一种T型三电平逆变器共模电压消除方法

摘要

本发明公开了一种T型三电平逆变器共模电压消除方法，基于六个中矢量和一个零矢量，根据前一拍的选定开关矢量和电流扇区选择特定的开关矢量组，以所选的开关矢量组中的开关矢量来计算和比较成本函数值，从而得到最优开关控制信号,进而控制T型三电平逆变器各个IGBT的通断；具有良好的电流跟踪效果，并且能消除T型三电平逆变器运行时产生的共模电压。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种T型三电平逆变器共模电压消除方法。

背景技术

T型三电平逆变器因其同时具有两电平逆变器低导通损耗、少功率开关器件等优点，以及三电平逆变器低开关损耗、低输出谐波等优点在新能源领域得到了大量的应用。传统的逆变器大部分都是通过PI控制和PWM调制实现逆变器输出电流可控幅值及频率。这种方式由于死区效应以及不合适的矢量切换会导致很大的共模电压产生。共模电压的存在会导致过压、电磁兼容以及共模电流等一些列严重问题，严重影响设备安全性。

国内外学者对共模电压抑制已经进行了大量的研究，并提出了很多抑制方法，但是这些方法大部分都需要一个很复杂的PWM调制模块，并且对于三电平逆变器，还会存在共模电压抑制和三电平逆变器的中点平衡控制以及电流跟踪控制发生冲突的问题。

模型预测算法因其具有直观、简单有效和动态响应速度较快等优点在逆变器中得到了大量的研究和应用，并且已经有很多基于模型预测算法的共模电压抑制方法被提出，但是这些方法大多都是针对两电平逆变器，而且都是主要通过避免使用零矢量来减小共模电压。三电平逆变器电压矢量更多，拓扑更复杂，而且还有中点平衡控制的问题，同时，考虑死区效应同样可能影响共模电压波动，目前还没有基于模型预测算法且考虑死区效应的三电平逆变器共模电压抑制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种T型三电平逆变器共模电压消除方法，通过六个中矢量和一个零矢量的不同组合来消除三电平逆变器运行时产生的共模电压，且具有良好的电流跟踪效果。

为实现上述发明目的，本发明一种T型三电平逆变器共模电压消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集电网电流i_a、i_b、i_c和电网电压e_a、e_b、e_c，分别对电网电流和电网电压进行abc-αβ坐标变换，得到αβ坐标系下电网电流i_α、i_β和电网电压e_α、e_β；

(2)、采集直流侧电流i_dc和直流正负电容电压V_c1、V_c2，将直流正负电容电压相加得到直流总电压U_dc；

(3)、根据电网电流i_a、i_b、i_c的方向计算电流扇区I_sec，计算表达式为：

(4)、设前一拍的选定开关矢量为V_old，根据电流扇区I_sec和前一拍的选定开关矢量V_old，选择当前拍要使用的开关矢量组V_now；

(5)、在模型预测模块中计算预测电流值和预测直流正负电容电压值：

(5.1)、根据当前拍要使用的开关矢量组V_now中对应的M个开关矢量和步骤(1)中所得到的电网电流i_α、i_β以及电网电压e_α、e_β，计算得到M个预测电流值；

(5.2)、根据当前拍要使用的开关矢量组V_now中对应的M个开关矢量和步骤(2)中所得到的直流侧电流i_dc和直流正负电容电压V_c1、V_c2，计算得到M个预测直流正负电容电压值；

(6)、成本函数模块根据步骤(5)中所得到M个预测电流值和M个预测直流正负电容电压值，计算得到M个成本函数值，再求出M个成本函数值中的最小值g_min，根据最小值g_min找到对应的最优开关矢量V_opt，并将最优开关矢量V_opt保存为前一拍的选定开关矢量V_old，以供下一拍控制使用；

(7)、根据最优开关矢量V_opt得到对应的最优开关状态，再得到对应的开关控制信号，进而控制T型三电平逆变器各个IGBT的通断。

其中，所述的步骤(4)中，选择当前拍要使用的开关矢量组V_now的方法为：

当I_sec为1或4时:

若V_old为V₀，则V_now为V₀、V₂、V₃、V₅、V₆；

若V_old为V₁，则V_now为V₁、V₂、V₆；

若V_old为V₂，则V_now为V₀、V₁、V₂、V₅、V₆；

若V_old为V₃，则V_now为V₀、V₃、V₄、V₅、V₆；

若V_old为V₄，则V_now为V₃、V₄、V₅；

若V_old为V₅，则V_now为V₀、V₂、V₃、V₄、V₅；

若V_old为V₆，则V_now为V₀、V₁、V₂、V₃、V₆；

当I_sec为2或5时:

若V_old为V₀，则V_now为V₀、V₁、V₃、V₄、V₆；

若V_old为V₁，则V_now为V₀、V₁、V₂、V₃、V₄；

若V_old为V₂，则V_now为V₁、V₂、V₃；

若V_old为V₃，则V_now为V₀、V₁、V₂、V₃、V₆；

若V_old为V₄，则V_now为V₀、V₁、V₄、V₅、V₆；

若V_old为V₅，则V_now为V₄、V₅、V₆；

若V_old为V₆，则V_now为V₀、V₃、V₄、V₅、V₆；

当I_sec为3或6时:

若V_old为V₀，则V_now为V₀、V₁、V₂、V₄、V₅；

若V_old为V₁，则V_now为V₀、V₁、V₄、V₅、V₆；

若V_old为V₂，则V_now为V₀、V₂、V₃、V₄、V₅；

若V_old为V₃，则V_now为V₂、V₃、V₄；

若V_old为V₄，则V_now为V₀、V₁、V₂、V₃、V₄；

若V_old为V₅，则V_now为V₀、V₁、V₂、V₅、V₆；

若V_old为V₆，则V_now为V₁、V₅、V₆。

其中，V₀为零矢量，V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆为中矢量。

进一步的，所述的步骤(5.1)中，计算预测电流值的方法为：

开关矢量组V_now中第m(m∈M)个开关矢量的预测电流值的计算公式为：

其中，T_c为控制周期，R为线路阻抗，L为滤波电感，U_α(k)、U_β(k)为开关矢量在αβ坐标系下的电压分解值；

其中，所述的开关矢量在αβ坐标系下的电压分解值的计算方法为：

若k为0，则U_α(0)＝0、U_β(0)＝0；

若k为1，则U_α(1)＝U_dc/2、

若k为2，则U_α(2)＝0、

若k为3，则U_α(3)＝-U_dc/2、

若k为4，则U_α(4)＝-U_dc/2、

若k为5，则U_α(5)＝0、

若k为6，则U_α(6)＝U_dc/2、

更进一步的，所述的步骤(5.2)中，计算预测直流正负电容电压值的方法为：

开关矢量组V_now中第m(m∈M)个开关矢量的预测直流正负电容电压值的计算公式为：

其中，C为正负电容值；H1_J(k)、H2_J(k)分别为正、负电容的J(J＝a,b,c)相电流系数，S_J(k)为开关矢量所对应的第J相开关状态值；i_J为开关矢量所对应的第J相电网电流值。

再进一步的，所述的步骤(6)中，根据预测电流值和预测直流正负电容电压值计算第m(m∈M)个成本函数值g(k)^m的表达式为：

其中，为电流给定值，λ_dc为中点电位调节因子。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种T型三电平逆变器共模电压消除方法，首先将采集到的电网电流i_a、i_b、i_c和电网电压e_a、e_b、e_c进行坐标变换，得到αβ坐标系下电网电流i_α、i_β和电网电压e_α、e_β，同时采集直流侧电流i_dc和直流正负电容电压V_c1、V_c2；接着根据电网电流i_a、i_b、i_c的方向得到电流扇区I_sec，然后根据电流扇区I_sec和前一拍的选定开关矢量V_old，选择当前拍要使用的开关矢量组V_now；然后模型预测模块根据当前拍要使用的开关矢量组V_now中M个开关矢量、电网电流i_α、i_β和电网电压e_α、e_β、直流侧电流i_dc和直流正负电容电压V_c1、V_c2，计算得到M个预测电流值和M个预测直流正负电容电压值；接着成本函数模块根据预测电流值和预测直流正负电容电压值计算得到M个成本函数值，选出其中的最小值所对应的开关矢量作为最优开关矢量；最后最优开关矢量在PWM模块中产生开关控制信号控制三电平逆变器各个IGBT的通断。本发明方法基于六个中矢量和一个零矢量，根据前一拍的选定开关矢量和电流扇区选择特定的开关矢量组，以所选的开关矢量组中的开关矢量来计算和比较成本函数值，从而得到最优开关控制信号。本方法具有良好的电流跟踪效果，并且能消除T型三电平逆变器运行时产生的共模电压。

附图说明

图1是本发明一种T型三电平逆变器共模电压消除方法的原理框图；

图2是本发明一种T型三电平逆变器共模电压消除方法的流程图；

图3是未采用本发明方法的T型三电平逆变器网侧电流和共模电压波形图；

图4是采用本发明方法的T型三电平逆变器网侧电流和共模电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为方便描述，如图1所示，本实施例以基于LC滤波器的T型三电平逆变器为例，叙述T型三电平逆变器共模电压消除的具体方法，具体流程如图2所示，包括以下步骤：

S1、采集电网电流i_a、i_b、i_c和电网电压e_a、e_b、e_c，分别对电网电流和电网电压进行abc-αβ坐标变换，得到αβ坐标系下电网电流i_α、i_β和电网电压e_α、e_β；

在本实施例中，abc-αβ坐标变换为那么通过该坐标对采集电网电流i_a、i_b、i_c和电网电压e_a、e_b、e_c进行坐标变换，就可以得到αβ坐标系下电网电流i_α、i_β和电网电压e_α、e_β。

S2、采集直流侧电流i_dc和直流正负电容电压V_c1、V_c2，将直流正负电容电压相加得到直流总电压U_dc。

S3、根据电网电流i_a、i_b、i_c的方向计算电流扇区I_sec，计算表达式为：

S4、根据电流扇区I_sec和前一拍的选定开关矢量V_old，选择当前拍要使用的开关矢量组V_now，其中，选择当前拍要使用的开关矢量组V_now的方法见表1：

表1是电流扇区I_sec和前一拍的选定开关矢量V_old与当前拍要使用的开关矢量组V_now的对应关系；

其中，S_J(J＝a,b,c)为开关矢量所对应的第J相开关状态值，M为当前拍要使用的开关矢量组V_now中开关矢量的个数；

在本实施例中，前一拍的选定开关矢量V_old为前一拍选定的最优开关矢量。

S5、模型预测模块中计算预测电流值和预测直流正负电容电压值：

S5.1、根据当前拍要使用的开关矢量组V_now中M个开关矢量和步骤S1中所得到的电网电流i_α、i_β以及电网电压e_α、e_β，计算得到M个预测电流值；

下面以开关矢量组V_now中第m(m∈M)个开关矢量为例进行说明，计算第m个开关矢量的预测电流值的计算公式为：

其中，T_c为控制周期，R为线路阻抗，L为滤波电感，在本实施例中，T_c＝50us，R＝10Ω，L＝20mH；U_α(k)、U_β(k)为开关矢量V_k在αβ坐标系下的电压分解值，具体对应的电压分解值如表2所示；

表2是开关矢量在αβ坐标系下的电压分解值；

表2

同理，按照上述方法可以计算出其余M-1个预测电流值；

S5.2、根据当前拍要使用的开关矢量组V_now中M个开关矢量和步骤S2中所得到的直流侧电流i_dc和直流正负电容电压V_c1、V_c2，计算得到M个预测直流正负电容电压值；

下面同样以开关矢量组V_now中第m(m∈M)个开关矢量为例进行说明，计算第m个开关矢量的预测直流正负电容电压值的计算公式为：

C为正负电容值，在本实施例中，C＝520uF；H1_J(k)、H2_J(k)分别为正、负电容的J(J＝a,b,c)相电流系数，S_J(k)为开关矢量V_k所对应的第J相开关状态值；i_J为开关矢量所对应的第J相电网电流值；

同理，按照上述方法可以计算出其余M-1个预测直流正负电容电压值。

S6、成本函数模块根据步骤S5中所得到M个预测电流值和M个预测直流正负电容电压值，计算得到M个成本函数值，接着求出M个成本函数值中的最小值g_min，再根据最小值g_min得到对应的最优开关矢量V_opt，并将最优开关矢量V_opt保存为前一拍的选定开关矢量V_old，以供下一拍控制使用；

下面同样以开关矢量组V_now中第m(m∈M)个开关矢量为例进行说明，计算第m个成本函数值g(k)^m的表达式为：

其中，为电流给定值，λ_dc为中点电位调节因子，用于调节中点电位的平衡，在本实施例中，为幅值可调频率为50Hz的正弦信号且两者相互正交，λ_dc取0.3；

同理，按照上述方法可以计算出其余M-1个成本函数值。

S7、根据最优开关矢量V_opt得到对应的最优开关状态，再得到对应的开关控制信号，进而控制T型三电平逆变器各个IGBT的通断。

图3是未采用本发明方法而和共模电压波形图；

图4是和共模电压波形图。

本实施例中，T型三电平逆变器母线电压为150V，电网频率为50Hz，电流给定值的幅值设置为6A。图2的共模电压波形图中三电平逆变器的共模电压较大，其最大值超过了直流母线电压的一半，而从图4可知，三电平逆变器的共模电压几乎为0V，说明采用本发明方法可以消除T型三电平逆变器运行时的共模电压。并且图3和图4的网侧电流波形图中，相电流i_a都和指令电流重合，说明采用本发明方法的T型三电平逆变器网侧电流的跟踪效果和采用传统模型预测方法的三电平逆变器网侧电流的跟踪效果一样好。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。