本發(fā)明涉及三電平變換器的控制策略，尤其涉及一種三電平ANPC變換器中點電壓平衡控制方法。

背景技術(shù)：

隨著科技的進步與生活水平的提高，人們對電能質(zhì)量的要求也在不斷提升，有源中點鉗位(active neutral-point-clamped，ANPC)拓撲的出現(xiàn)彌補了二極管鉗位型拓撲和電容鉗位型拓撲的缺點，更好的適用于6KV和10kV的高壓變頻領(lǐng)域。ANPC多電平變換器越來越多被使用于工業(yè)與社會生活等領(lǐng)域以提供更優(yōu)質(zhì)的電能。目前，國內(nèi)外選用SVPWM調(diào)制方法作用于三電平ANPC變換器雖然常見，但是使用SVPWM調(diào)制方法作用于三電平ANPC變換器時控制其中點電壓平衡的方法卻尚未見刊。選用SVPWM控制，可以避免增加矢量分區(qū)的復雜度、避免增加開關(guān)器件的開關(guān)損耗，且輸出諧波含量較小。三電平及以上ANPC拓撲能夠正常工作的前提之一是中點電壓必須保持平衡，在SVPWM控制時，若不考慮中點電壓平衡這一關(guān)鍵問題，會使得SVPWM控制時中點電壓發(fā)生較大的波動，將會導致輸出電壓諧波提高、三相輸出不對稱，嚴重時還會損壞開關(guān)器件和濾波電容，失去實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，提供一種SVPWM調(diào)制三電平ANPC變換器時保持中點電壓平衡的控制方法，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種三電平ANPC變換器中點電壓平衡控制方法，包括以下步驟：

(1)、根據(jù)SVPWM參考矢量在空間矢量圖中的位置，確定三相開關(guān)序列以及每個矢量的作用時間，計算出每相每個開關(guān)管的導通關(guān)斷時刻以及導通關(guān)斷時間，作用于三電平ANPC變換器；

(2)、實時檢測三電平ANPC變換器直流上下側(cè)電容電壓值，規(guī)定中點電壓U_np為直流下側(cè)電容電壓減去直流上側(cè)電容電壓，將中點電壓與其參考值進行比較，當中點電壓大于參考值時，標志位S_Unp＝1,選擇對直流下側(cè)電容進行放電；當中點電壓小于參考值時，標志位S_Unp＝-1，選擇對直流下側(cè)電容進行充電；當中點電壓等于參考值時，標志位S_Unp＝0，不需要對電容進行充放電；

(3)、實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負，規(guī)定負載電流從三電平ANPC變換器的單相橋臂流向負載的方向為正方向，負載電流為正，反之為負，實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負，當負載電流為正時，標志位S_Ix＝1；當負載電流為負時，標志位S_Ix＝-1；否則S_Ix＝0；其中x表示a相、b相或者c相；

(4)、根據(jù)步驟(2)中確定的直流上下側(cè)電容需要充放電的情況以及步驟(3)中檢測到的三相負載電流的正負，在一個開關(guān)周期內(nèi)，對變換器的三相橋臂分別進行動態(tài)地調(diào)整步驟(1)中開關(guān)序列零狀態(tài)的占空比，即動態(tài)地調(diào)整直流上下側(cè)電容的充放電時間；

當檢測到的中點電壓偏高，直流下側(cè)電容需要放電時，若檢測到x相電流為正，則增加x相的零狀態(tài)作用時間，即增加直流下側(cè)電容的放電時間，降低中點電壓；若檢測到x相電流為負，則減少x相的零狀態(tài)作用時間，即減少直流下側(cè)電容的充電時間，降低中點電壓；

反之當檢測到的中點電壓偏低，直流下側(cè)電容需要充電時，若檢測到x相電流為正，則減少x相的零狀態(tài)作用時間，即減少直流下側(cè)電容的放電時間，使中點電壓升高；若檢測到x相電流為負，則增加x相的零狀態(tài)作用時間，即增加直流下側(cè)電容的充電時間，使中點電壓升高，其中x為a、b或c相。

(5)、返回步驟(1)。

進一步的，所述步驟(1)中根據(jù)SVPWM參考矢量在空間矢量圖中的位置，確定三相開關(guān)序列以及每個矢量的作用時間的具體方法為，將三電平空間矢量圖分為六個大區(qū)，每個大區(qū)又分為4個小區(qū)，根據(jù)空間矢量圖中大小區(qū)的劃分，以及參考矢量的模長和旋轉(zhuǎn)角度，采用60°坐標系，判斷參考矢量處在空間矢量圖中對應的區(qū)域；再依據(jù)最近三矢量合成規(guī)則，選取離參考矢量最近的三個矢量合成參考矢量，即選取參考矢量所處小區(qū)的三個頂點對應矢量合成參考矢量，再通過伏秒平衡原理，以三個合成矢量作用時間為未知量，列寫伏秒平衡方程，并得出最近三矢量的作用時間t₁、t₂、t₃，用七段式發(fā)波方式得到三相脈沖開關(guān)序列，根據(jù)三相脈沖開關(guān)序列計算得到每個開關(guān)管的導通關(guān)斷時刻以及導通關(guān)斷時間，作用于三電平ANPC變換器，輸出3個電平值分別為E，0，-E。

進一步的，步驟(4)中x相的零狀態(tài)作用時間的調(diào)整幅度Δt＝K*S_Unp*S_Ix*T_S，其中，U_np為中點電壓值，T_S是開關(guān)周期，K是中點電壓調(diào)節(jié)因子，K＝0.05-0.1。

該中點電壓平衡控制方法是基于傳統(tǒng)的SVPWM脈沖開關(guān)序列，對三電平ANPC變換器的三相橋臂分別進行動態(tài)地調(diào)整零狀態(tài)的占空比，所以該控制方法沒有增加空間矢量分區(qū)的復雜度以及開關(guān)器件的開關(guān)損耗，且輸出諧波含量較小；該方法還可以推廣到其他拓撲和更高電平數(shù)的多電平變換器中。

采用上述方法后，三電平ANPC變換器在整個工作空間內(nèi)都可以有效地控制中點電壓平衡，降低了輸出的諧波含量，提高了輸出波形的質(zhì)量，且該方法的動態(tài)性能較好，就算在變換器中點電壓偏移較大的情況下，也能根據(jù)檢測到的中點電壓大小以及三相負載電流的正負，在一個開關(guān)周期內(nèi)，對變換器的三相橋臂分別進行動態(tài)地調(diào)整脈沖開關(guān)序列零狀態(tài)的占空比，使得中點電壓能夠快速的穩(wěn)定在一個很小范圍內(nèi)波動。

附圖說明

圖1、本發(fā)明的三電平ANPC變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖2、本發(fā)明的控制方法的流程圖。

圖3、本發(fā)明三電平ANPC變換器空間矢量圖。

圖4、未加本發(fā)明的控制方法之前的作用于三電平ANPC變換器的矢量作用順序及作用時間。

圖5、本發(fā)明加控制策略后的作用于三電平ANPC變換器的矢量作用順序及作用時間。

具體實施方式

SVPWM是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考標準，以三相變換器不同開關(guān)模式作適當?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便于微處理器的實時控制。選用SVPWM控制，每次開關(guān)切換只涉及一個器件，所以開關(guān)損耗??；利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡單；電壓利用率比傳統(tǒng)的SPWM高。三電平ANPC變換器輸出波形質(zhì)量較好，能更好的應用于電機控制、電力電子及電能質(zhì)量控制等場合，而調(diào)制的重點在于能否使中點電壓保持平衡。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明涉及一種SVPWM調(diào)制的三電平ANPC變換器中點電壓平衡的控制方法，包括以下步驟：

(1)、根據(jù)SVPWM參考矢量在空間矢量圖中的位置，確定三相開關(guān)序列以及每個矢量的作用時間，計算出每相每個開關(guān)管的導通關(guān)斷時刻以及導通關(guān)斷時間，作用于三電平ANPC變換器，其中三電平ANPC變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，三電平空間矢量圖如圖3所示；三電平空間矢量圖分為六個大區(qū)，每個大區(qū)又分為4個小區(qū)，根據(jù)空間矢量圖中大小區(qū)的劃分，以及參考矢量的模長和旋轉(zhuǎn)角度，采用60°坐標系，判斷參考矢量處在空間矢量圖中對應的區(qū)域；再依據(jù)最近三矢量合成規(guī)則，選取離參考矢量最近的三個矢量合成參考矢量，即選取參考矢量所處小區(qū)的三個頂點對應矢量合成參考矢量，再通過伏秒平衡原理，以三個合成矢量作用時間為未知量，列寫伏秒平衡方程，并求解最近三矢量的作用時間t₁、t₂、t₃，再采用七段式發(fā)波方式得到三相脈沖開關(guān)序列，以A2區(qū)為例，選擇矢量V₁(ONN/POO)，V₂(PON)和V₃(PNN)參與合成參考矢量V_ref，設矢量ONN的作用時間為t₁/2，POO的作用時間為t₁/2，PON的作用時間為t₂，PNN的作用時間為t₃，則A2區(qū)的三相脈沖開關(guān)序列如圖4所示，根據(jù)三相脈沖開關(guān)序列算出每個開關(guān)管的導通關(guān)斷時刻以及導通關(guān)斷時間，作用于三電平ANPC變換器，輸出3個電平值分別為E，0，-E。而三電平ANPC有6種開關(guān)狀態(tài)，如表1中所示，

表1

P狀態(tài)和N狀態(tài)，電流不流經(jīng)中點，故對中點電壓沒影響。三電平ANPC的拓撲有四種冗余的零狀態(tài)，分別為OU1、OU2、OL1和OL2，通過合理的分配這四種冗余零狀態(tài)的作用時間就可以平衡開關(guān)器件的損耗，這四種冗余的零狀態(tài)隨著負載電流方向的不一致，對中點電壓的影響也不同,將由接下來的步驟動態(tài)地去調(diào)整零狀態(tài)的作用時間。

如圖1所示，三電平ANPC能正常工作，直流上下側(cè)的電容電壓必須都保持在直流母線電壓的二分之一，即E，輸出的相電壓才能正常輸出三個電平值。

(2)、實時檢測三電平ANPC變換器直流上下側(cè)電容電壓值，規(guī)定中點電壓U_np為直流下側(cè)電容電壓減去直流上側(cè)電容電壓，將中點電壓與其參考值進行比較，當中點電壓大于參考值時，標志位S_Unp＝1,選擇對直流下側(cè)電容進行放電；當中點電壓小于參考值時，標志位S_Unp＝-1，選擇對直流下側(cè)電容進行充電；當中點電壓等于參考值時，標志位S_Unp＝0，不需要對電容進行充放電。

(3)、實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負。規(guī)定負載電流從三電平ANPC變換器的單相橋臂流向負載的方向為正方向，負載電流為正，反之為負，實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負，當負載電流為正時，標志位S_Ix＝1；當負載電流為負時，標志位S_Ix＝-1；否則S_Ix＝0；其中x表示a相、b相或者c相。

(4)、根據(jù)步驟(2)中確定的直流上下側(cè)電容需要充放電情況以及步驟(3)中檢測到的三相負載電流的正負，在一個開關(guān)周期內(nèi)，對變換器的三相橋臂分別進行動態(tài)地調(diào)整步驟(1)中開關(guān)序列零狀態(tài)的占空比，即動態(tài)地調(diào)整直流上下側(cè)電容的充放電時間，當檢測到的中點電壓偏高，直流下側(cè)電容需要放電時，若檢測到x相電流為正，則增加x相的零狀態(tài)作用時間，即增加直流下側(cè)電容的放電時間，降低中點電壓；若檢測到x相電流為負，則減少x相的零狀態(tài)作用時間，即減少直流下側(cè)電容的充電時間，降低中點電壓。反之當檢測到的中點電壓偏低，直流下側(cè)電容需要充電時，若檢測到x相電流為正，則減少x相的零狀態(tài)作用時間，即減少直流下側(cè)電容的放電時間，使中點電壓升高；若檢測到x相電流為負，則增加x相的零狀態(tài)作用時間，即增加直流下側(cè)電容的充電時間，使中點電壓升高，其中x為a、b或c相，這樣可以使得三電平ANPC變換器的中點電壓能迅速的達到平衡狀態(tài)，返回步驟(1)。

該控制方法對三電平ANPC變換器的三相橋臂分別進行控制，其中x相調(diào)整的零狀態(tài)作用時間為：Δt＝K*S_Unp*S_Ix*T_S，其中，U_np為中點電壓，由直流下側(cè)電容電壓值減去直流上側(cè)電容電壓值。T_S是開關(guān)周期，K是中點電壓調(diào)節(jié)因子，根據(jù)中點電壓的波動情況動態(tài)調(diào)節(jié)，通常可取K＝0.05-0.1。加控制策略后的三電平有源中點箝位型變換器矢量的作用順序及作用時間如圖5所示。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對本實施方式作出多種變更或修改，而不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)，本發(fā)明的保護范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。