一种二极管箝位三电平逆变器共模电压抑制方法技术

一种适用于二极管箝位三电平逆变器的共模电压抑制方法，其特征在于所述的方法将输出电压合成的矢量中去除正小矢量，同时维持中点电压平衡。根据逆变器需要输出电压所在扇区小区编号，选择基础空间矢量，包含零矢量、过渡小矢量、中矢量和大矢量。为了控制中点电压平衡，引入与过渡小矢量互差120度的两个负小矢量作为第一附加小矢量和第二附加小矢量。根据过渡小矢量、第一附加小矢量和第二附加小矢量对应的三相电流与中点电压偏差，将中点电压控制分为3种工况，计算每种工况对中点电压的控制能力，控制能力最大者为最优工况。根据选择的最优工况计算各矢量最终作用时间，控制电力电子器件通断，将输出共模电压幅值降为1/6直流母线电压。

Diode clamping three level inverter common mode voltage suppression method

The utility model relates to a common mode voltage suppression method suitable for diode clamped three level inverters, which is characterized in that the method removes the positive small vectors in the vector synthesized by the output voltage and maintains the midpoint voltage balance. According to the inverter, the cell number of the output voltage is required, and the base space vector is selected, including zero vector, transition small vector, middle vector and large vector. In order to control the neutral point voltage balance, two negative small vectors with 120 degrees of mutual difference between the small transition vectors are introduced as the first additional small vectors and the second additional small vectors. According to the three-phase current and neutral point voltage deviation, the first additional small small transition vector vector and second additional small vectors corresponding to the midpoint voltage control is divided into 3 conditions, calculate the control ability of each working condition of the neutral point voltage, the ability to control the maximum for optimal conditions. The final operation time of each vector is calculated according to the optimized conditions, and the output voltage of the common mode voltage is reduced to 1/6 DC bus voltage.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于二极管箝位三电平逆变器的共模电压抑制方法。
技术介绍
随着能源和环境问题的突出，世界各国正在把更多目光投向可再生能源，其中风力发电已经成为目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式。在风力发电中，需要PWM变频器对电能进行处理，其中由二极管箝位三电平逆变器组成的四象限变流器具有能量转换效率高、控制相对简单、du/dt低等优点被广泛采用，但是在其应用过程中存在一些负面效应，典型问题为逆变器产生的高频共模电压。高频共模电压会在发电机转轴上感应出高频轴电压，进而形成轴电流，腐蚀发电机轴承。高频共模电压与发电机绕组寄生电容相互作用，降低绕组对地绝缘；同时高频共模电压产生很强的电磁干扰，影响其它控制系统和电子设备的正常运行。随着电压的升高，电力设备可供设计的电压裕量越来越小，考虑到多电平结构是实现高电压的典型途径，研究多电平PWM逆变器输出共模电压抑制技术具有重要的理论意义和实用价值。文献《多电平SPWM变频器中共模电压抑制技术的研究》姜艳姝,徐殿国等.、《多电平逆变器共模电压的抑制》赵莉,宋平岗等，提出采用软件方式抑制逆变器共模电压输出，但均未考虑中点电压平衡控制。而中点电压平衡是二极管箝位三电平逆变器稳定运行的基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有共模电压抑制方法不能控制中点电压平衡的缺点，提出一种降低二极管箝位三电平逆变器输出共模电压的抑制方法，在达到共模电压抑制的同时能控制中点电压平衡。本专利技术将二极管箝位三电平逆变器的矢量空间分为6个扇区，每个扇区细分为2个小区，根据小矢量作用时中点电流与对应相电流方向，将小矢量分为正小矢量和负小矢量，采用不含正小矢量的PWM(NPSVPWM)矢量合成策略，在输出电压合成的矢量中去除正小矢量，同时维持中点电压平衡；将参与输出电压合成的负小矢量按照矢量合成关系分为过渡小矢量、第一附加小矢量和第二附加小矢量，并根据不同小矢量作用时对中点电压的控制能力推导出最优工况选择标准，实现对中点电压有效控制。本专利技术可将逆变器输出共模电压幅值由原来的1/3直流母线电压降低到1/6直流母线电压。对于二极管箝位三电平逆变器，由12个IGBT和6个箝位二极管组成。用开关变量Sa、Sb、Sc分别表示三电平逆变器各桥臂开关状态，0、1、2三个状态分别对应桥臂-0、三个电压输出。定义三电平逆变器的开关状态为SaSbSc，则三电平逆变器共有27个开关状态，分别对应19个空间状态。将整个矢量空间分成6个扇区，每个扇区分成2个小区，用(xy)表示，x代表扇区号，y代表小区号，比如(12)区表示第1扇区第2小区。矢量根据长短分为4类：零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，位于0点的为零矢量，长度位于小矢量圆的为小矢量，长度位于中矢量圆的为中矢量，长度位于大矢量圆的为大矢量。小矢量有1个冗余状态，零矢量有2个冗余状态。定义三相电流Iabc和中点电流Im均以输出为正，如果小矢量作用时对应中点电流与相电流方向相同，称为正小矢量，如100,122；如果小矢量作用时对应中点电流与相电流相反，则称为负小矢量，如011、211。不同矢量对应不同共模电压幅值|VN0|，如表1所示。其中，Udc为逆变器直流母线电压。表1其中，中矢量对应共模电压幅值|VN0|＝0，大矢量对应共模电压幅值正小矢量对应共模电压幅值负小矢量对应共模电压幅值零矢量111对应共模电压幅值|VN0|＝0，零矢量000、222对应共模电压幅值如果参与合成输出电压的矢量状态不包含000、222两个零矢量，逆变器输出共模电压幅值将从降低到如果再去掉正小矢量，则逆变器输出共模电压幅值将从降低到去除000、222两个零矢量，去除6个正小矢量，剩余的19个矢量位置唯一对应19个空间状态。为了实现抑制共模电压输出的目的，参与输出电压合成的矢量去除两个零矢量000和222，去除6个正小矢量。对于各小区采用零矢量111，负小矢量、中矢量和大矢量4个基础矢量参与输出电压合成。各小区参与输出电压合成的基础矢量如表2所示。表2选择合成输出电压所用的矢量，求取每个矢量作用时间。对于每个开关序列，为了控制中点电压平衡，优先采用中矢量和大矢量；负小矢量用于状态过渡分配最小作用时间Tmin，称为过渡小矢量；零矢量用于剩余时间填充。设过渡小矢量Vst作间为Tst，中矢量Vm作用时间为Tm，大矢量Vl作用时间为Tl，零矢量V0作用时间为T0，扇区号为n。定义逆变器需要输出电压Uoαβ在α轴分量为Uα，在β轴分量为Uβ，设最大矢量长度为对各矢量根据直流母线电压Udc进行标幺化，中矢量大矢量各扇区第1小区时过渡小矢量计算第1小区各矢量作用时间如式(1)所示。各扇区第2小区时，小矢量计算第2小区各矢量作用时间如式(2)所示。公式(1)和公式(2)中，T0为零矢量V0的作用时间，Tst为过渡小矢量Vst的作用时间、Tm为中矢量Vm的作用时间，Tl为大矢量Vl的作用时间，n为扇区号，Tmin为过渡小矢量分配的最小作用时间，Vα和Vβ分别为逆变器需要输出电压U0αβ在α轴和β轴分量。每个开关序列包含一个负小矢量用于状态过渡，单一负小矢量累积作用将使中点电压失去失衡，必须引入其它的负小矢量作为附加小矢量，引入互差120度的其它两个负小矢量是合适的，一方面过渡小矢量和引入的两个负小矢量作用分别对应不同的三相电流，可以满足中点电压的实时控制需求，另一方面保证一个PWM周期内各桥臂器件最多动作一次。本专利技术将引入的其它两个负小矢量分别称为第一附加小矢量和第二附加小矢量。其中，与大矢量一起合成中矢量的附加小矢量命名为第一附加小矢量，与中矢量一起合成0.5倍大矢量的附加小矢量命名为第二附加小矢量。本专利技术关于过渡小矢量、第一附加小矢量、第二附加小矢量的定义以及对中点电压的控制作用，以第(11)小区为例进行详细说明。第(11)小区参与输出电压合成基础矢量包含大矢量200，中矢量210，过渡小矢量211和零矢量111。另外，根据中点电压控制需要，引入121作为第一附加小矢量或引入112作为第二附加小矢量参与输出电压合成，附加小矢量121与大矢量200可以合成中矢量210，附加小矢量112与中矢量210可以合成0.5倍大矢量200。引入附加小矢量后，依据过渡小矢量Vst、第一附加小矢量Vsa1和第二附加小矢量Vsa2作用对应中点电流符号和中点电压调整方向将对中点电压的控制分为3种工况，，过渡小矢量调整中点电压对应工况1，第一附加小矢量调整中点电压对应工况2，第二附加小矢量调整中点电压对应工况3。以第(11)小区为例对工况1、工况2、工况3进行详细描述。工况1：过渡小矢量作用对应中点电流符号满足中点电压控制要求，调整过渡小矢量作用时间控制中点电压。对于第(11)小区，大矢量200与过渡小矢量211相位相同，长度相差1倍，过渡小矢量211作用对应中点电流Im＝-Ia，A相电流为输出时211作用使中点电压升高，A相电流为输入时211作用使中点电压降低。过渡小矢量211对中点电压调整最直接，但是半个基波周期内只能朝着一个方向控制。工况2：第一附加小矢量作用对应电流符号满足中点电压控制要求，增加第一附加小矢量参与输出电压合成。对于第(11)小区，第一附加小矢量121作用对应中点电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二极管箝位三电平逆变器共模电压抑制方法，其特征在于：所述的方法将二极管箝位三电平逆变器的矢量空间分为6个扇区，每个扇区细分为2个小区，根据小矢量作用时中点电流与对应相电流方向，将小矢量分为正小矢量和负小矢量，采用不含正小矢量的PWM(NPSVPWM)矢量合成策略，在输出电压合成的矢量中去除正小矢量，同时维持中点电压平衡；将参与输出电压合成的负小矢量按照矢量合成关系分为过渡小矢量、第一附加小矢量和第二附加小矢量，并根据不同小矢量作用时对中点电压的控制能力推导出最优工况选择标准，实现对中点电压有效控制。

【技术特征摘要】
1.一种二极管箝位三电平逆变器共模电压抑制方法，其特征在于：所述的方法将二极管箝位三电平逆变器的矢量空间分为6个扇区，每个扇区细分为2个小区，根据小矢量作用时中点电流与对应相电流方向，将小矢量分为正小矢量和负小矢量，采用不含正小矢量的PWM(NPSVPWM)矢量合成策略，在输出电压合成的矢量中去除正小矢量，同时维持中点电压平衡；将参与输出电压合成的负小矢量按照矢量合成关系分为过渡小矢量、第一附加小矢量和第二附加小矢量，并根据不同小矢量作用时对中点电压的控制能力推导出最优工况选择标准，实现对中点电压有效控制。2.根据权利要求1所述的二极管箝位三电平逆变器共模电压抑制方法，其特征在于所述方法的步骤如下：步骤1，将二极管箝位三电平逆变器的整个360度矢量空间按照角度进行划分，每60度为一个扇区，共分为6个扇区，编号依次为1～6；每个扇区60度空间按照角度再进行细分，前30度空间为第1小区，后30度空间为第2小区；整个矢量空间共分为12个小区；根据逆变器需要输出电压Uoαβ识别扇区与小区编号，具体为：对逆变器需要输出电压Uoαβ在α轴和β轴分量Uα和Uβ求取反正切得到矢量空间角度θ，矢量空间角度θ除以60，向上取整即为扇区号；同时余数小于30度为第1小区，余数大于等于30度为第2小区；步骤2，根据逆变器需要输出电压Uoαβ所在扇区小区编号，选择参与输出电压合成的基础空间矢量，所述的基础空间矢量包含零矢量V0、过渡小矢量Vst、中矢量Vm和大矢量Vl；步骤3，根据逆变器需要输出电压Uoαβ所在扇区小区编号，计算零矢量V0、过渡小矢量Vst、中矢量Vm、大矢量Vl的作用时间，分别记为T0、Tst、Tm和Tl；步骤4，为了实现中点电压Uneut平衡控制，根据逆变器需要输出电压Uoαβ所在扇区小区编号，将与过渡小矢量Vst空间位置相差120度的两个负小矢量作为第一附加小矢量Vsa1和第二附加小矢量Vsa2；其中，与基础矢量中的大矢量Vl共同合成中矢量Vm的附加小矢量命名为第一附加小矢量Vsa1，与基础矢量中的中矢量Vm共同合成0.5倍大矢量Vl的附加小矢量命名为第二附加小矢量Vsa2；步骤5，根据逆变器需要输出电压Uoαβ所在扇区小区编号，参照过渡小矢量Vst、第一附加小矢量Vsa1和第二附加小矢量Vsa2对应的三相电流Iabc和中点电压Uneut偏差，计算3种工况对中点电压的控制能力e，控制能力e包含e1、e2和e3，其中e1对应工况1，e2对应工况2，e3对应工况3；选择控制能力e最大者为最优运行工况；步骤6，根据步骤2选择的基础空间矢量，步骤4选择的附加小矢量，步骤5选择的最优运行工况，步骤3计算的各基础矢量作用时间，代入式(3)、式(4)或式(5)计算各矢量最终作用时间，生成开关序列，控制对应电力电子器件通断，实现逆变器需要的电压输出。3.根据权利要求2所述的二极管箝位三电平逆变器共模电压抑制方法，其特征在于所述步骤3计算零矢量V0、过渡小矢量Vst、中矢量Vm、大矢量Vl的作用时间按照以下公式进行：各扇区第1小区时各矢量作用时间如式(1)所示：Tst=TminTm=2cos(2n+1)π6Uα+2sin(2n+1)π6UβTl=-32cos(n+1)π3Uα-32sin(n+1)π3Uβ-Tmin2T0=-12cos(2n-1)π6Uα-12sin(2n-1)π6Uβ-Tmin2+1---(1)]]>各扇区第2小区时各矢量作用时间如式(2)所示：Tst=TminTm=2cos(2n-3)π6Uα+2sin(2n-3)π6UβTl=32cos(n+1)π3Uα+32sin(n+1)π3Uβ-Tmin2T0=-12cos(2n-1)π6Uα-12sin(2n-1)π6U...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕佃顺，林资旭，张勇波，王贵鹏，张伟华，任晓娜，陈立权，徐铮，李海东，武鑫，许洪华，
申请(专利权)人：科诺伟业风能设备北京有限公司，保定科诺伟业控制设备有限公司，北京科诺伟业科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11