四电平变换器电压平衡调制方法技术

本发明专利技术公开了四电平变换器电压平衡调制方法。针对不含飞跨电容的四电平变换器，本发明专利技术通过PI调节器将中间电容C

Voltage balance modulation method of four level converter

【技术实现步骤摘要】
四电平变换器电压平衡调制方法
本专利技术涉及电压平衡控制领域，具体是四电平变换器电压平衡调制方法。
技术介绍
多电平变换器广泛应用于中压大功率领域，主要包括三电平变换器，五电平变换器，级联多电平变换器等，而四电平变换器的应用相对较少。这主要是因为电平数量为偶数的多电平变换器的电压平衡控制相对于电平数量为奇数的多电平变换器更难以实现。而且，不含飞跨电容的四电平变换器比含飞跨电容的四电平变换器的电压不平衡问题更加难以解决。截止到目前，不含飞跨电容的四电平变换器拓扑主要包括中点钳位四电平变换器I(NeutralPointClampedFour-LevelConverter,NPC-4L-I，如图1所示)，中点钳位四电平变换器II(NeutralPointClampedFour-LevelConverterII,NPC-4L-II，如图2所示)，混合中点钳位四电平变换器(HybridNeutralPointClampedFour-LevelConverter,HNPC-4L，如图3所示)，有源中点钳位四电平变换器(ActiveNeutralPointClampedFour-levelConverter,ANPC-4L，如图4所示)，双T型四电平变换器(DualT-TypeFour-Level,DT-4L，如图5所示)，嵌套四电平变换器(NestedFour-LevelConverter,N-4L，如图6所示)。这6种不含飞跨电容的四电平变换器的直流母线都由三个电容串联组成，没有冗余开关状态。其中，ANPC-4L变换器已于2016年成功商业化应用，具体表现为施耐德电气公司的不间断电源GalaxyVX系列产品。在该产品中，ANPC-4L变换器的直流母线电容电压平衡问题是通过额外的电压平衡电路实现的，该方法不仅增加了成本，而且降低了系统效率和可靠性。为了解决不含飞跨电容的四电平变换器的母线电容电压不平衡问题，针对NPC-4L-I变换器和NPC-4L-II变换器，目前存在一种虚拟空间矢量控制方法，可以实现全调制比范围和全功率因数范围内的电容电压平衡控制，但是该算法计算量大，工程实现难度也较大；针对NPC-4L-I变换器，目前存在一种模型预测控制方法，缺点是计算量大，开关频率不固定；针对ANPC-4L变换器，目前存在一种载波调制方法，但是该方法需要判断输出相电流的流动方向，算法相对复杂。另外，通过引入飞跨电容，增加冗余开关状态，可以解决电容电压不平衡问题。有学者提出了如图7所示的嵌套中点钳位四电平变换器(NestedNeutralPointClampedFour-LevelConverter,NNPC-4L)和如图8所示的T型嵌套中点钳位四电平变换器(T-TypeNestedNeutralPointClampedFour-LevelConverter,TNNPC-4L)，以及如图9所示的混合钳位四电平变换器(HybridClampedFour-LevelConverter,HC-4L)。这三种四电平变换器都属于含飞跨电容的四电平变换器，飞跨电容的引入，增加了冗余开关状态，可以很好地解决电容电压不平衡问题。其中，针对NNPC-4L变换器，目前存在简化型虚拟空间矢量调制方法，不仅克服电容电压不平衡问题，而且减小了飞跨电容在低频工况下的电压纹波，但是该算法相对复杂，不易于工程实现；针对HC-4L变换器，，目前存在一种注入零序电压和载波移相调制方法，该方法可以实现直流母线电容和飞跨电容的平衡控制，但是该算法无法减小电容电压低频纹波，限制了HC-4L变换器在电机控制领域的应用。基于以上分析，不含飞跨电容的四电平变换器没有被广泛应用，究其原因是其直流母线电容电压平衡问题不容易解决，尽管一些学者提出了相应的电压平衡算法，但存在计算量大，开关频率不固定，逻辑判段复杂等缺点。而含飞跨电容的四电平变换器存在低频电压波动问题，限制了其在电机控制等领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，不含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，主要包括以下步骤：1)确定三相电压ux，即：ua＝1.5mVmsin(2πfmt)。(1)ub＝1.5mVmsin(2πfmt-2π/3)。(2)uc＝1.5mVmsin(2πfmt+2π/3)。(3)式中，x＝a,b,c。1.5Vm为三角载波VIcarr1和三角载波VIcarr3的幅值，fm为基波频率。2)注入零序电压3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：urefx＝ux+uz+1.5Vm。(4)4)利用PI调节器实现三角载波VIcarr2的变幅值控制，从而将中间母线电容电压UC2稳定在1/3Udc。PI调节器的输入为hΔUC2，输出为k1。h为工作模式参数。Udc为直流母线电压。电压差ΔUC2＝1/3Udc-Uc2。当四电平变换器工作在逆变模式，参数h等于1。当四电平变换器工作在整流模式，参数h等于-1。利用三角载波VIcarr1和三角载波VIcarr3实现上母线电容电压和下母线电容电压的自动平衡，从而完成母线三个电容电压的平衡控制。所述三角载波VIcarr1、三角载波VIcarr2和三角载波VIcarr3的相位和载波频率相同。三角载波VIcarr1幅值为1.5Vm，三角载波VIcarr1的最低点为1.5Vm，三角载波VIcarr1最高点为3Vm。三角载波VIcarr3的幅值为1.5Vm，三角载波VIcarr3的最低点为0，三角载波VIcarr3最高点为1.5Vm。三角载波VIcarr2的幅值为k1*VIcarr3。利用三角载波VIcarr1和三角载波VIcarr3实现上母线电容电压和下母线电容电压的自动平衡，从而完成母线三个电容电压的平衡控制。所述三角载波VIcarr1、三角载波VIcarr2和三角载波VIcarr3相位相同。三角载波VIcarr1幅值为1.5Vm，三角载波VIcarr1的最低点为1.5Vm，三角载波VIcarr1最高点为3Vm。三角载波VIcarr3的幅值为1.5Vm，三角载波VIcarr3的最低点为0，三角载波VIcarr3最高点为1.5Vm。三角载波VIcarr2的幅值为k1*Vcarr3。不含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，主要包括以下步骤：1)确定三相电压ux，即：ua＝Vmsin(2πfmt)。(5)ub＝Vmsin(2πfmt-2π/3)。(6)uc＝Vmsin(2πfmt+2π/3)。(7)式中，x＝a,b,c。Vm为三角载波Vcarr0的幅值，fm为基波频率。2)注入零序电压3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：urefx＝ux+uz。(8)4)将三相参考电压urefx分解为参考信号uIIrefx1、参考信号uIIrefx2和参考信号uIIrefx3，即：uIIrefx1＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.不含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：/n1)确定三相所述电压u

【技术特征摘要】
20191220 CN 20191132772501.不含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)确定三相所述电压ux，即：
ua＝1.5mVmsin(2πfmt)；(1)
ub＝1.5mVmsin(2πfmt-2π/3)；(2)
uc＝1.5mVmsin(2πfmt+2π/3)；(3)
式中，x＝a,b,c；1.5Vm为三角载波VIcarr1和三角载波VIcarr3的幅值，fm为基波频率；
2)注入零序电压
3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：
urefx＝ux+uz+1.5Vm；(4)
4)利用PI调节器实现三角载波VIcarr2的变幅值控制，从而将中间母线电容电压UC2稳定在1/3Udc；PI调节器的输入为hΔUC2，输出为k1；h为工作模式参数；Udc为直流母线电压；电压差ΔUC2＝1/3Udc-UC2；当四电平变换器工作在逆变模式，参数h等于1；当四电平变换器工作在整流模式，参数h等于-1；
利用三角载波VIcarr1和三角载波VIcarr3实现上母线电容电压和下母线电容电压的自动平衡，从而完成母线三个电容电压的平衡控制；
所述三角载波VIcarr1、三角载波VIcarr2和三角载波VIcarr3相位相同；三角载波VIcarr1幅值为1.5Vm，三角载波VIcarr1的最低点为1.5Vm，三角载波VIcarr1最高点为3Vm；三角载波VIcarr3的幅值为1.5Vm，三角载波VIcarr3的最低点为0，三角载波VIcarr3最高点为1.5Vm；三角载波VIcarr2的幅值为k1*VIcarr3。


2.不含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)确定三相电压ux，即：
ua＝mVmsin(2πfmt)；(5)
ub＝mVmsin(2πfmt-2π/3)；(6)
uc＝mVmsin(2πfmt+2π/3)；(7)
式中，x＝a,b,c；Vm为三角载波Vcarr0的幅值，fm为基波频率；
2)注入零序电压
3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：
urefx＝ux+uz；(8)
4)将三相参考电压urefx分解为参考信号uIIrefx1、参考信号uIIrefx2和参考信号uIIrefx3，即：
uIIrefx1＝urefx；(9)
uIIrefx2＝uIIrefx3/k2；(10)
uIIrefx3＝uIIrefx1+Vm；(11)
5)利用PI调节器对参考信号uIIrefx2进行控制，从而将中间母线电容电压UC2稳定在1/3Udc；PI调节器的输入为hΔUC2，输出为k2；h为工作模式参数；Udc为直流母线电压；
利用三角载波信号Vcarr0对参考信号uIIrefx1和参考信号uIIrefx3进行调制，并利用调制后的参考信号uIIrefx1和参考信号uIIrefx3实现上母线电容电压和下母线电容电压的自动平衡，从而完成母线三个电容电压的平衡控制；三角载波信号Vcarr0幅值为Vm。


3.不含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)确定三相电压ux，即：
ua＝1.5mVmsin(2πfmt)；(12)
ub＝1.5mVmsin(2πfmt-2π/3)；(13)
uc＝1.5mVmsin(2πfmt+2π/3)；(14)
式中，x＝a,b,c；1.5Vm为三角载波VIIIcarr1和三角载波VIIIcarr3的幅值，fm为基波频率；
2)注入零序电压
3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：
urefx＝ux+uz+1.5Vm；(15)
4)基于三相参考电压urefx，确定调制信号uIIIrefx2＝urefx/k3；
5)利用PI调节器对参考信号uIIIrefx2进行控制，从而将中间母线电容电压UC2稳定在1/3Udc；PI调节器的输入为hΔUC2，输出为k3；h为工作模式参数；Udc为直流母线电压；
6)利用三角载波VIIIcarr1和三角载波VIIIcarr3实现上母线电容电压和下母线电容电压的自动平衡，从而完成母线三个电容电压的平衡控制；
所述三角载波VIIIcarr1和三角载波VIIIcarr3相位相同；其中，三角载波VIIIcarr1幅值为1.5Vm，三角载波VIIIcarr1的最低点为1.5Vm，三角载波VIIIcarr1最高点为3Vm；三角载波VIIIcarr3的幅值为1.5Vm，三角载波VIIIcarr3的最低点为0，最高点为1.5Vm。


4.不含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)确定三相电压ux，即：
ua＝1.5mVmsin(2πfmt)；(16)
ub＝1.5mVmsin(2πfmt-2π/3)；(17)
uc＝1.5mVmsin(2πfmt+2π/3)；(18)
式中，x＝a,b,c；Vm为三角载波Vcarr0的幅值，fm为基波频率；
2)注入零序电压
3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：
urefx＝ux+uz+1.5Vm；(19)
4)将三相参考电压urefx分解为参考信号uIVrefx1和参考信号uIVrefx3，即：
uIVrefx1＝uIVrefx3-Vm；(20)
uIVrefx3＝urefx/1.5；(21)
5)利用PI调节器实现对三角载波VIVcarr2的变幅值控制，从而将中间母线电容电压UC2稳定在1/3Udc；PI调节器的输入为hΔUC2，输出为k4；h为工作模式参数；Udc为直流母线电压；
利用三角载波Vcarr0对参考信号uIVrefx1和参考信号uIVrefx3进行调制，并利用调制后的参考信号uIVrefx1和参考信号uIVrefx3实现上母线电容电压和下母线电容电压的自动平衡，从而完成母线三个电容电压的平衡控制。其中，三角载波Vcarr0幅值为Vm，三角载波VIVcarr2幅值为k4*Vcarr0。


5.适用于NNPC-4L变换器和TNNPC-4L变换器的含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)确定三相电压ux，即：
ua＝1.5mVmsin(2πfmt)；(22)
ub＝1.5mVmsin(2πfmt-2π/3)；(23)
uc＝1.5mVmsin(2πfmt+2π/3)；(24)
式中，x＝a,b,c；1.5Vm为三角载波VVcarr1和三角载波VVcarr3的幅值，fm为基波频率；
2)注入零序电压
3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：
urefx＝ux+uz+1.5Vm；(25)
4)利用PI调节器实现三角载波VVcarr2的变幅值控制，从而将中间母线电容电压UC2稳定在1/3Udc；PI调节器的输入为hΔUC2，输出为k5；h为工作模式参数；Udc为直流母线电压；ΔUC2为电压差；
利用三角载波VVcarr1和三角载波VVcarr3实现上母线电容电压和下母线电容电压的自动平衡，从而完成母线三个电容电压的平衡控制；
所述三角载波VVcarr1、三角载波VVcarr2和三角载波VVcarr3的相位和载波频率相同；三角载波VVcarr1幅值为1.5Vm，三角载波VVcarr1的最低点为1.5Vm，三角载波VVcarr1最高点为3Vm；三角载波VVcarr2的幅值为3Vm，三角载波VVcarr2的最低点为0，三角载波VVcarr2最高点为3Vm；三角载波VVcarr3幅值为1.5Vm，三角载波VVcarr3的最低点为0，三角载波VVcarr3最高点为1.5Vm；
5)Udc为直流母线电压；定义飞跨电容Cfx1的实际电压Ufx1与参考电压1/3Udc之间的电压差为ΔUfx1，定义飞跨电容Cfx2的实际电压Ufx2与参考电压1/3Udc之间的电压差为ΔUfx2，即：






6)通过选择不同的冗余开关状态实现飞跨电容Cfxi的充电或放电，以达到平衡飞跨电容Cfxi电压的目的；其中，当电压差△Ufxi>0时，飞跨电容Cfxi放电，直至△Ufxi＝0；当电压差△Ufxi<0时，飞跨电容Cfxi充电，直至电压差△Ufxi＝0；I＝1,2。


6.适用于NNPC-4L变换器和TNNPC-4L变换器的含飞跨电容四电平变换器电压平衡调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)确定三相电压ux，即：
ua＝mVmsin(2πfmt)；(28)
ub＝mVmsin(2πfmt-2π/3)；(29)
uc＝mVmsin(2πfmt+2π/3)；(30)
式中，x＝a,b,c；Vm为三角载波Vcarr0的幅值，fm为基波频率；
2)注入零序电压
3)计算注入零序电压uz后的三相参考电压urefx，即：
urefx＝ux+...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑飞，樊蓉，
申请(专利权)人：樊蓉，
类型：发明
国别省市：宁夏;64