CN101976968B - 三电平逆变器直流母线中点电位的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器直流母线中点电位的控制方法，包括两部分，第一部分为传统的方法，将直流侧电压(u_dc1+u_dc2)与参考值U_ref作差得到误差信号，并将误差信号加入到三相负载电流经dq解耦之后得到的i_{1_d}上，以控制两个分压电容的总电压，另一部分为本发明中提出的控制方法，将经过计算后得到的适当幅值与相位的零序分量，即微调指令，加入到为调整前的指令电压中。

Description

三电平逆变器直流母线中点电位的控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器研究领域，特别涉及一种二极管钳位三电平逆变器直流母线中点电位控制方法，具体地说是利用向逆变器指令电压中注入某一次及一定幅值的零序分量来控制中点电位的波动。

背景技术

自上世纪70年代以来，能源与环保逐渐成为世界主流关注的焦点之一。随着社会的发展，越来越多的工业与生活领域对中、高压大容量逆变器的需求逐年增加，如在轧钢、水泥、造纸、船舶等工业领域与高速铁路、城市地铁、电动汽车等公共交通领域的中、高压大容量变频调速系统，以及为解决电网无功与谐波污染而大量应用的电力有源滤波器。由于工业应用对于电压电流等级、EMI(电磁干扰)和THD(总谐波失真度)要求的提高，传统的两电平逆变器已经发展到三电平逆变器，又有三电平发展到更多的电平数。由于三电平二极管箝位式变换器较相较于其他拓扑结构具有双向功率流控制、功率因数控制方便，拓扑简单稳定等优点，并可与其他拓扑如普通H桥级联构成更多电平的逆变器，在高压大功率方面成为研究的热点。但由于直流分压电容充放电不均衡以及器件参数不一致等原因导致的直流母线中点电位的波动会直接导致输出电压的畸变，额外提高了器件耐压等级，影响了系统的稳定性。

通过文献检索发现，针对中点电位波动问题，研究人员从硬件拓扑和调制方式两方面提出了解决方案。其中硬件拓扑方案由于增大了系统体积、损耗和不稳定性，相比较而言调制方式就有对应的全面优势。针对中点电位控制的调制方式主要有空间矢量调制(SVPWM)和载波调制(SPWM)。对于三电平中点箝位逆变器而言，存在27个19种空间矢量，通过判断中点电流方向及中点电位的偏差，合理地选择调制方法及对小矢量的取舍，基本上能够在一个开关周期实现对中点电位的平衡控制，但是计算量大，对于更多电平数的逆变器，矢量和相应的开关冗余状态及运行状态控制复杂度都大大增加，巨大的计算量及复杂的算法限制了其应用。而注入零序分量的SPWM方式则简单得多也更适合于更多电平数逆变器的使用，比如三电平逆变器模块级联普通H桥、混合五电平逆变器等等。对于三相三线制系统而言，载波不变，往调制波中注入零序分量以对中点电位进行控制，由于无中线，三相输出线电压中不包含零序分量，同时注入零序分量还能提高直流电源电压利用率、降低开关损耗的作用。虽然有如此多的优点，从上世纪90年代就有研究人员开始研究，并且最近几年有相关实验结果，但是现有的文献表明这方面的研究工作缺乏严谨的理论分析来证明往调制波中注入零序分量这一方法的有效性，并且未能证明注入几次零序分量以及注入的幅度和相位如何合理取值才能够有效地控制中点电位的波动。

发明内容

针对上述现有理论与技术上存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提出一种二极管箝位三电平逆变器直流母线中点电位的控制方法。该控制方法可在不增加附加电路，且比SVPWM方法的计算量大为减小的条件下，就能有效地控制三电平逆变器直流母线中点电位波动在合理范围，以确保逆变器具有较好的输出电压波形。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种三电平逆变器直流母线中点电位的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，控制两个分压电容的总电压u_dc1+u_dc2；

步骤2，检测二极管箝位三电平直流母线上下分压电容电压u_dc1和u_dc2，两个值作差得到电压差Δu_dc；

步骤3，测量逆变器基波电流及主要次谐波电流相对于电网侧电压的幅度与初始相位角，并利用公式计算相位角φ，计算公式如下：

其中U₁为电网相电压，U₀为需补偿的基波电流经电感微分后的幅值，α为无功初始相位角，U_n为需补偿的n次谐波经电感微分后的幅值，θ_n为n次谐波相对于基波的初始相位，其中n为奇数；

步骤4，由步骤2测得的分压电容电压差Δu_dc通过PI调节器调节得到需要注入的零序分量的幅值，由步骤3得到的相位角φ通过计算注入6次零序分量的初始相位角β，β＝6φ，得到PWM调制波的微调指令

步骤5，将步骤4得到的微调指令

通过3路加法器分别同微调前逆变器三相PWM调制波作加法，其输出作为最终的三相PWM调制波。

上述步骤中，所述的主要次谐波指5、7、11、13次谐波。

本发明利用向PWM调制波中注入一定幅值和相位的6次零序分量，实现对于二极管箝位三电平逆变器直流母线中点电位控制，无需额外的辅助装置，方法简单易行。从仿真结果中可以看到，本发明能够很好地实现对二极管箝位三电平逆变器直流母线中点电位控制。并且对于逆变器输出基波电压谐波电压以及基波电流谐波电流的情况都适用。由于APF(有源电力滤波器)既可以输出基波电流谐波电流又可以输出基波电压谐波电压，故而本发明以APF作为本发明的典型示例控制对象来验证本发明的有效性。

附图说明

图1为二极管箝位三电平逆变器作APF(有源电力滤波器)主电路结构。

图2为本发明的控制系统框图。

图3为三相逆变器典型输出波形。

图4为图1等效损耗电阻R₁为150Ω而R₂为100Ω并且不加控制策略时直流母线电压仿真波形；其中(a)为直流母线总电压u_dc1+u_dc2的仿真波形；(b)为分压电容C₁上的电压u_dc1的仿真波形；(c)为分压电容C₂上的电压u_dc2的仿真波形；

图5为图1等效损耗电阻R₁为150Ω而R₂为100Ω加控制策略时直流母线电压仿真波形；其中(a)为直流母线总电压u_dc1+u_dc2的仿真波形；(b)为分压电容C₁上的电压u_dc1的仿真波形；(c)为分压电容C₂上的电压u_dc2的仿真波形；

具体实施方式

参照图1，三相电源1和非线性负载2之间连接串联二极管箝位三电平逆变器3。二极管箝位三电平逆变器3由直流侧储能元件C₁和C₂、等效损耗电阻R₁和R₂、电压源型PWM逆变器，其中直流侧储能元件一般由电力电容器串并联构成，电压源型PWM逆变器采用全控器件如IGBT、GTO等组成。进线电感31、32和33一端串联在A、B、C三相电压源型PWM变换器上，另一端并联在三相电源1和非线性负载2之间，其参数的选择主要取决于电压源型PWM变换器的开关频率。

为了叙述方便，电源三相电压记为u_s，即：u_sa、u_sb、u_sc；电源三相电流记为i_s，即：i_sa、i_sb、i_sc；直流母线上下分压电容电压分别为u_dc1和u_dc2；直流侧电压的给定值记为U_ref；逆变器输出的三相补偿电流记为i_c，即：i_ca、i_cb、i_cc；三相负载电流记为i_L，即：i_1a、i_1b、i_1c。

参照图2，本发明中的二极管箝位三电平逆变器直流母线电压控制方法，包括两部分，第一部分为传统的方法，将直流侧电压(u_dc1+u_dc2)与参考值U_ref作差得到误差信号，并将误差信号加入到三相负载电流经dq解耦之后得到的i_{1_d}上，以控制两个分压电容的总电压。另一部分为本发明中提出的控制方法，将经过计算后得到的适当幅值与相位的零序分量，即微调指令，加入到为调整前的指令电压中，具体步骤如下：

步骤1，检测二极管箝位三电平直流母线上下分压电容电压u_dc1和u_dc2，两个值作差得到电压差Δu_dc。

步骤2，测量逆变器基波电流及主要次(这里取5次)谐波电流相对于电网侧电压的幅度与初始相位角，并利用公式计算对于在一个基波周期中，逆变器U相输出电压过零点的相位角φ，参见图3(三相输出波形为基波加五次和六次谐波)所示，计算公式如下：U₁sin(φ)+U₀cos(φ-α)+U₅cos(5φ-θ₅))＝0，其中U₁为电网相电压，U₀为基波无功幅值，α为无功初始相位角，U₅为需补偿的5次谐波经电感微分后的幅值，θ₅为5次谐波相对于基波的初始相位。

步骤3，由步骤1测得的分压电容电压差Δu_dc通过PI调节器调节得到需要注入的零序分量的幅值U₆，由步骤2得到的相位角φ通过β＝6φ计算注入零序分量的初始相位角，得到PWM调制波的微调指令

$\mathrm{\Δ}{u}_0^{*}=U_6\sin (6\mathrm{\ωt}-\mathrm{\β}).$

步骤4，将步骤3得到的微调指令通过3路加法器分别同微调前逆变器三相PWM调制波作加法，其输出作为最终的三相PWM调制波。

如图5、6所示，本发明利用MATLAB中的simulink模块对本发明方法进行了仿真验证。从图5可看出，未采用本发明控制方法，由于上下分压电容侧损耗不相等，经过0.6秒之后，上下分压电容电压差达到200V；从图6可看出，采用本发明控制方法，虽然上下分压电容侧侧损耗不相等，但是整个过程中分压电容电压始终能够稳定在400V，其波动幅度合理。两者比较可以看出，本发明控制方法能够很好得控制住二极管箝位三电平直流母线中点电位。

Claims (2)

1.一种三电平逆变器直流母线中点电位的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，控制二极管箝位三电平直流母线上下分压电容的总电压u_dc1+u_dc2；

步骤2，检测二极管箝位三电平直流母线上下分压电容电压u_dc1和u_dc2，两个值作差得到电压差Δu_dc；

步骤3，测量逆变器基波电流及主要次谐波电流相对于电网侧电压的幅度与初始相位角，并利用公式计算相位角φ，计算公式如下：

U₁sin(φ)+U₀cos(φ-α)+U₅cos(5φ-θ₅)+U₇cos(7φ-θ₇)+…+U_ncos(nφ-θ_n)＝0，

其中U₁为电网相电压，U₀为需补偿的基波电流经电感微分后的幅值，α为无功初始相位角，U_n为需补偿的n次谐波经电感微分后的幅值，θ_n为n次谐波相对于基波的初始相位，其中n为奇数；

步骤4，由步骤2测得的分压电容电压差ΔU_dc通过PI调节器调节得到需要注入的零序分量的幅值，由步骤3得到的相位角φ通过计算注入6次零序分量的初始相位角β，β＝6φ，得到PWM调制波的微调指令

步骤5，将步骤4得到的微调指令

通过3路加法器分别同微调前逆变器三相PWM调制波作加法，其输出作为最终的三相PWM调制波。

2.根据权利要求1所述的三电平逆变器直流母线中点电位的控制方法，其特征在于，所述的主要次谐波指5、7、11、13次谐波。

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