基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法技术

一种基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法。针对三电平变流器使用载波调制作为调制策略的情况，所述控制方法在中点电压振荡值ΔU超过限定值时，首先确定冗余小矢量对应的电压U

【技术实现步骤摘要】
基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法
本专利技术涉及一种中点电压平衡控制方法，尤其涉及一种基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法。
技术介绍
三电平中点箝位(Neutral-Point-Clamped,NPC)变流器的主电路拓扑如图1所示。相比传统两电平变流器，三电平变流器具有输出功率高、开关器件电压应力小、输出线电压谐波畸变率低等优点；相比级联H桥等多电平拓扑，三电平变流器具有电路结构简单、便于背靠背运行等优势。因此，三电平变流器在风力发电、电力系统无功补偿、机车牵引等领域得到了广泛应用。中点电压平衡控制是三电平NPC变流器的关键问题。文献《一种通用的基于预测控制的二极管钳位型变流器载波调制均压策略》(崔冬冬,葛琼璇,周志达,等.[J].电工电能新技术,2018,37(4):24-34.)指出，不平衡的中点电压会导致三电平NPC变流器的输出电压畸变和开关器件电压应力增加，为保证三电平NPC变流器的安全可靠运行，必须设计有效的中点电压平衡控制方法。常用的三电平变流器的中点电压平衡控制方法可分为两类：基于空间矢量调制(SpaceVectorPWM，SVPWM)的中点电压平衡控制方法和基于载波调制的中点电压平衡控制方法。文献《基于零序注入的NPC三电平变流器中点电位反馈控制》(谢路耀,金新民,吴学智,等.[J].电工技术学报,2012,27(12):117-128.)指出，两类方法的本质均是重新分配冗余小矢量的占空比，但相比基于SVPWM的中点电压平衡控制方法，基于载波调制的中点电压平衡控制方法无需计算空间矢量的作用时间，工程实现更为方便。以上两类中点电压平衡控制方法中，对冗余小矢量的具体定义和分类如下：定义三电平变流器由高到低输出的三种电平状态分别为P、O、N，则可将三电平变流器的电压空间矢量总结于图2。其中，各电压空间矢量依据其幅值大小可分类为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，而相同相角处的小矢量又可依据输出的三相电平状态进一步分类为P型小矢量和N型小矢量，两者互为冗余小矢量。各电压空间矢量的分类情况总结于表1。文献《三电平ANPC变流器中点电位控制策略研究》(张波,葛琼璇,王晓新,等.[J].电工电能新技术,2016,35(8):1-7.)具体设计了三电平变流器基于载波调制的中点电压平衡控制方表1三电平变流器各电压空间矢量类型法。该方法可以有效控制三电平变流器的中点电压平衡，但同时存在以下两点缺陷：1)需要使用PI控制器，从而需要设计PI参数。当PI参数设计不够精密时，该方法对中点电压平衡的控制效果较差。而且在不同工况下，PI参数值可能不同，需要重新设计；2)叠加零序电压后的调制波存在极性变化，即叠加零序电压后的调制波会在原调制波的正半周出现负值或在原调制波的负半周出现正值。这会导致输出电压和电流严重畸变，而且可能导致相电压两电平跳变，造成安全隐患。
技术实现思路
为克服传统基于载波调制的中点电压平衡控制方法存在的缺陷，本专利技术提出一种基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法。本专利技术无需使用PI控制器，并且所使用的零序电压不会改变调制波的极性。本专利技术可以基于载波调制有效控制三电平变流器的中点电压平衡，其具备实现方便、计算简单、可靠性高的优点。本专利技术基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法针对三电平变流器使用载波调制作为调制策略的情况，在中点电压振荡值ΔU超过限定值时，首先确定冗余小矢量对应的电压Uo和电流io；然后比较三相调制波的幅值绝对值，将三相调制波幅值绝对值最大值对应的调制波定义为maxphase，三相调制波幅值绝对值中间值对应的调制波定义为midphase，三相调制波幅值绝对值最小值对应的调制波定义为minphase；通过检测ΔU×Uo×io的方向，并依据maxphase、midphase和minphase的值，计算得到零序电压Vneu；将零序电压Vneu叠加到三相调制波上，控制中点电压重新恢复平衡。本专利技术基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法具体如下：1、在中点电压振荡值ΔU超过限定值时，确定冗余小矢量对应的电压Uo和电流io；本专利技术控制方法在中点电压振荡值ΔU超过限定值时，首先确定冗余小矢量对应的电压Uo和电流io；定义A相调制波和电流分别为Ua和ia，B相调制波和电流分别为Ub和ib，C相调制波和电流分别为Uc和ic，冗余小矢量对应的电压Uo和电流io的确定方法具体如下：1)当Ua＞0、Ub＜0、Uc＜0，或当Ua＜0、Ub＞0、Uc＞0时，冗余小矢量对应的电压Uo＝Ua，对应的电流io＝ia；2)当Ua＞0、Ub＜0、Uc＞0，或当Ua＜0、Ub＞0、Uc＜0时，冗余小矢量对应的电压Uo＝Ub，对应的电流io＝ib；3)当Ua＞0、Ub＞0、Uc＜0，或当Ua＜0、Ub＜0、Uc＞0时，冗余小矢量对应的电压Uo＝Uc，对应的电流io＝ic。其中，Ua为A相的调制波，ia为A相电流，Ub为B相的调制波，ib为B相电流，Uc为C相的调制波，ic为C相电流。2、判断三相调制波幅值绝对值的最大值对应的调制波maxphase，三相调制波幅值绝对值的中间值对应的调制波midphase和三相调制波幅值绝对值的最小值对应的调制波minphase；本专利技术控制方法通过比较三相调制波的幅值绝对值，将三相调制波幅值绝对值的最大值对应的调制波定义为maxphase，三相调制波幅值绝对值的中间值对应的调制波定义为midphase，三相调制波幅值绝对值的最小值对应的调制波定义为minphase；maxphase、midphase和minphase的具体判断方法如下：1)对于maxphase，当abs(Ua)≥abs(Ub)且abs(Ua)≥abs(Uc)时，令maxphase＝Ua；当abs(Ub)≥abs(Ua)且abs(Ub)≥abs(Uc)时，令maxphase＝Ub；当abs(Uc)≥abs(Ua)且abs(Uc)≥abs(Ub)时，令maxphase＝Uc；2)对于minphase，当abs(Ua)≤abs(Ub)且abs(Ua)≤abs(Uc)时，令minphase＝Ua；当abs(Ub)≤abs(Ua)且abs(Ub)≤abs(Uc)时，令minphase＝Ub；当abs(Uc)≤abs(Ua)且abs(Uc)≤abs(Ub)时，令minphase＝Uc；3)对于midphase，当Ua≠maxphase且Ua≠minphase时，令midphase＝Ua；当Ub≠maxphase且Ub≠minphase时，令midphase＝Ub；当Uc≠maxphase且Uc≠minphase时，令midphase＝Uc；上述判断方法中，Ua、Ub、Uc分别代表A相、B相、C相的调制波，abs代表取绝对值。3、检测中点电压振荡值与冗余小矢量对应的电压和电流的乘积方向；本专利技术控制方法需要检测ΔU×Uo×io的方向，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法针对三电平变流器使用载波调制作为调制策略的情况，在中点电压振荡值ΔU超过限定值时，首先确定冗余小矢量对应的电压U

【技术特征摘要】
1.一种基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法针对三电平变流器使用载波调制作为调制策略的情况，在中点电压振荡值ΔU超过限定值时，首先确定冗余小矢量对应的电压Uo和电流io；然后比较三相调制波的幅值绝对值，将三相调制波幅值绝对值的最大值对应的调制波定义为maxphase，三相调制波幅值绝对值的中间值对应的调制波定义为midphase，三相调制波幅值绝对值的最小值对应的调制波定义为minphase；通过检测ΔU×Uo×io的方向，并依据maxphase、midphase和minphase的值，计算得到零序电压Vneu；将零序电压Vneu叠加到三相调制波上，控制中点电压恢复平衡。


2.根据权利要求1所述的基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法，其特征在于，确定冗余小矢量对应的电压Uo和电流io的方法如下：
1)当Ua＞0、Ub＜0、Uc＜0，或当Ua＜0、Ub＞0、Uc＞0时，冗余小矢量对应的电压Uo＝Ua，对应的电流io＝ia；
2)当Ua＞0、Ub＜0、Uc＞0，或当Ua＜0、Ub＞0、Uc＜0时，冗余小矢量对应的电压Uo＝Ub，对应的电流io＝ib；
3)当Ua＞0、Ub＞0、Uc＜0，或当Ua＜0、Ub＜0、Uc＞0时，冗余小矢量对应的电压Uo＝Uc，对应的电流io＝ic；
其中，Ua为A相的调制波，ia为A相电流，Ub为B相的调制波，ib为B相电流，Uc为C相的调制波，ic为C相电流。


3.根据权利要求1所述的基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述的三相调制波幅值绝对值最大值对应的调制波maxphase，三相调制波幅值绝对值中间值对应的调制波midphase，三相调制波幅值绝对值最小值对应的调制波minphase的判断方法如下：
1)对于三相调制波幅值绝对值的最大值对应的调制波maxphase，当abs(Ua)≥abs(Ub)且abs(Ua)≥abs(Uc)时，令maxphase＝Ua；当abs(Ub)≥abs(Ua)且abs(Ub)≥abs(Uc)时，令maxphase＝Ub；当abs(Uc)≥abs(Ua)且abs(Uc)≥abs(Ub)时，令maxphase＝Uc；
2)对于三相调制波幅值绝对值的最小值对应的调制波minphase，当abs(Ua)≤abs(Ub)且abs(Ua)≤abs(Uc)时，令minphase＝Ua；当abs(Ub)≤abs(Ua)且abs(Ub)≤abs(Uc)时，令minphase＝Ub；当abs(Uc)≤abs(Ua)且abs(Uc)≤abs(Ub)时，令minphase＝Uc；
3)对于三相调制波幅值绝对值的中间值对应的调制波midphase，当Ua≠maxphase且Ua≠minphase时，令midphase＝Ua；当Ub≠maxphase且Ub≠minphase时，令midphase＝Ub；当Uc≠maxphase且Uc≠minphase时，令midphase＝Uc；
上述判断方法中，Ua、Ub、Uc分别代表A相、B相、C相的调制波，abs代表取绝对值。


4.根据权利要求1所述的基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法，其特征在于，定义neuflag代表ΔU×Uo×io的方向，检测ΔU×Uo×io方向的方法如下：
对于三电平逆变器，当(ΔU×Uo×io)≥0时，令neuflag＝1；当(ΔU×Uo×io)＜0时，令neuflag＝-1；
对于三电平整流器，当(ΔU×Uo×io)≥0时，令neuflag＝-1；当(ΔU×Uo×io)＜0时，令neuflag＝1；
其中，ΔU为中点电压振荡值，Uo为冗余小矢量对应的电压，io为冗余小矢量对应的电流；neuflag为ΔU×Uo×io的方向。


5.根据权利要求1所述的基于载波调制的三电平变流器中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述零序电压Vneu的计算方法如下：
当中点电压振荡值ΔU在限定值范围内时，令零序电压Vneu＝0；
当中点电压振荡值ΔU超过限定值时，零序电压Vneu具体如下：
当neuflag＝1且maxphase＞0时，零序电压Vneu的计算方法为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，高瞻，李耀华，葛琼璇，赵鲁，卫炜，王晓新，赵牧天，
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