本發(fā)明涉及三電平變流器的控制方法，更具體地說是涉及一種三電平變流器中點電位平衡的非連續(xù)脈寬調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其在大容量、高電壓場合，三電平拓撲的應(yīng)用越來越廣泛，每個功率管承受的電壓為直流側(cè)電壓的一半。此外，三電平拓撲還具有輸出波形的諧波含量低、效率高的優(yōu)點。但由于功率管數(shù)量的增多，控制算法復(fù)雜，伴隨著中點電位偏移等問題。

為了使三電平逆變器安全可靠運行，必須確保中點電位為直流側(cè)電壓的一半。常見的平衡中點電位的方法主要有以下3種：

1)用額外的變流器向電容中點注入或抽取電流；

2)上下電容電壓取自兩路獨立的直流電源；

3)通過調(diào)整脈寬調(diào)制脈沖序列來平衡中點電位。其中，增加硬件會增加系統(tǒng)成本；改變算法不會增加成本，因而最有吸引力。

目前常用的中點電位平衡的算法主要有兩種：基于零序分量注入的載波脈寬調(diào)制(cbpwm)方法和基于冗余矢量調(diào)整的空間矢量調(diào)制(svpwm)方法。載波調(diào)制方法中零序電壓的計算、空間矢量調(diào)制方法中矢量合成規(guī)則的復(fù)雜性等均導(dǎo)致控制算法的計算復(fù)雜度大大提升。此外，上述兩種調(diào)制方法均建立在直流側(cè)上下電容電壓對稱的基礎(chǔ)上，若出現(xiàn)直流側(cè)電壓不對稱、不平衡的情況，上下電容電壓不再是直流側(cè)電壓的一半，傳統(tǒng)的三電平方法將不再適用。

此外，由于功率管開關(guān)頻率的提高，功率管的開關(guān)損耗也隨之增加。在電力變換系統(tǒng)中，器件損耗(包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗)是影響系統(tǒng)效率至關(guān)重要的一環(huán)?，F(xiàn)有的減小開關(guān)損耗的方法主要分為三類：

(1)減小換相區(qū)間內(nèi)開關(guān)上的電壓或電流(軟開關(guān)技術(shù))；

(2)改變開關(guān)時間間隔；

(3)改變調(diào)制方式。

利用軟開關(guān)技術(shù)，可以有效的減小功率管的開關(guān)損耗，但軟開關(guān)的應(yīng)用會增加成本，控制復(fù)雜，而且調(diào)制時受階段性限制。變流器的開關(guān)損耗與具體的調(diào)制方式有很大關(guān)系，改進調(diào)制方式可以在一定程度上減小開關(guān)損耗。

因此，需要提供一種實現(xiàn)中點電位平衡的同時降低系統(tǒng)開關(guān)損耗的三電平變流器調(diào)制方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種三電平變流器中點電位平衡的非連續(xù)脈寬調(diào)制方法，以期能在不同功率因數(shù)、調(diào)制度下，有效抑制中點電位波動，降低三電平變流器的輸出諧波，從而實現(xiàn)三電平變流器的優(yōu)化控制。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種三電平變流器中點電位平衡的非連續(xù)脈寬調(diào)制方法的特點按如下步驟進行：

步驟1、利用電壓傳感器和電流傳感器分別采集所述三電平變流器的直流側(cè)上下電容電壓uc1,uc2，三相輸出電壓ua、ub、uc和三相電流ia、ib、ic；

步驟2、利用式(1)比較所述三電平變流器的輸出三相電壓ua、ub、uc的大小，得到所述三電平變流器的輸出三相電壓ua、ub、uc中最大電壓umax、最小電壓umin和中間電壓umid：

將式(1)中的最大電壓umax所對應(yīng)的相，記為umax相；最小電壓umin所對應(yīng)的相，記為umin相，中間電壓umid所對應(yīng)的相，記為umid相；

步驟3、根據(jù)調(diào)制度m將umax相鉗位至正母線或中線，將umin相鉗位至負母線或中線；當m>0.5時，根據(jù)式(2)將umax相鉗位至正母線，并記為dpwm_max鉗位方式，從而獲得如式(4)所示的dpwm_max鉗位方式下的中點電流i0,max；根據(jù)式(3)將umin相鉗位至負母線，并記為dpwm_min鉗位方式，從而獲得如式(5)所示的dpwm_min鉗位方式下的中點電流i0,min：

ucom=udc/2-umax

ucom＝-udc/2-umin

式(2)和式(3)中，u′max,u′mid,u′min分別表示所述三電平變流器注入共模電壓ucom后的調(diào)制電壓；式(4)和式(5)中，p表示所述三電平變流器的輸出功率，并有：p＝uaia+ubib+ucic＝ua′ia+ub′ib+uc′ic；udc為變流器直流側(cè)電壓，并有：udc＝uc1+uc2；uc1表示直流側(cè)上電容電壓，uc2表示直流側(cè)下電容電壓；

步驟4、當m<0.5時，根據(jù)式(6)將umin相鉗位至中線，并記為dpwm_mid1鉗位方式，從而獲得如式(8)所示的dpwm_mid1鉗位方式下的中點電流i0,mid1；根據(jù)式(7)將umax相鉗位至中線，并記為dpwm_mid2鉗位方式，從而獲得如式(9)所示的dpwm_mid2鉗位方式下的中點電流i0,mid2：

ucom=-umax

ucom＝-umin

步驟5、根據(jù)調(diào)制度m、直流側(cè)上下電容電壓uc1,uc2以及式(4)、式(5)、式(8)、式(9)計算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2，按照選取原則選擇能夠使上下電容電壓平衡的鉗位方式；所述選取原則為：

若uc1＞uc2，則選擇使中點電位升高的鉗位方式，即選擇計算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最大值所對應(yīng)的鉗位方式；反之，若uc1＜uc2，則選擇使中點電位降低的鉗位方式，即選擇計算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最小值所對應(yīng)的鉗位方式；

步驟6、根據(jù)所選擇的鉗位方式，選擇相應(yīng)的載波模式，并計算出三相開關(guān)序列，從而實現(xiàn)對所述三電平變流器的控制。

與傳統(tǒng)的三電平變流器的調(diào)制方法相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1.本發(fā)明根據(jù)瞬時中點電位，判斷需采用使中點電位升高或降低的鉗位方式，根據(jù)計算得到的不同鉗位方式下對應(yīng)的中點電流，選擇中點電流最大值或最小值對應(yīng)的鉗位方式，使中點電位逐漸平衡，有效抑制了中點電位波動，從而獲得了較好的諧波特性和控制效果。

2.本發(fā)明與傳統(tǒng)的調(diào)制方法相比，無需精確計算零序電壓或分配各冗余矢量的作用時間，僅需根據(jù)實時采樣獲得的電壓電流信號計算出各個鉗位方式下的中點電流，并根據(jù)瞬時中點電位，選擇使中點電位升高或降低的鉗位方式，從而在一定程度上降低了算法的計算復(fù)雜程度；

3.本發(fā)明在控制周期內(nèi)始終保證三電平變流器某一相橋臂不發(fā)生開關(guān)動作，從而減小了變流器的開關(guān)損耗，提高的變流器的運行效率；

4.本發(fā)明無需增加任何外設(shè)，系統(tǒng)成本低，控制方法簡單，易于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中中點鉗位型三電平變流器的主電路圖；

圖2為現(xiàn)有的載波模式圖；

圖3為本發(fā)明三電平變流器工作在狀況下的中點電流圖；

圖4為本發(fā)明控制算法流程圖；

圖5a為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.4,pf＝0.94狀況下的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果圖；

圖5b為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.4,pf＝0.17狀況下的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果圖；

圖5c為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.8,pf＝0.94狀況下的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果圖；

圖5d為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.8,pf＝0.17狀況下的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果圖；

圖6a為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.4,pf＝0.94狀況下的動態(tài)實驗結(jié)果圖；

圖6b為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.4,pf＝0.17狀況下的動態(tài)實驗結(jié)果圖；

圖6c為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.8,pf＝0.94狀況下的動態(tài)實驗結(jié)果圖；

圖6d為本發(fā)明三電平變流器工作在m＝0.8,pf＝0.17狀況下的動態(tài)實驗結(jié)果圖。

具體實施方式

本實施例中，一種三電平變流器中點電位平衡的非連續(xù)脈寬調(diào)制方法是實時檢測直流側(cè)上下電容電壓、相電壓、相電流，并判斷三相輸出電壓的大小關(guān)系。根據(jù)上下電容電壓差選擇適合的鉗位方式和載波模式，注入相應(yīng)的共模電壓，進而獲得對應(yīng)的開關(guān)序列，具體的說，如圖2所示，是按如下步驟進行：

步驟1、利用電壓傳感器和電流傳感器采集三電平變流器的直流側(cè)上下電容電壓uc1,uc2，三相輸出電壓ua、ub、uc，三相電流ia、ib、ic；

具體實施中定義δuc＝uc1-uc2為上下電容電壓差。如圖1所示，在三電平變流器進行調(diào)制時，變流器a、b、c三相不可避免地從中點抽取電流或向中點注入電流，導(dǎo)致中點電位發(fā)生偏移或波動，嚴重時甚至導(dǎo)致變流器無法正常運行。為確保三電平變流器穩(wěn)定安全運行，需控制中點電位平衡，上下電容電壓差滿足δuc＝0。

步驟2、利用式(1)比較所述三電平變流器的輸出三相電壓ua、ub、uc的大小，得到三電平變流器的輸出三相電壓ua、ub、uc的中最大電壓umax、最小電壓umin和中間電壓umid；其中，最大電壓umax所對應(yīng)的相，記為umax相；最小電壓umin所對應(yīng)的相，記為umin相；以及中間電壓umid所對應(yīng)的相，記為umid相；

步驟3、根據(jù)調(diào)制度m將umax相鉗位至正母線或中線，將umin相鉗位至負母線或中線；當m>0.5時，根據(jù)式(2)將umax相鉗位至正母線，并記為dpwm_max鉗位方式，從而獲得如式(4)所示的dpwm_max鉗位方式下的中點電流i0,max；根據(jù)式(3)將umin相鉗位至負母線，并記為dpwm_min鉗位方式，從而獲得如式(5)所示的dpwm_min鉗位方式下的中點電流i0,min：

ucom=udc/2-umax

ucom＝-udc/2-umin

式(2)、(3)中，u′max,u′mid,u′min分別表示所述三電平變流器注入共模電壓ucom后的調(diào)制電壓；式(4)、(5)中，p表示所述三電平變流器的輸出功率，且p＝uaia+ubib+ucic＝ua′ia+ub′ib+uc′ic；udc為變流器直流側(cè)電壓，并有udc＝uc1+uc2；uc1表示直流側(cè)上電容電壓，uc2表示直流側(cè)下電容電壓；

步驟4、當m<0.5時，根據(jù)式(6)將umin相鉗位至中線，并記為dpwm_mid1鉗位方式，從而獲得如式(8)所示的dpwm_mid1鉗位方式下的中點電流i0,mid1；根據(jù)式(7)將umax相鉗位至中線，并記為dpwm_mid2鉗位方式，從而獲得如式(9)所示的dpwm_mid2鉗位方式下的中點電流i0,mid2：

ucom＝-umax

ucom＝-umin

步驟5、根據(jù)調(diào)制度m、直流側(cè)上下電容電壓uc1,uc2以及通過式(4)、式(5)、式(8)、式(9)計算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2，按照選取原則選擇能夠使上下電容電壓平衡的鉗位方式；該選取原則為：

若uc1＞uc2，應(yīng)選擇使中點電位升高的鉗位方式，即選擇計算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最大值對應(yīng)的鉗位方式；反之，若uc1＜uc2，應(yīng)選擇使中點電位降低的鉗位方式，即選擇計算得到的i0,max、i0,min、i0,mid1和i0,mid2中最小值對應(yīng)的鉗位方式；

實施例中：以m＝0.9，為例，對計算得到的中點電流對中點電位的影響進行詳細說明：其中中點電流以三倍正弦頻率重復(fù)，對ωt∈(0,2π/3)進行說明，ωt∈(2π/3,2π)與此類似。

如圖3所示，根據(jù)i0，max、i0，min的極性變化規(guī)律將中點電流對中點電位的作用情況分為以下五個階段。定義中點電流大于0時，變流器由中點輸出電流，中點電位下降；中點電流小于0時，變流器向中點注入電流，中點電位升高。圖3中第1、3，5階段中，i0，max＞0，i0，min＜0，表示采用dpwm_max方法使中點電位升高，而采用dpwm_min方法使中點電位降低；第2階段中，i0，max＜0，i0，min＜0，表示無論采用dpwm_max，還是dpwm_min方法，中點電位始終降低，由于|i0,min|＜|i0,max|，采用dpwm_min方法可以獲得較小的中點電位波動；第4階段中，i0，max＞0，i0，min＞0，表示無論采用dpwm_max，還是dpwm_min方法，中點電位始終升高，由于|i0,min|＞|i0,max|，采用dpwm_max方法可以獲得較小的中點電位波動；

步驟6、根據(jù)所選擇的鉗位方式，選擇相應(yīng)的載波模式，并計算出三相開關(guān)序列，從而實現(xiàn)對所述三電平變流器的控制。

具體實施中，本發(fā)明的控制流程如圖4所示，首先，判斷三相電壓的關(guān)系，并計算出各種鉗位方式下的中點電流；其次，根據(jù)實時檢測的直流側(cè)上下電容電壓差，選擇合適的鉗位方式；最后，根據(jù)表1所示的載波模式生成三相開關(guān)序列，實現(xiàn)調(diào)制。

表1為本發(fā)明不同鉗位方式對應(yīng)的載波模式表

實施例中：分別選取不同的調(diào)制度m以及功率因數(shù)pf進行實驗，驗證本發(fā)明調(diào)制方法的正確性，其中u為輸出線電壓峰值，u′a,u′b,u′c分別為采用本發(fā)明獲得的調(diào)制電壓，uab為本發(fā)明獲得的線電壓波形。

對比圖5a、圖6a；圖5b、圖6b；圖5c、圖6c可知，在m＝0.4,pf＝0.94；m＝0.4,pf＝0.17；m＝0.8,pf＝0.94時，無論直流側(cè)上下電容是否存在初始電壓差，采用本發(fā)明始終能夠重新平衡中點電位，即不存在明顯的直流偏移和交流波動。此外，三電平變流器的輸出電流正弦度較好。

對比圖5d、圖6d可知，在m＝0.8,pf＝0.17時，無論直流側(cè)上下電容是否存在初始電壓差，采用本發(fā)明均能有效控制中點電位，不存在明顯的直流偏移，但存在較小的三倍頻波動。此外，三電平變流器的輸出電流正弦度較好。