一种控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法技术

本发明专利技术涉及一种控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法，其步骤包括：1）检测中点电压的大小，对其偏离给定值的程度进行计算；2）根据中点偏离的程度，选择出适当的开关序列

【技术实现步骤摘要】
一种控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法
本专利技术涉及一种五电平逆变器母线中点电压平衡的实现方法，尤其涉及一种有源中点箝位型五电平逆变器母线中点电压平衡的方法。
技术介绍
由于有源中点箝位型五电平变换器结合了二极管箝位型和电容箝位型五电平变换器的优点，该拓扑结构只有一个中点，与传统二极管箝位型结构相比大大简化了中点电压控制的复杂程度，同时由于结构中只有一个悬浮电容，这样使得控制既不像电容箝位型那样控制复杂，同时又增加了控制系统的灵活性。目前现有技术中有采用载波PWM调制算法通过对调制波叠加零序分量达到控制中点电压的目的，但是零序电压的计算比较复杂，同时，载波PWM在直流母线电压利用率及调制范围等方面不如SVPWM。另外还有采用了一种混合箝位型的五电平逆变器拓扑结构，尽管该拓扑结构可以很好的解决直流侧电容电压的平衡问题，但该结构含有大量的二极管和电容器，增加了系统的体积和成本，很难实用。本专利技术针对上述研究存在的缺点，以ANPC-5L逆变器为研究对象，结合SVPWM调制算法对母线中点电压控制方面的研究空白进行研究分析。采用基于线电压坐标系下的SVPWM调制算法，对母线中点电压的波动进行分析，通过计算推导出中点电压控制的理论公式，最后根据公式通过灵活的选择开关序列和复用矢量的作用时间，实现了直流母线中点电压的平衡控制，同时在实现中点电压平衡的同时还实现了悬浮电容电压的稳定。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法，够有效的降低中点电压的纹波幅值，取得很好的控制效果。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法，包括以下步骤：1)检测中点电压的大小，对其偏离给定值的程度进行计算；2)根据中点偏离的程度，选择出适当的开关序列N；3)根据中点偏离的程度结合N的取值，合理的选取k的值。优选的，所述步骤1)中对其偏离给定值的程度进行计算公式为：ΔV＝(Vup+Vdown)/2-Vup＝(Vdown-Vup)/2优选的，所述步骤1)开关序列N选择公式为:N＝floor[k(Num-3)+1]其中，1≤N≤Num-3，Num为参考矢量所在三角形三个顶点冗余开关状态的总数，0≤k≤1，uup、udown分别为上母线和下母线电压，kdc定义为直流母线的不平衡度，一般取5％，φ为逆变器输出功率因数角。优选的，所述步骤3),计算K的公式为：式中，kvf为逆变器容许的最大不平衡电压。在工程应用中，一般采用直流母线的5％。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点，1)采用闭环控制实现了悬浮电容电压的平衡控制；2)针对ANPC-5L逆变器的中点电压的不平衡的本质进行研究，得出中点电压与中点电流的关系式，结合线电压坐标系下的SVPWM控制算法的特点，得出了平衡母线中点电压的控制公式；3)通过计算和分析提出了平衡母线中点电压的控制方法，即通过中点电压偏差的幅值大小选择不同的开关序列N和复用矢量的作用时间比值k，从而达到稳定中点电压的目的，实验表明中点电压的波动较小，有效的抑制了中点的波动。附图说明图1ANPC-5L逆变器单相拓扑结构；图2悬浮电容控制的流程图；图3ANPC-5L逆变器主电路图；图4不同坐标系下的五电平电压空间矢量图；图5五电平逆变器在不同矢量下与负载连接状态图；图6负载相电压与电流实验波形及电流频谱分析图；图7三相悬浮电容电压实验波形；图8上下母线电容电压实验波形与下母线电压细节放大图；图9m＝0.85,突加负载前后A相悬浮电容电压、上下母线电容电压及A相电流实验波形；图10m＝0.2,突加负载前后A相悬浮电容电压、上下母线电容电压及A相电流实验波形。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。NPC-5L逆变器单相拓扑结构如图1所示。图中母线电容为三相桥臂共用，该拓扑结构五电平每个桥臂由12个开关管、1个电容器构成。设直流母线电压为4E，悬浮电容Cf上的电压为E，则上下母线电容Cup、Cdown上的电压均为2E，每个开关管所承受的电压为E。电流io、in、if的正方向为图1中箭头指向，以直流母线中点为参考地，则每相桥臂可输出5种电平：+2E、+E、0、-E、-2E，共8种不同的开关状态V0-V7，其所有的开关状态及不同的电流流向对悬浮电容的影响通过表1可直观看出。由于Sa1与Sa1、Sa2与Sa2、Sa3与Sa3脉冲互补，因此表中只列出Sa1、Sa2、Sa3三路脉冲。表1ANPC-5L开关状态及各电流流向关系表Tab.1SwitchstatesandallcurrentsflowRelationsofANPC-5LANPC-5L逆变器的正常运行包含两个必要的条件：首先必须保证悬浮电容电压的稳定，其次还要保证母线中点电压的稳定。其中，对悬浮电容控制的优先级要高于对中点电压控制的优先级。通过对图1和表1分析可知，悬浮电容的电压控制与中点电压的控制存在耦合，由于悬浮电容的存在使得当输出电平为-E时对应的开关状态分别为V1和V2，这两种开关状态对中点电压的影响不同，当输出电平为E时对应的开关状态分别为V4和V5，这两种开关状态对中点电压的影响也不同，具体选择何种开关状态取决于悬浮电容电压的控制，因此，这使得中点电压的平衡控制变得极为复杂。对悬浮电容的控制要从ANPC-5L的拓扑结构入手，通过分析图1和表1不难看出，悬浮电容电压的平衡通过简单的闭环控制就可以实现。从表1中我们可以清楚的看出对悬浮电容产生影响的开关状态为V1、V2和V5、V6，其中在电流流向一致的情况下，开关状态V1和V2对悬浮电容的影响恰好相反；同样V5和V6对悬浮电容的影响也相反。因此，当某相输出E和-E两种电平时，通过检测该相电流if的方向和悬浮电容电压的大小就可选出保证悬浮电压稳定的开关状态。该控制方法动态性能好，在电容值不是很大的情况下也可以把悬浮电容电压控制在很小的波动范围内。图2是悬浮电容控制的流程图。ANPC-5L逆变器主电路图如图3所示。五电平逆变器每相可输出5种不同的电平，三相电压矢量合成时会合成125个电压空间矢量如图4(a)所示。图4(a)中各组合(如332)从左至右三个元素分别代表a、b、c三相的开关状态。在ANPC-5L逆变器中，数字0代表开关状态V0，数字1代表开关状态V1或V2，数字2代表开关状态V3或V4，数字3代表开关状态V5或V6，数字4代表开关状态V7。根据三电平的输出特性并结合图4不难看出，除最外层六边形外，其他六边形上的每个点对应多组开关状态，但这些开关状态对应输出的线电压状态却只有1种。因此，不妨令vab、vbc、vca为五电平逆变器输出的线电压，则它与相电压的对应关系式为新坐标系下的三个坐标值代表的是输出线电压，不妨定义新的坐标系为线电压坐标系。图4(b)为线电压坐标系下的五电平电压空间矢量图。坐标变换的好处：1)通过变换可以对五电平电压空间矢量进行简化，电压空间矢量数目从125个简化到61个；2)变换后三相坐标轴表示一个二维矢量体现了三相对称的特点，便于数学分析；3)变换后三个坐标值代表的是三相输出的线电压，物理意义明确；4)通过变换后，无论是计算参考矢量的合成矢量还是求解合成矢量所对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)检测中点电压的大小，对其偏离给定值的程度进行计算；2)根据中点偏离的程度，选择出适当的开关序列N；3)根据中点偏离的程度结合N的取值，合理的选取k的值。

【技术特征摘要】
1.一种控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)检测中点电压的大小，对其偏离给定值的程度进行计算；2)根据中点偏离的程度，选择出适当的开关序列N；3)根据中点偏离的程度结合N的取值，合理的选取k的值。2.根据权利要求1所述的控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法，其特征在于所述步骤1)中对其偏离给定值的程度进行计算公式为：△V＝(Vup+Vdown)/2-Vup＝(Vdown-Vup)/2。3.根据权利要求1所述的控制五电平逆变器母线中点电压平衡的方法，其特征在于所述步骤1)开关序列N选择公式为:N＝floor[k(Num-3)+1]。其中，1...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭国俊，刘战，刘毅，杨波，
申请(专利权)人：徐州中矿大传动与自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32