè)兩電平矢量圖； (12)通過(guò)對(duì)兩電平矢量圖重疊區(qū)域的對(duì)稱劃分，得到18個(gè)三角形區(qū)域； (2)矢量序列的構(gòu)造: (21)對(duì)18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形，根據(jù)二極管鉗位型五電平逆變器輸出電壓切換要求，在每?jī)蓚€(gè)矢量的中點(diǎn)取中間矢量進(jìn)行狀態(tài)過(guò)渡； (22)對(duì)18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形，構(gòu)造12個(gè)矢量序列，要求相電平不能越級(jí)跳躍且所構(gòu)造的矢量序列在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)最多動(dòng)作兩次； (3)矢量序列的選擇: (31)設(shè)置電壓誤差滯環(huán)，并判斷當(dāng)前采樣電壓的誤差； (32)當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)內(nèi)時(shí)，以第二層六邊形矢量分解矢量序列為基礎(chǔ)，采用基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化均壓算法進(jìn)行均壓； (33 )當(dāng)電壓誤差在滯環(huán)外時(shí)，采用內(nèi)六邊形矢量分解均壓算法進(jìn)行均壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，其特征在于:所述12個(gè)兩電平矢量圖均為正六邊形，所述三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)分別為12個(gè)正六邊形的中心；三相五電平逆變器矢量圖的中心點(diǎn)位于正六邊形的一個(gè)頂點(diǎn)上或位于正六邊形一條邊的中點(diǎn)上，且正六邊形至少有一條邊位于三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的邊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管鉗位型五電平逆變器高調(diào)制比均壓方法，其特征在于:所述18個(gè)三角形區(qū)域的每個(gè)三角形均為正三角形，其一個(gè)頂點(diǎn)為三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個(gè)頂點(diǎn)中的一個(gè)，其另兩個(gè)頂點(diǎn)為三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的24個(gè)頂點(diǎn)中的兩個(gè)。
【文檔編號(hào)】H02M7/487GK103475251SQ201310431044
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】趙劍鋒, 趙志宏 申請(qǐng)人:東南大學(xué)