一种中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位平衡方法

摘要

本发明公开了一种中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位平衡方法，该方法针对中点钳位型三电平逆变器的母线电容中点电位在运行过程中存在波动的问题，根据需要抽取（注入）的中点电荷量和不同的电压矢量作用顺序能够抽取（注入）的中点电荷量之间的关系，通过合理配置电压矢量的作用顺序和作用时间，在不同功率因数下都最大程度地抑制母线电容中点电位的波动。本发明方法能够实现母线电容中点电位波动的抑制，从而减小母线电容容值与体积，减轻功率器件的电压应力，改善输出电压和电流的谐波状况，延长电容的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位平衡方法，属于电能变换技术领域。

背景技术

多电平逆变器由于能够降低开关器件电压应力，提高开关频率，输出波形正弦度更高，在电机驱动、并网逆变等场合的应用越来越多，尤其在大功率场合其相比于两电平逆变器优势更加明显。中点钳位型三电平逆变器由于结构简单，只需要单一直流源等原因成为多电平拓扑中运用的最广泛的拓扑之一。

电容中点电位波动是影响中点钳位型三电平逆变器正常运行的重要原因，波动的来源是在短矢量与中矢量作用时绕组电流从电容中点流入(流出)。电容中点电位的波动会造成以下危害：1.开关器件的电压应力增大，各个开关管发热不均；2.电容耐压值增大；3.输出电压、电流的正弦度降低，谐波增大，电机损耗增大，电网电能质量下降；4.EMI问题可能更加突出。

目前已有的技术中，一些方法如虚拟空间矢量技术在平衡中点电位的同时增大了输出电压、电流谐波，使得三电平逆变器的优势不再那么明显。传统的平衡因子法由于起始短矢量选择方式单一，所以在不同的功率因数下母线电容中点的抑制效果不同，且在某些功率因数下可能无法有效抑制中点电位波动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位平衡方法，使得在不增加输出电压电流谐波的同时，克服负载功率因数的限制，有效抑制电容中点的电位波动。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位平衡方法，包括如下步骤：

步骤1，测量逆变器直流母线侧上下两个电容的电压，计算得到上下两个电容的电压差值，根据电压差值计算上下两个电容中点需要抽取的电荷量ΔQ_ref；

步骤2，采用七段式SVPWM算法对逆变器进行控制，确定给定电压矢量所在的大扇区及大扇区中的小扇区，选取距离给定电压矢量最近的三个电压矢量合成给定电压矢量，并计算这三个最近电压矢量的作用时间；

步骤3，若给定电压矢量位于所在大扇区中的第一或第二小扇区，则执行步骤4；若给定电压矢量位于第三或第四小扇区，则将组成该小扇区的唯一短矢量作为电压矢量序列中的起始矢量，设置平衡因子k，则七段电压矢量中起始矢量和第四电压矢量的作用时间分别为T₀(1+k)/4和T₀(1-k)/2，其中T₀为短矢量的作用时间，根据上下两个电容的电压差值、各段电压矢量作用时间与对应的中点电流计算平衡中点电位所需的平衡因子k值；并执行步骤6；

步骤4，选取给定电压矢量所在大扇区下方的短矢量V_ls作为电压矢量序列中的起始矢量，将平衡因子k分别设置为1和-1，计算这两种情况下电容中点分别抽取的电荷量ΔQ_ls1和ΔQ_ls-1，如果ΔQ_ref位于ΔQ_ls1和ΔQ_ls-1之间，则计算平衡中点电位所需的平衡因子k值，并执行步骤6；否则执行步骤5；

步骤5，选取给定电压矢量所在大扇区上方的短矢量V_us作为电压矢量序列中的起始矢量，将平衡因子k分别设置为1和-1，计算这两种情况下电容中点分别抽取的电荷量ΔQ_us1和ΔQ_us-1，如果ΔQ_ref位于ΔQ_us1和ΔQ_us-1之间，则计算平衡中点电位所需的平衡因子k值，并执行步骤6；否则，计算ΔQ_us1、ΔQ_us-1、ΔQ_ls1和ΔQ_ls-1四个电荷量与ΔQ_ref之间的差值，选取差值最小的电荷量所对应的短矢量作为电压矢量序列中的起始矢量并计算平衡因子k值，执行步骤6；

步骤6，将平衡因子k作用于开关序列中，并且采用预先定义的电压矢量输出序列使得逆变器输出相应的电压。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述上下两个电容中点需要抽取的电荷量的计算公式为：

ΔQ_ref＝-C·ΔU_c＝-C·(U_c1-U_c2)；

其中，ΔQ_ref为上下两个电容中点需要抽取的电荷量，C为上方电容或下方电容的容值，ΔU_c为上下两个电容的电压差值，U_c1、U_c2分别为上、下电容的电压。

作为本发明的一种优选方案，所述平衡因子k值的计算公式为：

其中，C为上方电容或下方电容的容值，ΔU_c为上下两个电容的电压差值，T₀、T₁、T₂分别为起始、第二、第三电压矢量的作用时间，i₀、i₁、i₂分别是起始、第二、第三电压矢量作用时电容中点流出的电流。

作为本发明的一种优选方案，所述起始、第二、第三电压矢量作用时电容中点流出的电流由逆变器输出电压顺序和逆变器三相电流采样值确定。

作为本发明的一种优选方案，所述起始、第二、第三电压矢量的作用时间由逆变器输出电压顺序和步骤2计算得到的三个最近电压矢量分别作用的时间确定。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明方法在不增加硬件的基础上，只依靠软件算法有效抑制中点钳位型三电平逆变器的中点电位波动。

2、本发明方法在第一和第二扇区，通过两个可调节短矢量对中点电位影响的极限值，从而优化短矢量的作用顺序，使得在不同的负载功率因数下都能够最大程度地抑制中点电位波动。

3、本发明方法不增加逆变器输出电压和电流的谐波含量。

附图说明

图1是中点钳位型三电平逆变器功率拓扑图，其中，(a)是二极管中点钳位型，(b)是T型。

图2是本发明电压矢量划分示意图，其中，(a)是大扇区划分，(b)是大扇区中的小扇区划分。

图3是本发明电压矢量序列示意图。

图4是给定电压矢量位于不同扇区和采用不同起始短矢量时逆变器电压输出序列。

图5是本发明中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位平衡方法流程图。

图6是不采用本发明方法时中点电位波形，其中母线电压80V，负载功率因数为0.9992，母线电容100uF。

图7是采用本发明方法时电容中点电位波形，其中母线电压80V，负载功率因数为0.9992，母线电容100uF。

图8是不采用本发明方法时中点电位波形，其中母线电压80V，负载功率因数为0.5，母线电容100uF。

图9是采用本发明方法时电容中点电位波形，其中母线电压80V，负载功率因数为0.5，母线电容100uF。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开了一种中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位平衡方法，通过控制同一短矢量的两种开关状态各自的占空比，抑制中点电位波动。在出现两个短矢量时根据各自能够抽取的电荷量极限选取最优的短矢量作为起始矢量进行中点抽取电荷的控制，从而有效地抑制中点电位波动。如图1所示，为中点钳位型三电平逆变器的两种功率拓扑图，其中，(a)是二极管中点钳位型，(b)是T型。

如图5所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，测量直流母线侧上下两个电容的电压U_c1和U_c2，计算得到上下电容的差值ΔU_c，计算公式如下：

ΔU_c＝U_c1-U_c2；

步骤2，根据上方电容或下方电容容值C(上方电容容值与下方电容容值相等)，计算电容中点需要抽取的电荷量ΔQ_ref，计算公式如下：

ΔQ_ref＝-C·ΔU_c；

步骤3，采样三相输出电流i_a,i_b,i_c；

步骤4，采用七段式SVPWM控制逆变器，确定给定电压矢量所在大扇区与小扇区(分别如图2的(a)和(b)所示)，选取距离给定电压矢量最近的三个电压矢量合成给定电压矢量，计算三个最近矢量各自作用的时间；

步骤5，若给定电压矢量位于第一或第二小扇区，则执行步骤6。若给定电压矢量位于第三或者第四小扇区，则采用组成该小扇区的唯一短矢量作为电压矢量序列中的起始矢量，且整个控制周期内逆变器输出电压顺序确定。根据逆变器输出电压顺序和三相电流采样值确定第一、第二、第三个电压矢量作用时电容中点流出电流i₀,i₁,i₂。根据逆变器输出电压顺序和前面计算出的三个合成矢量分别作用的时间确定第一、第二、第三个电压矢量作用时间T₀,T₁,T₂。设置平衡因子k，则七段电压矢量中的第一段和第四段作用的时间分别为T₀(1+k)/4和T₀(1-k)/2，其中T₀为短矢量作用的总时间。根据母线上下电容电压差值ΔU_c、各段电压矢量作用时间与对应的中点电流计算出为了平衡中点电位需要设置的平衡因子k值，公式如下：

执行步骤8。电压矢量序列示意图如图3所示，以给定电压矢量位于第一大扇区的第一小扇区且起始矢量为下短矢量V_ls为例。

步骤6，选取给定电压矢量所在大扇区下方的短矢量V_ls作为电压矢量序列中的起始矢量，且此控制周期内逆变器输出电压顺序确定。根据逆变器输出电压顺序和三相电流采样值确定第一、第二、第三个电压矢量作用时电容中点流出电流i₀,i₁,i₂。根据逆变器输出电压顺序和前面计算出的三个合成矢量分别作用的时间确定第一、第二、第三个电压矢量作用时间T₀,T₁,T₂。设置平衡因子k，则七段电压矢量中的第一段和第四段作用的时间则为T₀(1+k)/4和T₀(1-k)/2，则该周期内从中点抽取的电荷量ΔQ可以计算出来，公式如下：

ΔQ＝kT₀i₀+T₁i₁+T₂i₂

将上面公式中的平衡因子k分别设置为1和-1，计算出这两种情况下电容中点分别抽取的电荷量ΔQ_ls1和ΔQ_ls-1，如果ΔQ_ref位于ΔQ_ls1和ΔQ_ls-1之间，则计算出平衡中点电位所需的平衡因子k值，其公式如下：

如果ΔQ_ref不位于ΔQ_ls1和ΔQ_ls-1之间，则执行步骤7，否则执行步骤8。

步骤7，选取每个大扇区中的上方的短矢量V_us作为电压序列中的起始矢量，分别取平衡因子k为-1和1，计算出这两种情况下电容中点分别抽取的电荷量ΔQ_us1和ΔQ_us-1，如果ΔQ_ref位于ΔQ_us1和ΔQ_us-1之间，则采用步骤6中的公式计算出平衡中点电位所需的平衡因子k值，否则计算ΔQ_us1、ΔQ_us-1、ΔQ_ls1和ΔQ_ls-1四个电荷量与ΔQ_ref之间的差值，选取差值最小的抽取电荷量所对应的起始短矢量并按照步骤6中的公式计算平衡因子k值。

步骤8，将平衡因子k作用于开关序列中，并且采用提前定义的电压矢量输出序列使得逆变器输出相应的电压。

重复步骤1至步骤8，维持中点钳位型三电平逆变器母线电容中点电位的平衡。

如图4所示，是给定电压矢量位于不同扇区和采用不同起始短矢量时逆变器电压输出序列，其中1表示该相输出正压(相对于电容中点)，0表示该相输出零电压(相对于电容中点)，-1表示该相输出负电压(相对于电容中点)。

如图6、图7所示，分别是不采用本发明方法与采用本发明方法时中点电位波形，其中母线电压80V，负载功率因数为0.9992，母线电容100uF；如图8、图9所示，分别是不采用本发明方法与采用本发明方法时中点电位波形，其中母线电压80V，负载功率因数为0.5，母线电容100uF。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。