三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法技术

本发明专利技术提供了一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，涉及电力电子技术领域。包括：选用共模电压小的扇区基础电压矢量参与虚拟矢量的合成，将共模电压进行抑制；采取多种虚拟小矢量构成，使同一区域、相邻小区域及相邻大区域的脉冲序列平滑切换。在以上的基础上，通过实时检测直流侧分压电容端电压值以及负载侧三相电流值来改变虚拟矢量的幅值，进而改变虚拟矢量在一个载波周期内的作用时间，最终实现中点电位平衡和共模电压抑制。本发明专利技术由于选取多种虚拟矢量，在实现中点电位平衡和共模电压抑制的同时，还具有开关损耗低的特点。

Neutral point potential balance and common mode voltage suppression method of three-phase three-level inverter

【技术实现步骤摘要】
三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法
本专利技术涉及电力电子
，具体涉及一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法。
技术介绍
受限于目前开关器件电压等级，传统两电平变换器无法满足中、高电压等级电能变换的需求。三电平逆变器采用低压器件实现高压输出，避免了器件直接串联，谐波小、电磁干扰小。广泛应用于高压变频调速、新能源发电、电力系统、电气化交通等领域。当前主流的三电平逆变器拓扑结构包括二极管箝位型三电平逆变器和T型三电平逆变器。两种拓扑结构原理类似，可采用完全相同的调制策略进行工作。由于直流分压电容的充放电不均衡，三电平逆变器存在中点电位不平衡问题。开关参数、直流母线电容参数的不一致以及死区的加入等等都会影响到中点电位的平衡，中点电位不平衡会导致输出波形畸变，直接影响到逆变器及其电机调速系统的稳定性。由变换器系统产生的共模电压(CMV)是许多问题的根源之一，如电机传动、电机轴承等的损坏、存在电磁干扰(EMI)、引发破坏性的轴承电流等。如IEEE文献“ASpace-VectorModulationMethodforCommon-ModeVoltageReductioninCurrent-SourceConverters”(“一种用于电流源变换器降低共模电压的空间矢量调制方法”——2013年IEEE电力电子会报文集)所述。因此降低逆变器输出的共模电压对延长电机寿命起到了关键性作用。常用的三相三电平逆变器中点电位平衡和共模电压抑制方法多采用虚拟电压矢量合成法。其中，关于虚拟电压矢量的合成，方法主要包括以下两种：1)仅使用虚拟电压中矢量VM，此方法可保持共模电压为零。但是，在直流侧分压电容的端电压存在偏差情形下，不具备中点电位平衡能力。如IEEE文献“Newvirtualspacevectormodulationschemetoeliminatecommon-modevoltagewithbalancedneutral-pointvoltageforthree-levelNPCInverters”(“三电平NPC逆变器的平衡中点电位且消除共模电压的新的虚拟空间矢量调制方案”——2017年IEEE亚洲未来能源电子会议)所述。2)使用虚拟电压中矢量VM和单一类型虚拟电压小矢量V′S1，此方法可快速调节中点电位平衡，且共模电压得到了有效的抑制。但是，此方法在实现较强中点电位平衡能力的同时，也带来了开关损耗大的缺陷。如IEEE文献“Balancingcontrolofneutral-pointvoltageforthree-levelT-typeinverterbasedonhybridvariablevirtualspacevector”(“基于混合变量虚拟空间矢量的T型三电平逆变器中点电压平衡控制”——2019年IETPowerElectronics)所述。中国专利技术专利申请公开说明书CN110112945A于2019年8月9日公开的《三电平逆变器中点电压控制和共模电压抑制的方法及系统》，也即虚拟电压矢量合成中的方法2，是先根据基础电压矢量对中点电位无影响的原则构建了虚拟矢量，而后根据实时检测的直流分压电容和负载侧三相电流值改变虚拟矢量中基础电压矢量的占比；再以虚拟矢量位置将每个大扇区划分为5个小区域，在每个小区域内都采用了非对称式的脉冲序列；最后三电平逆变器按照非对称式的脉冲序列和作用时间进行工作。虽然该方法的中点电位平衡能力相当可观，但也存在着以下的不足：1)忽视了载波频率远大于基波频率这一必要条件下同一小区域内的脉冲序列会重复作用，从而脉冲序列的尾端到首端的切换会导致两相桥臂的开关状态发生改变，并且桥臂的开关状态切换还存在着状态P到状态N或者状态N到状态P的直接切换，具体详见该专利表3的开关序列，这在很大程度上增加了系统的开关损耗；2)采用非对称式发波会造成谐波增加，引发电动机、变压器等的出力降低、损耗增加等影响。
技术实现思路
本专利技术针对目前三相三电平逆变器共模电压抑制方法存在开关损耗高的问题，提出了一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其目的在于选取多种虚拟矢量，使脉冲序列平滑切换，从而在具备中点电位平衡能力的同时，有效减少三电平逆变器开关管通断次数，降低开关损耗。本专利技术的目的是这样实现的。通过选用虚拟电压矢量，在中点电位波动范围小于滞环环宽时，使得每个载波周期内流入或流出中性点的平均电流为零，以限制每个载波周期内中点电位的波动；在中点电位波动范围大于滞环环宽时，通过改变虚拟矢量构成项的作用时间来平衡中点电位。并通过剔除共模电压绝对值超过Udc/6的原始基础电压矢量，仅保留剩余的19个原始基础电压矢量生成调制策略，达到抑制共模电压的目的。本专利技术提供了一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，本专利技术涉及的系统电路的拓扑结构包括直流源E、直流分压电容C1、直流分压电容C2、三相T型三电平逆变器和三相对称式阻感性负载；所述直流分压电容C1和直流分压电容C2串联后连接在直流源E的直流正母线与直流负母线之间，其连接点记为直流母线中点D；所述三相T型三电平逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括4个开关管，即三相桥臂共包括12个开关管，将三相桥臂中的任一个桥臂记为桥臂j，将12个开关管中的任一个开关管记为开关管Sji，j表示三相，即j＝a，b，c，i表示开关管的序号，i＝1，2，3，4；T型三相三电平逆变器的三相桥臂并联在直流正母线与直流负母线之间，三相桥臂的中点分别记为A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C；所述三相对称式阻感性负载的输入端分别与A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C相连接；所述三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法包括以下步骤：步骤1、基础电压矢量的设定步骤1.1，给定直流源E的电压并记为直流侧电压Udc，并将三相T型三电平逆变器三相桥臂的输出电压记为输出电压uj，所述输出电压uj的值等于Udc/2或0或-Udc/2；将输出电压uj＝Udc/2时的开关状态记为P、输出电压uj＝0时的开关状态记为0、输出电压uj＝-Udc/2的开关状态记为N，并将A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂对应的开关状态组合记为[Ga，Gb，Gc]；根据三相T型三电平逆变器三相桥臂的开关状态，得到27个原始基础电压矢量，将27个原始基础电压矢量中的任一个原始基础电压矢量记为原始基础电压矢量Vy，y＝1，2，...，27；步骤1.2，计算共模电压uON，计算式如下：uON＝-(ua+ub+uc)/3式中，ua为三相T型三电平逆变器A相桥臂的输出电压，ub为三相T型三电平逆变器B相桥臂的输出电压，uc为三相T型三电平逆变器C相桥臂的输出电压；步骤1.3，根据共模电压uON的值进行原始基础电压矢量Vy的分类，具体分为以下四类：第一类，|uON|＝Udc/2，原始基础电压矢量Vy对应的开关状态组合为[P，P，P]或[N，N，N]；第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其特征在于，本专利技术涉及的系统电路的拓扑结构包括直流源E、直流分压电容C

【技术特征摘要】
1.一种三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法，其特征在于，本发明涉及的系统电路的拓扑结构包括直流源E、直流分压电容C1、直流分压电容C2、三相T型三电平逆变器和三相对称式阻感性负载；所述直流分压电容C1和直流分压电容C2串联后连接在直流源E的直流正母线与直流负母线之间，其连接点记为直流母线中点D；所述三相T型三电平逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括4个开关管，即三相桥臂共包括12个开关管，将三相桥臂中的任一个桥臂记为桥臂j，将12个开关管中的任一个开关管记为开关管Sji，j表示三相，即j＝a，b，c，i表示开关管的序号，i＝1，2，3，4；T型三相三电平逆变器的三相桥臂并联在直流正母线与直流负母线之间，三相桥臂的中点分别记为A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C；所述三相对称式阻感性负载的输入端分别与A相桥臂中点A、B相桥臂中点B和C相桥臂中点C相连接；
所述三相三电平逆变器中点电位平衡及共模电压的抑制方法包括以下步骤：
步骤1、基础电压矢量的设定
步骤1.1，给定直流源E的电压并记为直流侧电压Udc，并将三相T型三电平逆变器三相桥臂的输出电压记为输出电压uj，所述输出电压uj的值等于Udc/2或0或-Udc/2；
将输出电压uj＝Udc/2时的开关状态记为P、输出电压uj＝0时的开关状态记为0、输出电压uj＝-Udc/2的开关状态记为N，并将A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂对应的开关状态组合记为[Ga，Gb，Gc]；
根据三相T型三电平逆变器三相桥臂的开关状态，得到27个原始基础电压矢量，将27个原始基础电压矢量中的任一个原始基础电压矢量记为原始基础电压矢量Vy，y＝1，2，...，27；
步骤1.2，计算共模电压uON，计算式如下：
uON＝-(ua+ub+uc)/3
式中，ua为三相T型三电平逆变器A相桥臂的输出电压，ub为三相T型三电平逆变器B相桥臂的输出电压，uc为三相T型三电平逆变器C相桥臂的输出电压；
步骤1.3，根据共模电压uON的值进行原始基础电压矢量Vy的分类，具体分为以下四类：
第一类，|uON|＝Udc/2，原始基础电压矢量Vy对应的开关状态组合为[P，P，P]或[N，N，N]；
第二类，|uON|＝Udc/3，原始基础电压矢量Vy对应的开关状态组合为[O，N，N]或[P，P，O]或[N，O，N]或[O，P，P]或[N，N，O]或[P，O，P]；
第三类，|uON|＝Udc/6，原始基础电压矢量Vy对应的开关状态组合为[P，O，O]或[O，O，N]或[O，P，O]或[N，O，O]或[O，O，P]或[O，N，O]或[P，N，N]或[P，P，N]或[N，P，N]或[N，P，P]或[N，N，P]或[P，N，P]；
第四类，|uON|＝0，原始基础电压矢量Vy对应的开关状态组合为[O，O，O]或[P，O，N]或[O，P，N]或[N，P，O]或[N，O，P]或[O，N，P]或[P，N，O]；
删除第一类和第二类中的8个原始基础电压矢量，保留第三类第四类中的19个原始基础电压矢量Vy参与三相三电平电压型逆变器调制策略的构成，并将该19个原始基础电压矢量记为基础电压矢量Vλ，λ＝0，1，…，18，19个基础电压矢量Vλ对应的开关状态组合如下：V0[O，O，O]、V1[P，N，N]、V2[P，P，N]、V3[N，P，N]、V4[N，P，P]、V5[N，N，P]、V6[P，N，P]、V7[P，O，N]、V8[O，P，N]、V9[N，P，0]、V10[N，O，P]、V11[O，N，P]、V12[P，N，O]、V13[P，O，O]、V14[O，O，N]、V15[O，P，O]、V16[N，O，O]、V17[O，O，P]、V18[O，N，O]；
步骤2、空间电压矢量图的建立和扇区划分
步骤2.1，空间电压矢量V*定义为：



式中的j为虚数部，和分别为输出电压ub和输出电压uc在复数平面上对应的指数表达式，则每个基础电压矢量Vλ在空间电压矢量图中都有且仅有一个固定的位置，由19个基础电压矢量Vλ共同构成空间电压矢量图；
扇区的具体划分方法如下：以基础电压矢量V0[O，O，O]为空间电压矢量图的中心点、基础电压矢量V1[P，N，N]为第一扇区的第一条边，按照沿逆时针方向编号依次增大的方式命名各扇区，各扇区的边界为：基础电压矢量V1[P，N，N]与基础电压矢量V2[P，P，N]所夹区域为扇区1；基础电压矢量V2[P，P，N]与基础电压矢量V3[N，P，N]所夹区域为扇区2；基础电压矢量V3[N，P，N]与基础电压矢量V4[N，P，P]所夹区域为扇区3；基础电压矢量V4[N，P，P]与基础电压矢量V5[N，N，P]所夹区域为扇区4；基础电压矢量V5[N，N，P]与基础电压矢量V6[P，N，P]所夹区域为扇区5；基础电压矢量V6[P，N，P]与基础电压矢量V1[P，N，N]所夹区域为扇区6；
6个扇区中每个扇区涉及的基础电压矢量及排序如下：
扇区1：V1[P，N，N]、V2[P，P，N]、V7[P，O，N]、V13[P，O，O]、V14[O，O，N]；
扇区2：V2[P，P，N]、V3[N，P，N]、V8[O，P，N]、V14[O，O，N]、V15[O，P，O]；
扇区3：V3[N，P，N]、V4[N，P，P]、V9[N，P，O]、V15[O，P，O]、V16[N，O，O]；
扇区4：V4[N，P，P]、V5[N，N，P]、V10[N，O，P]、V16[N，O，O]、V17[O，O，P]；
扇区5；V5[N，N，P]、V6[P，N，P]、V11[O，N，P]、V17[O，O，P]、V18[O，N，O]；
扇区6；V6[P，N，P]、V1[P，N，N]、V12[P，N，0]、V18[O，N，O]、V13[P，O，O]；
记6个扇区中的任意一个扇区为扇区N，N为扇区序号，N＝1，2...6，与扇区N对应的5个基础电压矢量按照其排序分别记为扇区基础电压矢量UN1、扇区基础电压矢量UN2、扇区基础电压矢量UN3、扇区基础电压矢量UN4、扇区基础电压矢量UN5；
步骤3、给定三相参考电压Ua，Ub，Uc作为输入信号，满足下式：



式中，m为调制比，t为三相T型三电平逆变器工作时刻，ω为角频率，ω＝2πf，f为基波频率；
步骤4、将步骤3得到的三相参考电压Ua，Ub，Uc进行坐标变换及标么化处理，得到三相参考电压Ua，Ub，Uc在两相静止60°坐标系下的g、h分量和并由g、h分量和得到参考电压矢量Vref；
步骤4.1，将步骤3得到的三相参考电压Ua，Ub，Uc进行三相静止坐标系到两相静止αβ坐标系的变换，得到三相参考电压Ua，Ub，Uc在两相静止αβ坐标系下的α、β分量Vα，Vβ，并记为参考电压矢量αβ轴分量Vα，Vβ：



步骤4.2，规定水平向右为两相静止60°坐标系中g轴的正方向，以逆时针旋转60°方向为两相静止60°坐标系中h轴的正方向，对步骤4.1得到的参考电压矢量αβ轴分量Vα，Vβ进行两相静止αβ坐标系到两相静止60°坐标系变换，得到三相参考电压Ua，Ub，Uc在两相静止60°坐标系下的gh轴分量Vg，Vh：



步骤4.3，标么化步骤4.2得到的三相参考电压Ua，Ub，Uc在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量Vg，Vh，得到标么化的三相参考电压Ua，Ub，Uc在两相静止60°坐标系下的g、h轴分量并分别记为参考电压矢量g轴分量参考电压矢量h轴分量



将参考电压矢量g轴分量和参考电压矢量h轴分量的合成矢量记为参考电压矢量Vref；
步骤5、根据参考电压矢量g轴分量和参考电压矢量h轴分量判断参考电压矢量Vref所处的扇区序号N，判断如下：
当且时，N＝1；
当且且对，N＝2；
当且且时，N＝3；
当且时，N＝4；
当且且时，N＝5；
当且且时，N＝6；
步骤6、根据步骤5得到的参考电压矢量Vref所处的扇区序号N，将参考电压矢量Vref顺时针旋转(N-1)×60°，得到参考电压矢量Vref在扇区N＝1处的参考电压矢量gh轴分量和满足下式：
当扇区N＝1时，
当扇区N＝2时，
当扇区N＝3时，
当扇区N＝4时，
当扇区N＝5时，
当扇区N＝6时，
步骤7、实时采样直流分压电容C1的端电压Udc1、直流分压电容C2的端电压Udc2、T型三相三电平...

【专利技术属性】
技术研发人员：李善寿，陶勇，王浩，马枭杰，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34