一种三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法，所述中点电位平衡控制方法包括以下步骤：对三相正序电压注入零序电压后获取到的三相参考电压进行调制波分解，获取满足中点电位平衡的三相正、负调制波表达式；以功率开关管的开关频率作为指标对取值范围内的零序电压进行优化选取；利用正调制波补偿策略提高抗干扰能力；将补偿后的调制波与载波进行比较，最终得到三电平NPC逆变器所有功率开关管的开关序列。与现有的单调制波零序电压注入载波调制方法相比，本发明专利技术拓展了满足中点电位平衡的零序电压的可取值范围，且不存在中点电位不可控区。

【技术实现步骤摘要】
一种三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法
本专利技术涉及驱动电机的功率变换器控制领域，尤其涉及一种基于零序电压注入载波调制和双调制波调制原理的三电平NPC逆变器的控制方法，用于解决中点电位不平衡的问题。
技术介绍
中高压大功率场合，相比于传统两电平变换器，多电平变换器在相同开关频率下具有更好的输出电压和电流质量，且每个开关管承受的电压和输出电压du/dt显著减小，因而得到了广泛的应用。三电平中点箝位(neutral-point-clamped，NPC)逆变器是一种常用的多电平变换器拓扑结构，且已在风力发电、光伏发电、机车牵引等领域获得应用。三电平NPC逆变器采用正弦脉宽调制(sinusoidalpulse-widthmodulation，SPWM)策略和传统空间矢量脉宽调制(spacevectorpulse-widthmodulation，SVPWM)策略进行调制时，由于电容充放电不均，存在中点电位不平衡的问题。如不加以控制，输出电压的波形质量会受到较大的影响，严重时可能导致功率器件的损坏。此外，中点电位不平衡也对电容的容量及功率器件的耐压等级提出了更高的要求。目前，为解决此问题，学者们提出了许多优化调制方法，主要有：(1)单调制波载波调制方法，通过向三相正序参考电压中注入零序电压来使得平均中点电流为零，达到平衡中点电位的目的。现有的通过调整小矢量的冗余开关状态来使中点电位平衡的空间矢量调制方法本质上与其相同。这类方法的一个固有缺点是存在中点电位不可控区，即在调制度较高、负载功率因数较小的情况下，无论注入何种零序电压均不能保证中点电位平衡；(2)双调制波载波调制方法，通过双调制波原理将原有调制波分解为特定的正、负调制波来使平均中点电流为零，达到平衡中点电位的目的。现有的通过将逆变器的27个矢量合成为虚拟矢量来使中点电位平衡的虚拟空间矢量调制方法本质上与其相同。这类方法在实现中点电位平衡时不存在中点电位不可控区，但是会增加功率开关管的开关频率至未进行分解时的4/3倍。上述现有技术虽然能实现三电平NPC逆变器的中点电位平衡，但却存在中点电位不可控区或以牺牲功率开关管的开关频率作为代价。
技术实现思路
本专利技术提供了一种三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法，本专利技术可以在不增加功率开关管开关频率的前提下实现中点电位的平衡，而且不存在中点电位不可控区，详见下文描述：一种三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法，所述中点电位平衡控制方法包括以下步骤：对三相正序电压注入零序电压后获取到的三相参考电压进行调制波分解，获取满足中点电位平衡的三相正、负调制波表达式；以功率开关管的开关频率作为指标对取值范围内的零序电压进行优化选取；利用正调制波补偿策略提高抗干扰能力；将补偿后的调制波与载波进行比较，最终得到三电平NPC逆变器所有功率开关管的开关序列。所述以功率开关管的开关频率作为指标对取值范围内的零序电压进行优化选取的原则具体为：选取除vm以外的零序电压可取值范围边界作为最终所注入的零序电压v0；为了保证调制波形的连续性，v0选则连续曲线；其中，vm为能使的零序电压可取值范围的边界；和为三相正序参考电压的中间相y相的正、负调制波。所述利用正调制波补偿策略提高抗干扰能力具体为：式中，i∈(a，b，c)，是i相的补偿电压；vir为i相的参考电压；ii为i相的负载电流；为i相的正调制波；ΔUC＝UC1-UC2，UC1和UC2为电容电压；为补偿策略所用PI控制器的传递函数，控制器中kp为比例项系数，ki为积分项系数，s为拉氏变换所用的复变量。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：(1)本专利技术对三相正序电压注入零序电压后得到的三相参考电压进行调制波分解，并构造了调制波分解后的中点电位平衡条件，与现有的单调制波零序电压注入载波调制方法相比，本专利技术拓展了满足中点电位平衡的零序电压的可取值范围，且不存在中点电位不可控区。(2)本专利技术以功率器件的开关频率作为指标对分解后零序电压可取值范围内的零序电压进行优化选取，注入优化选取的零序电压并进行调制波分解后，功率器件的开关频率较现有的双调制波载波调制方法减小了25％。附图说明图1为三电平NPC逆变器拓扑结构图；图2为两种不同分解情况下的调制波与开关序列示意图；图3为本专利技术中点电位平衡控制方法实现结构框图；图4为三相正序参考电压及区间划分示意图；图5a为负载功率因数角为-π/3，m∈(0,1]，θ∈[0,π/3]时的v0max(m,θ)和v0min(m,θ)曲面图；图5b为负载功率因数角为-π/6，m∈(0,1]，θ∈[0,π/3]时的v0max(m,θ)和v0min(m,θ)曲面图；图5c为负载功率因数角为π/6，m∈(0,1]，θ∈[0,π/3]时的v0max(m,θ)和v0min(m,θ)曲面图；图5d为负载功率因数角为π/3，m∈(0,1]，θ∈[0,π/3]时的v0max(m,θ)和v0min(m,θ)曲面图；图6为θ∈[0,π/3]时现有单调制波方法与本方法的开关序列对比示意图；图7为m＝0.7，时优化选取的v0(θ)曲线图；图8为传统单调制波方法、现有的双调制波调制方法与本方法的调制波、电容电压及开关管Sa1的开关序列对比示意图；图9a为m＝0.3、时本方法与现有单调制波方法的调制波、电容电压及线电压对比示意图；图9b为m＝0.9、时本方法与现有单调制波方法的调制波、电容电压及线电压对比示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1本专利技术实施例通过对三相正序电压注入零序电压后得到的三相参考电压进行调制波分解得到正、负调制波，并得到分解后的正、负调制波约束条件和中点电位平衡条件。说明如下：三电平NPC逆变器拓扑结构如图1所示，图中，Udc为直流侧电压，UC1、UC2为电容C1、C2的电压，ia、ib、ic为三相负载电流。三电平NPC逆变器每一相都有3种开关状态，以a相为例，Sa1和Sa2开通、Sa3和Sa4关断时，输出相电压为Udc/2，设为状态“p”；Sa2和Sa3开通、Sa1和Sa4关断时，输出相电压为0，设为状态“o”；Sa3和Sa4开通、Sa1和Sa2关断时，输出相电压为-Udc/2，设为状态“n”。对于三电平NPC逆变器，调制过程中的所有电压量均以逆变器直流侧电压的0.5倍为基准进行标么化处理，正序电压注入零序电压之后的参考电压可表示为vir＝vi+v0(1)式中，vi为三相正序电压，m为调制度，可取值范围为(0,1]；θ＝ωt为相角值，ω为角频率；v0为注入的零序电压；vir为参考电压，其中，var为a相参考电压，vbr为b相参考电压，vcr为c相参考电压。注入零序电压不会对负载电流造成影响，可表示为式中，Im为负载电流幅值，为负载功率因数角。设dij为一个载波周期内i相处于j状态的占空比，i∈(a，b，c)，j∈(p，o，n)，则在一个载波周期内，占空比满足基本条件三电平NPC逆变器的中点电位平衡条件是在任意载波周期内中点电流iNP的平均值为零，用占空比可以表示为式中，i∈(a，b，c)，为平均中点电流；ii为i相的负载电流，其中，ia为a相负载电流，ib为b相负载电流，ic为c相负载电流。根据双调制波原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述中点电位平衡控制方法包括以下步骤：对三相正序电压注入零序电压后获取到的三相参考电压进行调制波分解，获取满足中点电位平衡的三相正、负调制波表达式；以功率开关管的开关频率作为指标对取值范围内的零序电压进行优化选取；利用正调制波补偿策略提高抗干扰能力；将补偿后的调制波与载波进行比较，最终得到三电平NPC逆变器所有功率开关管的开关序列。

【技术特征摘要】
1.一种三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述中点电位平衡控制方法包括以下步骤：对三相正序电压注入零序电压后获取到的三相参考电压进行调制波分解，获取满足中点电位平衡的三相正、负调制波表达式；以功率开关管的开关频率作为指标对取值范围内的零序电压进行选取；利用正调制波补偿策略提高抗干扰能力；将补偿后的调制波与载波进行比较，最终得到三电平NPC逆变器所有功率开关管的开关序列；所述以功率开关管的开关频率作为指标对取值范围内的零序电压进行选取的原则具体为：选取除vm以外的零序电压可取值范围边界作为最终所注入的零序电...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长亮，崔福耀，史婷娜，谷鑫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12