一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法技术

一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法。所述控制方法在中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；为对中点电位平衡进行实时调节，所述控制方法首先判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量的作用时间因子，利用作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，可实现对中点电位的动态平衡调节。本发明专利技术控制方法可以将三电平NPC变流器中点电位偏差控制在较小范围内，提高三电平NPC变流器的可靠性。

A Neutral Point Potential Balance Control Method for Three-level NPC Converter

A neutral-point potential balance control method for three-level NPC converter is presented. When the neutral point potential oscillation exceeds the limit value, the control method aims at keeping the neutral point potential oscillation to zero in each sampling period, and obtains the corresponding neutral point potential balance formulas in different sectors and regions. In order to adjust the neutral point potential balance in real time, the control method first determines the sector and region where the current command voltage is located, and then detects the three-phase current value. And the space vector angle is substituted into the current sector and region corresponding neutral point potential balance formula to calculate, and the action time factor of redundant small vectors is obtained. Using the action time factor to control the action time of two redundant small vectors, the dynamic balance adjustment of neutral point potential can be realized. The control method of the invention can control the neutral point potential deviation of the three-level NPC converter in a small range, and improve the reliability of the three-level NPC converter.

【技术实现步骤摘要】
一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法
本专利技术涉及一种中点电位平衡控制方法，尤其涉及一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法。
技术介绍
三电平NPC(NeutralPointClamped)变流器的拓扑如图1所示，通过控制三相由上到下各四个开关器件P1、P2、P3、P4的导通与关断，三电平NPC变流器可输出三种不同的电平状态。三电平NPC变流器具有体积较小、结构简单，易实现能量双向流动的优点，目前被普遍应用于中高压大功率电机的调速场合。SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation)是三电平NPC变流器经常使用的一种调制策略。经典的SVPWM方法基于最近三矢量原则，即通过三相电压dq变换得到指令电压Vref，然后将指令电压Vref与采样周期的乘积分解为三个电压空间矢量与各自作用时间的乘积，通过合理安排三个电压空间矢量的作用顺序来输出目标电压，从而实现调制。三电平NPC变流器在各空间角度区间内的电压空间矢量分布如图2所示。图2中VA、VB、VC分别对应A相、B相、C相的相电压，诸如0°、90°等角度代表对应度数的空间矢量角，即三相电压dq变化后所得到指令电压Vref与A相相电压之间的夹角。定义指令电压Vref与A相重合时的空间矢量角为0°，360度空间矢量角对应一个电压基波周期。图2诸如PPP、PPO等代表相应的电压空间矢量，图2中各电压空间矢量对应的开关状态总结于表1。表1SVPWM各电压空间矢量及对应的开关状态如表1所示，SVPWM各电压空间矢量依据幅值大小可分为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，其中，零矢量和小矢量存在冗余状态。对于小矢量，空间矢量角相位相同的两个P型小矢量和N型小矢量互为冗余小矢量。各冗余小矢量及其对应流经中点的电流总结于表2。表2冗余小矢量及其对应的中点电流表2中，io对应流经中点的中点电流，ia、ib、ic分别对应A相、B相、C相的相电流。由表2知，两个冗余小矢量对应流经中点的电流方向相反，故两个冗余小矢量对中点电位的影响相反。对于图1三电平NPC变流器，如果一个采样周期内，流入中点的电流与时间的乘积不等于流出中点的电流与时间的乘积，会导致电容C1、C2的充电电压和放电电压不相等，进而造成中点电位不平衡。不平衡的中点电位会在输出电压中产生低次谐波并使三电平NPC变流器某半边桥臂的开关器件承受过高的电压，危及运行安全，因此必须要采取措施保证三电平NPC变流器中点电位平衡。现有中点电位平衡控制方法可分类为硬件方法和软件方法。文献《基于混合SVPWM方法的NPC三电平逆变器中点电压平衡控制》(邵虹君，[D].天津:天津大学,2012:4-7)详细对比了常见的硬件方法和软件方法。相比于硬件方法，软件方法不需要增加额外的硬件设备和控制系统就能控制中点电压平衡，其能够减小体积、节省成本，是一种较好的选择。三电平NPC变流器通常使用的软件方法可分为两类：1)滞环控制：基本原理是当出现中点电位不平衡现象时，根据三相电流的方向，选取有利于中点电位平衡的冗余小矢量开关状态来进行调控。滞环控制的优点是不会增加开关频率，缺点是在调制比较大或功率因数角较低时，存在不可调控区域。2)主动控制：代表方法有虚拟空间矢量法。主动控制优点是在全调制比和功率因数角范围内都可以调控中点电位平衡，缺点是会增加三分之一的开关频率。对于大功率三电平NPC变流器，开关器件每次动作的开关损耗不可忽视，因此要尽量减少开关器件的开关频率。滞环控制只在调制比较大或功率因数角较低时存在不可控区域，在绝大多数情况下可以有效控制中点电位平衡。因此对于大功率三电平NPC变流器，滞环控制是最常用的中点电位平衡控制方法。滞环控制需要设计滞环控制参数，滞环控制参数值设计是否得当会直接影响到系统对中点电位平衡的控制效果。当滞环控制参数值设计不够精密时，系统的鲁棒性较差，对中点电位平衡的控制效果较差。而且在不同工况下，滞环控制参数值可能不同，需要重新设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述缺点，提出一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法。本专利技术三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法原理和滞环控制相同，均是利用重新分配两个冗余小矢量的作用时间来维持中点电位平衡，但不同于传统滞环方法，本专利技术控制方法无需设计滞环控制参数，只需知道三相电流值和空间矢量角值，便可在线计算出两冗余小矢量作用时间因子。本专利技术控制方法可以将三电平NPC变流器中点电位偏差控制在较小范围内，提高了三电平NPC变流器的可靠性。本专利技术三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法在中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；为对中点电位平衡进行实时调节，本专利技术控制方法首先判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量作用时间因子，利用冗余小矢量作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，可实现对中点电位的动态平衡调节。在中点电位振荡超过限定值时，本专利技术三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法具体如下：1、判断当前指令电压所在扇区位置编号；本专利技术控制方法利用空间矢量角θ值判断各扇区位置编号，具体判断方法如下：1)当0≤θ＜π/3，当前扇区编号为扇区0；2)当π/3≤θ＜2π/3，当前扇区编号为扇区1；3)当2π/3≤θ＜π，当前扇区编号为扇区2；4)当π≤θ＜4π/3，当前扇区编号为扇区3；5)当4π/3≤θ＜5π/3，当前扇区编号为扇区4；6)当5π/3≤θ＜2π，当前扇区编号为扇区5。2、判断当前指令电压所在区域位置编号；本专利技术控制方法利用t1、t2、t3和θ1的大小判断各扇区内区域位置编号，具体判断方法如下：式(1)中，Ts为采样周期，m为调制比，t1、t2、t3为判断各扇区内区域位置的时间因子，θ1为当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应的角度，有θ1＝θ-int(θ/(π/3))，int表示将一个数值向下取整为最接近的整数。1)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,0≤θ1＜π/6，当前区域编号为区域1；2)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,π/6＜θ1≤π/3，当前区域编号为区域2；3)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,0≤θ1＜π/6，当前区域编号为区域3；4)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ1≤π/3，当前区域编号为区域4；5)当t1≥0,t2≥0,t3＜0,0≤θ1＜π/6，当前区域编号为区域5；6)当t1＜0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ1≤π/3，当前区域编号为区域6。各扇区和区域位置表示为扇区编号.区域编号，如扇区0的区域1位置，表示为0.1，扇区1的区域1位置，表示为1.1。3、检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量的作用时间因子k；本专利技术控制方法以保持每个采样周期内中点电压振荡为零为计算目标，计算出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式。当中点电位振荡超过限定值时，本专利技术控制方法通过检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量作用时间因子k。各扇区和区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法在三电平NPC变流器中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将所述的三相电流值和空间矢量角代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式，计算得出冗余小矢量作用时间因子，利用冗余小矢量作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，实现对中点电位的动态平衡调节。

【技术特征摘要】
1.一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法在三电平NPC变流器中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将所述的三相电流值和空间矢量角代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式，计算得出冗余小矢量作用时间因子，利用冗余小矢量作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，实现对中点电位的动态平衡调节。2.根据权利要求1所述的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法判断各扇区位置编号的方法如下：1)当0≤θ＜π/3，当前扇区编号为扇区0；2)当π/3≤θ＜2π/3，当前扇区编号为扇区1；3)当2π/3≤θ＜π，当前扇区编号为扇区2；4)当π≤θ＜4π/3，当前扇区编号为扇区3；5)当4π/3≤θ＜5π/3，当前扇区编号为扇区4；6)当5π/3≤θ＜2π，当前扇区编号为扇区5；上述判断方式中，θ对应空间矢量角。3.根据权利要求1所述的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法判断各区域位置编号的方法如下：上式中，Ts为采样周期，m为调制比，t1、t2、t3为判断各扇区内区域位置的时间因子，θ1为当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应的角度，有θ1＝θ-int(θ/(π/3))，int表示将一个数值向下取整为最接近的整数；利用时间因子t1、t2、t3和当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应角度θ1的大小判断各扇区内区域位置编号，方法如下：1)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,0≤θ1＜π/6，当前区域编号为区域1；2)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,π/6＜θ1≤π/3，当前区域编号为区域2；3)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,0≤θ1＜π/6，当前区域编号为区域3；4)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ1≤π/3，当前区域编号为区域4；5)当t1≥0,t2≥0,t3＜0,0≤θ1＜π/6，当前区域编号为区域5；6)当t1＜0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ1≤π/3，当前区域编号为区域6；各扇区和区域位置表示为扇区编号.区域编号，扇区0的区域1位置，表示为0.1，扇区1的区域1位置，表示为1.1。4.根据权利要求1所述的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，在三电平NPC变流器中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电压振荡为零为计算目标，得出各扇区和区域内对应的中点电位平衡公式如下：位置0.1，位置0.2，位置0.3，位置0...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛琼璇，高瞻，赵鲁，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11