中点箝位五电平变换器的调制与电容电压平衡控制方法技术

本发明专利技术涉及一种中点箝位五电平变换器的调制与电容电压平衡控制方法，其步骤：确定五电平载波交叠PWM调制策略；注入零序电压，根据五电平载波交叠PWM调制策略控制母线第一、第四电容电压相等；通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压相等；继续通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压和与母线第一、第四电容电压和相等，完成对母线四个电容电压的平衡控制。本发明专利技术控制简单、易于实现，能够实现中点箝位型五电平变换器在全调制比和全功率因数范围内的母线电容电压平衡控制。

Modulation and Capacitor Voltage Balance Control Method for Neutral-Point Clamped Five-Level Converter

The invention relates to a modulation and capacitance voltage balance control method for a neutral-point clamped five-level converter. The steps are as follows: determining the five-level carrier overlapping PWM modulation strategy; injecting zero-sequence voltage to control the first and fourth capacitance voltages of buses to be equal according to the five-level carrier overlapping PWM modulation strategy; and controlling the second and third capacitance voltage phases of buses by fine-tuning the duty ratio of the switch tube control signal. The second and third capacitor voltages of the bus are controlled by adjusting the duty ratio of the control signal of the switch tube, and the first and fourth capacitor voltages of the bus are equal to each other to achieve the balanced control of the four capacitor voltages of the bus. The control method of the invention is simple and easy to realize, and can realize the bus capacitor voltage balance control of the neutral point clamped five-level converter in the range of full modulation ratio and full power factor.

【技术实现步骤摘要】
中点箝位五电平变换器的调制与电容电压平衡控制方法
本专利技术涉及一种多电平变换器的控制方法，特别是关于一种中点箝位五电平变换器的调制方法与电容电压平衡控制方法。
技术介绍
中点箝位型(Neutral-PointClamped，NPC)三电平变换器由于结构简单，使用器件少等优点，在工业中得到了广泛的应用，尤其适合3.3kV及以下电压等级功率变换场合，在轧钢、海上风电等领域得到了广泛的应用。但当电平数增加到四电平或五电平时则存在母线电容电压难以平衡的问题，限制了其在更高电压场合的应用。采用二极管箝位的中点箝位型五电平变换器如图1所示，其输入为恒定直流电压，通过四个相同的电容将直流母线分为相等的四段，其难点在于如何实现四个直流母线电容的电压平衡控制。常用的调制策略包括载波层叠PWM和空间矢量PWM两种。五电平载波层叠PWM示意图如图2所示，具有控制简单、易于实现、谐波性能好等优点，但无法实现中点箝位型五电平逆变器全调制比和全功率因数范围内的母线电容电压平衡，一般需要采用额外的硬件箝位或者采用背靠背结构，大大增加了系统体积和成本。空间矢量PWM示意图如图3所示，随着电平数的增多控制算法复杂，具有大量的冗余矢量，为实现母线电容电压平衡控制，通常利用不同冗余矢量对电容电压波动具有相反作用效果的原理，通过调整冗余矢量的作用时间来实现中点电位的平衡控制。但五电平空间矢量PWM具有大量的三角形扇区，一方面需要判断参考矢量所在扇区并进行相应运算，另一方面在采用冗余矢量实现母线电容平衡控制的同时要考虑不同矢量之间的切换以保证开关动作次数最少，不仅计算量大，编程实现也极其复杂。专利
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种中点箝位五电平变换器的调制与电容电压平衡控制方法，其能实现中点箝位型五电平变换器直流母线四个电容的电压平衡控制，具有控制简单、计算量小以及易于实现等优点。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种中点箝位五电平变换器的调制与电容电压平衡控制方法，其包括以下步骤：1)确定五电平载波交叠PWM调制策略；2)注入零序电压，根据五电平载波交叠PWM调制策略控制母线第一、第四电容电压相等；3)通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压相等；4)继续通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压和与母线第一、第四电容电压和相等，完成对母线四个电容电压的平衡控制。进一步，所述步骤1)中，五电平载波交叠PWM调制策略确定方法如下：四个载波Cr1、Cr2、Cr3、Cr4的相位相同，周期均为TS，分别对应上桥臂四个开关管Sx1、Sx2、Sx3、Sx4，其中x代表三相桥臂a、b、c；载波Cr1和Cr4为层叠的三角波，幅值均为2，Cr1层叠在Cr4之上，Cr1的最低点A对应坐标是(TS/2,2)，最高点B和C坐标分别是(0,4)和(TS,4)，Cr4的最低点D对应坐标是(TS/2,0)，最高点E和F坐标分别是(0,2)和(TS,2)；将线段EAF等分为6份，得到G、H、I、J四个点坐标分别为(TS/6,2)、(TS/3,2)、(2TS/3,2)、(5TS/6,2)；折线BHDIC构成载波Cr2，折线BGDJC构成载波Cr3；假设桥臂输出参考电压为urefx，取值范围是0≤urefx≤4，将参考电压urefx与载波Cr1、Cr2、Cr3、Cr4分别比较则得到开关管Sx1、Sx2、Sx3、Sx4的控制信号：当参考电压大于载波时对应开关管控制信号为高电平，反之则为低电平。进一步，所述步骤2)中，注入零序电压，根据五电平载波交叠PWM调制策略使母线第一、第四电容电压相等的控制方法包括以下步骤：2.1)根据a、b、c三相参考电压的初始值urefa、urefb、urefc计算出所有可选的关键零序电压；2.2)根据三相电流计算各个关键零序电压对应的母线中点电流；2.3)根据母线第一、第四电容电压差计算所需的目标中点电流；2.4)将各关键零序电压对应的中点电流与目标中点电流进行比较，选取使得两个中点电流相差最小的那个零序电压为最优零序电压uzopt；2.5)将最优零序电压与三相参考电压相加得到最终三相参考电压，利用五电平载波交叠PWM调制策略，实现母线第一、第四电容电压的平衡控制。进一步，所述步骤2.1)中，关键零序电压的计算方法如下：将三相参考电压的初始值urefa、urefb、urefc排序，从大到小分别对应umax、umid、umin；若umid-umin>2，则存在2个关键零序电压：-umin和4-umax；若umid-umin<2且umax-umin>2，则存在3个关键零序电压：-umin、2-umid和4-umax；若umax-umin<2，则存在5个关键零序电压：-umin、2-umax、2-umid、2-umin和4-umax。进一步，所述步骤2.2)中，各个关键零序电压对应的母线中点电流计算方法包括以下步骤：2.2.1)计算注入零序电压uz之后的实际参考电压urefx'为：urefx'＝urefx+uz；其中，urefx为桥臂初始参考电压；2.2.2)计算三相中点电流之和其中，iox为x相输出电流。进一步，所述步骤2.3)中，目标中点电流的计算方法如下：首先计算母线第一、第四电容电压差：ΔuN＝ud4-ud1，ud1为母线第一电容电压，ud4为母线第四电容电压；为平衡该电压差所需的目标中点电流iNref为：其中，Ts为载波周期，Cd为单个母线电容值。进一步，所述步骤3)中，通过微调开关管控制信号占空比使母线第二、第三电容电压相等的控制方法，包括以下步骤：3.1)根据母线第二、第三电容的电压差以及负载电流极性，分别判断每相四个开关管控制信号占空比的微调方向；3.2)采用已有PI控制或滞环控制算法计算每相控制信号占空比的第一次微调量Δdx1；3.3)根据每相参考电压以及四个控制信号占空比的微调方向和第一次微调量Δdx1得到最终占空比，实现母线第二、第三电容电压的平衡控制。进一步，所述步骤3.1)中，微调上桥臂开关管Sx2、Sx3的控制信号占空比dx2、dx3的宽度，其包括以下步骤：3.1.1)当ud2>ud3且iox>0、或ud2<ud3且iox<0时，需要减小dx3-dx2；为保证输出电压平均值不变，需要将dx3减小Δdx1，dx2增大Δdx1；ud2为母线第二电容电压，ud3为母线第三电容电压，iox为x相输出电流；3.1.2)当ud2>ud3且iox<0、或ud2<ud3且iox>0时，需要增大dx3-dx2；为保证输出电压平均值不变，需要将dx3增大Δdx1，dx2减小Δdx1。进一步，所述步骤4)中，通过微调开关管控制信号占空比实现母线第二、第三电容电压和与母线第一、第四电容电压和相等的方法，包括以下步骤：4.1)根据母线第二、第三电容电压和与母线第一、第四电容电压和的差值以及负载电流极性，分别判断每相四个开关管控制信号占空比的微调方向；4.2)采用已有PI控制或滞环控制算法计算每相控制信号占空比的第二次微调量Δdx2；4.3)根据每相参考电压以及四个控制信号占空比的微调方向和第二次微调量Δdx2得到最终占空比，实现母本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中点箝位五电平变换器的调制与电容电压平衡控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定五电平载波交叠PWM调制策略；2)注入零序电压，根据五电平载波交叠PWM调制策略控制母线第一、第四电容电压相等；3)通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压相等；4)继续通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压和与母线第一、第四电容电压和相等，完成对母线四个电容电压的平衡控制。

【技术特征摘要】
1.一种中点箝位五电平变换器的调制与电容电压平衡控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定五电平载波交叠PWM调制策略；2)注入零序电压，根据五电平载波交叠PWM调制策略控制母线第一、第四电容电压相等；3)通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压相等；4)继续通过微调开关管控制信号占空比控制母线第二、第三电容电压和与母线第一、第四电容电压和相等，完成对母线四个电容电压的平衡控制。2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤1)中，五电平载波交叠PWM调制策略确定方法如下：四个载波Cr1、Cr2、Cr3、Cr4的相位相同，周期均为TS，分别对应上桥臂四个开关管Sx1、Sx2、Sx3、Sx4，其中x代表三相桥臂a、b、c；载波Cr1和Cr4为层叠的三角波，幅值均为2，Cr1层叠在Cr4之上，Cr1的最低点A对应坐标是(TS/2,2)，最高点B和C坐标分别是(0,4)和(TS,4)，Cr4的最低点D对应坐标是(TS/2,0)，最高点E和F坐标分别是(0,2)和(TS,2)；将线段EAF等分为6份，得到G、H、I、J四个点坐标分别为(TS/6,2)、(TS/3,2)、(2TS/3,2)、(5TS/6,2)；折线BHDIC构成载波Cr2，折线BGDJC构成载波Cr3；假设桥臂输出参考电压为urefx，取值范围是0≤urefx≤4，将参考电压urefx与载波Cr1、Cr2、Cr3、Cr4分别比较则得到开关管Sx1、Sx2、Sx3、Sx4的控制信号：当参考电压大于载波时对应开关管控制信号为高电平，反之则为低电平。3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步骤2)中，注入零序电压，根据五电平载波交叠PWM调制策略使母线第一、第四电容电压相等的控制方法包括以下步骤：2.1)根据a、b、c三相参考电压的初始值urefa、urefb、urefc计算出所有可选的关键零序电压；2.2)根据三相电流计算各个关键零序电压对应的母线中点电流；2.3)根据母线第一、第四电容电压差计算所需的目标中点电流；2.4)将各关键零序电压对应的中点电流与目标中点电流进行比较，选取使得两个中点电流相差最小的那个零序电压为最优零序电压uzopt；2.5)将最优零序电压与三相参考电压相加得到最终三相参考电压，利用五电平载波交叠PWM调制策略，实现母线第一、第四电容电压的平衡控制。4.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述步骤2.1)中，关键零序电压的计算方法如下：将三相参考电压的初始值urefa、urefb、urefc排序，从大到小分别对应umax、umid、umin；若umid-umin>2，则存在2个关键零序电压：-umin和4-umax；若umid-umin<2且umax-umin>2，则存在3个关键零序电压：-umin、2-umid和4-umax；若umax-umin<2，则存在5个关键零序电压：-umin、2-umax、2-umid、2-umin和4-umax。5.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述步骤2.2)中，各个关键零序电压对应的母线中点电流计算方法包括以下步骤：2.2.1)计算注入零序电压uz之后的实际参考电压urefx'为：urefx'＝urefx+uz；其中，urefx为桥臂初始参考电压；2.2.2)计算三相中点电流之和其中，iox为x相输出电流。6.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，目标中点电流的计算方法如下：首先计算母线第一、第四电容电压差：ΔuN＝ud4-ud1，u...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奎，郑泽东，李永东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11