参数在线整定的中点电压控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种参数在线整定的中点电压控制系统及方法。该系统包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括采样单元、数字锁相环单元、输出闭环控制单元、PI参数在线整定单元、中点电压PI控制单元和SVPWM矢量控制单元；所述SVPWM矢量控制单元的输出端经驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管。利用本发明专利技术提出的参数在线整定的中点电压控制系统及方法，能够抑制中点电压直流偏置和中点电压波动，实现中点电压平衡控制。

【技术实现步骤摘要】
参数在线整定的中点电压控制系统及方法
本专利技术属于电力电子变换技术中的控制
，特别是一种参数在线整定的中点电压控制系统及方法。
技术介绍
随着电力电子器件的迅速发展，高压大功率的电力电子装置及交流调速系统在炼钢轧钢工业系统、电化学工业系统、铁路船舶动力系统等领域得到了广泛的应用。这些电力电子装置都具有控制要求高、功率大、电压等级高、系统复杂等特点。两电平逆变器存在开关损耗高、电磁干扰大、开关管承受的电压应力高等诸多限制使得两电平逆变器很难满足这些应用场合。与两电平逆变器相比，多电平逆变器输出电平数多，所得到的阶梯波平台阶数多，从而越接近标准正弦波，其谐波成分越少，多电平逆变器的出现为高压大功率系统的实现提供了一种兼顾高性能和大容量的可能，其电路拓扑结构与控制方法成为了当今的研究热点。多电平逆变器的拓扑大体可以分为三类：中点箝位型、级联型、飞跨电容型，其中应用最广泛的为中点箝位型逆变器。以三电平逆变器为例，三电平中点箝位型逆变器可分为二极管箝位型(NPC)逆变器和T型逆变器。理想情况下，这两种拓扑中直流母线电压被上下直流母线电容均分；但实际应用中，由于各种原因使得上下直流母线电容分压不均衡，即中点电压不平衡，其表现形式可分为：(1)中点电压直流偏置；(2)中点电压波动。中点电压不平衡现象会导致输出波形质量差、功率开关管不安全运行、严重时影响系统正常工作。所以中点电压平衡控制问题一直是三电平逆变器的研究重点。针对该问题，国内外学者提出诸多解决中点电压平衡问题的方法，常用的方法主要分为改变硬件拓扑的方法和调节控制算法的软件实施方法。改变硬件拓扑的方法有：(1)多个直流源法；用直流源代替直流母线分压电容；(2)附加硬件电路法。硬件方法的优点是控制效果不受逆变器的工况和负载变化的影响，但是都会增加硬件成本。因此，目前研究最多中点电压平衡控制方法是基于控制算法的软件实施方法，例如：(1)基于空间矢量调制进行中点电压平衡的研究；(2)基于载波调制进行中点电压平衡的研究。第一种方法的实现主要是通过重新分配冗余正负小矢量的作用时间实现中点电压平衡。第二种方法的实现主要是通过在调制波中加入零序分量实现中点电压平衡。例如：文献1(龚博,程善美,秦忆.基于载波的三电平中点电压平衡控制策略[J].电工技术学报,2013,28(6):172-177.)和专利1(程善美,龚博,宁博文,刘江.一种基于载波幅移的NPC型三电平逆变器中点电压控制方法:中国,CN201210140269.0.2012-09-19.)提出了一种基于载波变幅的SPWM控制方案，通过采样中点电压实时改变载波幅值实现消除中点电压直流偏置，但该方法控制的对象为中点电压不平衡分量在一个工频周期的平均值，因此对于中点电压的波动无控制效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种控制方法简单、易于数字实现的参数在线整定的中点电压控制系统及方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种参数在线整定的中点电压控制系统，包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中：所述数字处理控制模块包括采样单元、数字锁相环单元、输出闭环控制单元、PI参数在线整定单元、中点电压PI控制单元和SVPWM矢量控制单元；所述采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；所述SVPWM矢量控制单元的输出端经驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管；在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号，经输出闭环控制单元处理得到三相参考相电压信号；采样单元采集到的逆变器输出的相电压、逆变器输出的相电流信号经数字锁相环单元得到相电压、相电流的相角差即功率因数角数字锁相环单元得到的功率因数角采样单元得到的三相电流信号经PI参数在线整定单元处理得到PI参数；PI参数在线整定单元得到的PI参数、采样单元得到的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、输出闭环控制单元处理得到三相参考相电压信号Va、Vb、Vc经中点电压PI控制单元得到新的三相参考相电压信号Va'、Vb'、Vc'，该三相参考相电压信号经SVPWM矢量控制单元处理得到脉宽调制控制信号；所述脉宽调制信号经驱动电路控制控制三电平逆变器正常工作，且实现了对中点电压直流偏置和中点电压波动有效抑制，从而控制中点电压平衡。根据本专利技术的改进，还提出一种基于前述中点电压控制系统的参数在线整定的中点电压控制方法，该方法在每个工频周期根据当前三相电流幅值、功率因数角在线整定中点电压PI控制器的PI参数，采样单元得到的直流母线电压以及直流母线中点电压信号经过中点电压PI控制器校正后得到三相参考相电压的调节量实时调节三相参考相电压信号，从而达到调节中点电压的目的，包括以下步骤：步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；步骤2、输出闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号以及参考基准信号进行比例积分微分调节，输出三相参考相电压信号Va、Vb、Vc；步骤3、数字锁相环单元对步骤1中采集到的相电压、相电流信号进行处理得到相电压、相电流的相角差即功率因数角步骤4、PI参数在线整定单元对步骤1中采集到的三相电流信号和步骤3中得到的功率因数角信号进行处理得到中点电压PI控制单元的PI参数；步骤5、中点电压PI控制单元对步骤1中采集到的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、步骤2中得到的三相参考相电压信号Va、Vb、Vc和步骤4中得到的PI参数进行处理，得到动态调节量叠加至三相参考相电压信号上，得到新的三相参考相电压信号Va'、Vb'、Vc'；步骤6、SVPWM矢量控制单元将步骤5中得到的新的三相参考相电压信号Va'、Vb'、Vc'进行矢量运算，获得能够抑制中点电压直流偏置和中点电压波动的脉宽调制控制信号；步骤7、驱动电路将步骤6中所得脉宽调制控制信号分配给三电平逆变器每相桥臂各个开关管，控制三电平逆变器的工作状态，同时抑制中点电压直流偏置和中点电压波动，从而调节中点电压平衡。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)该控制方法的动态响应快；在负载突变或功率突变等工作条件改变时，PI参数在线整定单元能够根据当前的系统工作状况实时整定出合适的PI参数，从而有效控制中点电压平衡；(2)当出现中点电压不平衡时，该控制方法能迅速消除中点电压直流偏置分量，有效抑制中点电压波动；(3)该控制方法减少了输出电压、电流谐波，提高了输出波形质量，且控制方法简单、实时性好，便于数字化实现。附图说明图1是本专利技术参数在线整定的中点电压控制系统的结构图。图2a-2b分别是NPC型和T型三电平逆变器拓扑结构图。图3是SVPWM空间矢量分布图。图4是SVPWM调制方法的A相等效调制波。图5是标幺化处理之后，控制前后的直流母线电容电压之差变化图。图6是中点电压PI控制的简化框图。图7是本专利技术提出的参数在线整定的中点电压控制方法的流程图。图8是实施例中本专利技术的控制方法下直流侧母线电容电压V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种参数在线整定的中点电压控制系统，其特征在于，包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中：所述数字处理控制模块包括采样单元、数字锁相环单元、输出闭环控制单元、PI参数在线整定单元、中点电压PI控制单元和SVPWM矢量控制单元；所述采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；所述SVPWM矢量控制单元的输出端经驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管；在每个开关周期内，所述数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号，经输出闭环控制单元处理得到三相参考相电压信号；所述采样单元采集到的三电平逆变器输出的相电压、三电平逆变器输出的相电流信号经数字锁相环单元得到相电压、相电流的相角差即功率因数角所述数字锁相环单元得到的功率因数角采样单元得到的三相电流信号经PI参数在线整定单元处理得到PI参数；所述PI参数在线整定单元得到的PI参数、采样单元得到的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、输出闭环控制单元处理得到三相参考相电压信号Va、Vb、Vc经中点电压PI控制单元得到新的三相参考相电压信号V′a、V′b、V′c，该三相参考相电压信号经SVPWM矢量控制单元处理得到脉宽调制控制信号；所述脉宽调制信号经驱动电路控制控制三电平逆变器正常工作，实现对中点电压直流偏置和中点电压波动的抑制，从而控制中点电压平衡。...

【技术特征摘要】
1.一种基于参数在线整定的中点电压控制系统的参数在线整定的中点电压控制方法，其特征在于，所述参数在线整定的中点电压控制系统，包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中：所述数字处理控制模块包括采样单元、数字锁相环单元、输出闭环控制单元、PI参数在线整定单元、中点电压PI控制单元和SVPWM矢量控制单元；所述采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；所述SVPWM矢量控制单元的输出端经驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管；所述的中点电压控制方法在每个工频周期根据三电平逆变器输出的三相电流幅值、功率因数角信息，在线整定出中点电压PI控制器的PI参数，在每个开关周期采集直流母线电压以及直流母线中点电压，经中点电压PI控制器校正后得到三相参考相电压的调节量实时调节三相参考相电压信号，从而达到调节中点电压平衡的目的，其具体实现包括以下步骤：步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；步骤2、输出闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号以及参考基准信号进行比例积分微分调节，输出三相参考相电压信号Va、Vb、Vc；步骤3、数字锁相环单元对步骤1中采集到的相电压、相电流信号进行处理得到相电压、相电流的相角差即功率因数角；步骤4、PI参数在线整定单元对步骤1中采集到的三相电流信号和步骤3中得到的功率因数角信号进行处理得到中点电压PI控制单元的PI参数；步骤5、中点电压PI控制单元对步骤1中采集到的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、步骤2中得到的三相参考相电压信号Va、Vb、Vc和步骤4中得到的PI参数进行处理，得到动态调节量叠加至三相参考相电压信号上，得到新的三相参考相电压信号Va'、Vb'、Vc'；步骤6、SVPWM矢量控制单元将步骤5中得到的新的三...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文斌，吕建国，吴馥云，王艳秋，哈进兵，吴军基，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32