一种三电平逆变器的中性点电位快速平衡控制方法技术

本发明专利技术提供了一种三电平逆变器的中性点电位快速平衡控制方法，该方法从代数角度出发，将复杂的调制问题转化为代数问题。在保证输入输出关系的前提下，无需额外的控制即可确保中点电位平衡，且电容参数的不对称不影响中点电位平衡效果。点电位平衡效果。点电位平衡效果。

【技术实现步骤摘要】
一种三电平逆变器的中性点电位快速平衡控制方法


[0001]本专利技术涉及电能变换装置领域，特别涉及一种三电平逆变器的中性点电位快速平衡控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，三电平逆变器器广泛应用于电机驱动、有源滤波、DC/AC变换器等大功率场合。在三电平逆变器的研究领域，大部分的专家学者主要从以下两个方面着手：其一是在硬件方面，对三电平逆变器的拓扑结构进行优化和创新，具体可分为中点箝位型、飞跨电容型和级联H桥型。中点箝位型又可分为二极管中点箝位型、有源中点箝位型和T 型中点箝位型。其二是对其软件算法方面的改进，重点之一就是针对其调制策略的研究。
[0003]其中，T型中点箝位型三电平逆变器因其拓扑结构和运行机理较为简单，控制策略不是特别复杂而得到了广泛的应用。然而，该拓扑也存在着一个固有的问题：该拓扑的直流侧电压是由两组等效的电容串联做支撑的，其中点电位很有可能会出现不平衡的情况，这样会一定程度上影响输出的波形质量，假如控制不得当的话，甚至有可能出现全部直流母线电压加在一个电容上的情况，对元件造成损坏。
[0004]为了解决中点电位不平衡的问题，很多学者对此进行了研究，从不同角度提出了自己的方案。大致上可以将其分为两类：硬件措施和软件措施。所谓的硬件措施就是在三电平逆变器拓扑上，添加额外的硬件，增加控制的自由度，维持上下电容电位一致。这种方法需要增加大量的硬件器件而使得电路复杂，功率密度减小，硬件调试难度加大，成本增加，一般不推荐使用。在软件措施中，常见的是对其调制方法进行改进。
专利技术内容
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种三电平逆变器的中性点电位快速平衡控制方法，从代数角度出发，将复杂的调制问题转化为代数问题，在保证输入输出关系的前提下，无需额外的控制即可确保中点电位平衡，且电容参数的不对称不影响中点电位平衡效果。
[0006]一种三电平逆变器的中性点电位快速平衡控制方法，包括有如下步骤：
[0007]步骤1，以T型三电平逆变器为例，使得上下母线电容容值相等，建立T型三电平逆变器的输入输出和中性点电位的开关状态平均模型；
[0008]以交流侧电感L为状态变量，列写出T型三电平逆变器的状态方程：
[0009][0010][0011]其中，u
ao
,u
bo
,u
co
是以上下母线电容中点o为参考的相电压，u
an
,ub
n
,u
cn
是以三相交流电压中性点n为参考的相电压，e
a
,e
b
,e
c
为电网电压，i
a
,i
b
,i
c
为网侧电流，L为交流侧滤波电感，
[0012]对输入输出电压取开关状态平均后，有如下关系：
[0013][0014]其中，u1,u2是直流侧两个分立电容的电压，d
ij
(i＝a,b,c；j＝P,N)为三相上下桥臂开关器件的占空比，满足d
iP
≥0,d
iN
≥0,0≤d
iP
+d
iN
≤1(i＝a,b,c)，
[0015]对中点电位取开关状态平均后，有如下关系：
[0016][0017]步骤2，分析模型，引入自由度m和γ；
[0018][0019]引入自由度m和γ
i
(i＝a,b,c)，m用来确保每个元素满足物理约束，γ
i
(i＝a,b,c)用于平衡中点电位，则每相P状态与N状态的占空比d
ij
(i＝a,b,c；j＝P,N)可以写为：
[0020][0021]将上式代入式(4)，此时中点电位的开关状态平均模型简化为：
[0022][0023]从上式可以看出，通过选取自由度γ
i
(i＝a,b,c)的值，使得中点电位平衡，
[0024]步骤3，基于分数阶滑模控制理论，确定自由度γ的值，证明中点电位能够在有限时间平衡，给出平衡时间计算式；
[0025]基于分数阶滑模控制理论，令自由度γ
i
(i＝a,b,c)的值如式(10)所示，
[0026][0027]将式(10)代入式(7)可得最终的中点电位开关状态平均模型，
[0028][0029]对于式(11)所表示的系统，选Lyapunov函数为：
[0030][0031]对其求导，并将式(11)代入可得：
[0032][0033]从而有：
[0034][0035]令:
[0036][0037]因为ε＞0,0＜α＜1，则c＞0,0＜η＜1，即存在实数c＞0以及0＜η＜1，使得V(t)在上正定和在半负定，有限收敛时间最大值t
z_max
满足：
[0038][0039]其中t
z_max
表示误差收敛到零所需要的最大时间，表示初始状态直流侧上下电容电压之差；
[0040]步骤4，分析上下母线电容不相等时的工况；
[0041]当上下母线电容不对称时，中点电位仍然能够平衡，
[0042]证明“电容不对称时，中点电位仍然能够平衡”：
[0043]当直流母线侧上下电容值不相等时，即C1≠C2时，中性点电流的开关状态平均模型可以表示为：
[0044][0045]令：
[0046][0047]将式(18)代入式(17)：
[0048][0049]对比式(19)和式(11)可以看出，当C1≠C2时，仍然满足有限时间收敛，因此，在电容参数不对称时，也能实现中性点电位的快速平衡；
[0050]步骤5，确定自由度m的范围，选取m的值；
[0051]m用来确保在稳态每个元素满足物理约束，在稳态时，即中点电位已经平衡的情况下，由式 (7)和式(10)可知：
[0052][0053]则占空比的表达式化简为：
[0054][0055]根据输入输出端不能短路和断路的要求及物理实现的限制，占空比要满足以下约束条件：
[0056]将式(21)代入式(22)可得m的取值范围为：
[0057][0058]为了减少开关次数，这里取此时T型三电平逆变器处于线性调制区；
[0059]步骤6，确定零序电压的范围，选取零序电压的值；
[0060]确定零序电压的范围：
[0061][0062]其中
[0063]对不等式(24)化简：
[0064]‑
u1+max{u
an
,u
bn
,u
cn
}≤u
on
≤u2+min{u
an
,u
bn
,u
cn
}
ꢀꢀ
(25)
[0065]这里取其中，
[0066]步骤7，将各本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三电平逆变器的中性点电位快速平衡控制方法，其特征在于：包括有如下步骤：步骤1，以T型三电平逆变器为例，使得上下母线电容容值相等，建立T型三电平逆变器的输入输出和中性点电位的开关状态平均模型；以交流侧电感L为状态变量，列写出T型三电平逆变器的状态方程：以交流侧电感L为状态变量，列写出T型三电平逆变器的状态方程：其中，u
ao
,u
bo
,u
co
是以上下母线电容中点o为参考的相电压，u
an
,u
bn
,u
cn
是以三相交流电压中性点n为参考的相电压，e
a
,e
b
,e
c
为电网电压，i
a
,i
b
,i
c
为网侧电流，L为交流侧滤波电感，对输入输出电压取开关状态平均后，有如下关系：其中，u1,u2是直流侧两个分立电容的电压，d
ij
(i＝a,b,c；j＝P,N)为三相上下桥臂开关器件的占空比，满足d
iP
≥0,d
iN
≥0,0≤d
iP
+d
iN
≤1(i＝a,b,c)，对中点电位取开关状态平均后，有如下关系：步骤2，分析模型，引入自由度m和γ；引入自由度m和γ
i
(i＝a,b,c)，
m
用来确保每个元素满足物理约束，γ
i
(i＝a,b,c)用于平衡中点电位，则每相P状态与N状态的占空比d
ij
(i＝a,b,c；j＝P,N)可以写为：
将上式代入式(4)，此时中点电位的开关状态平均模型简化为：从上式可以看出，通过选取自由度γ
i
(i＝a,b,c)的值，使得中点电位平衡，步骤3，基于分数阶滑模控制理论，确定自由度γ的值，证明中点电位能够在有限时间平衡，给出平衡时间计算式；基于分数阶滑模控制理论，令自由度γ
i
(i＝a,b,c)的值如式(10)所示，将式(10)代入式(7)可得最终的中点电位开关状态平均模型，对于式(11)所表示的系统，选Lyapunov函数为：对其求导，并将式(11)代入可得：从而有：令:因为ε＞0,0＜α＜1，则c＞0,0＜η＜1，即存在实数c＞0以及0＜η＜1，使得V(t)在上正定和在半负定，有限收敛时间最大值t
z_max
满足：
其中t
z_max
表示误差收敛到零所需要的最大时间，表示误差收敛到零所需要的最大时间，表示初始状态直流侧上下电容电压之差；步骤4，分析上下母线电容不相等时的工况；当上下母线电容不对称时，中点电位仍然能够平衡，证明“电容不对称时，中点电位仍然能够平衡”：当直流母线侧上下电容值不相等时，即C1≠C2时，中性点电流的开关状态平均模型可以表示为：令：将式(18)代入式(17)：对比式(19)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，王思正，粟梅，孙尧，林建亨，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：