本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域，涉及二極管鉗位式三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制，基于零序電壓注入的三電平中點(diǎn)電位平衡控制方法，采用預(yù)估-校驗(yàn)-修正的方法，確保計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確。本方法適用于主電路結(jié)構(gòu)采用二極管鉗位式三電平拓?fù)涞哪孀兤鳎缱冾l器、PWM整流器、有源電力濾波器等設(shè)備。

背景技術(shù)：
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近年來，多電平變換器的應(yīng)用越來越廣泛，而三電平中點(diǎn)鉗位逆變器是目前研究和應(yīng)用最為成熟的多電平逆變器結(jié)構(gòu)之一，三電平變換器需采用正負(fù)目前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)涞闹绷鱾?cè)中點(diǎn)電位平衡控制一直是研究的熱點(diǎn)。總的可以為增加硬件輔助電路和改進(jìn)調(diào)制方式兩大類，但基于體積、功耗、成本、穩(wěn)定性各個(gè)方面考慮，改進(jìn)調(diào)制方式更有優(yōu)勢。現(xiàn)在大多都是將載波調(diào)試和空間矢量調(diào)制方法分開研究，空間矢量通過調(diào)整大、小開關(guān)矢量(冗余開關(guān)狀態(tài))的作用時(shí)間調(diào)整中點(diǎn)電位。但由于空間矢量的復(fù)雜性，大大增加了控制的復(fù)雜度，并且此方式僅局限于SVM方法中的應(yīng)用。

專利CN 103138591 B在載波調(diào)制中提出了從零序電壓的角度分析中點(diǎn)電位波動(dòng)問題的思路，通過檢測輸出電流的方向以及三電平變換器中點(diǎn)上的電壓偏差，對偏差進(jìn)行積分控制處理，生成控制量，對三電平載波信號進(jìn)行微調(diào)，此方法由于沒有考慮到零序電壓對參考電壓的影響，只是定性的且不準(zhǔn)確的電壓偏差調(diào)整控制，對中點(diǎn)電位波動(dòng)問題缺乏本質(zhì)上的認(rèn)識。

專利CN 101753044 B提出了注入零序分量以開關(guān)周期為控制周期控制三電平二極管鉗位逆變器中點(diǎn)電位平衡的方法，由于在實(shí)際情況中，直流側(cè)中點(diǎn)的偏移不會(huì)很大，即需要注入或者抽取的中點(diǎn)電流直流分量不會(huì)很大，所以此專利中將基波周期僅按照三相正序輸出電壓過零點(diǎn)分成了6個(gè)扇區(qū)，忽略了注入的零序只考慮了正序分量的區(qū)間劃分，但對指令電壓注入零序分量后，會(huì)對區(qū)間的劃分產(chǎn)生偏移，如果注入的零序分量達(dá)到一定量時(shí)，過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)會(huì)增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于零序電壓注入的三電平中點(diǎn)電位平衡帶校驗(yàn)修正的控制方法，給出了所需注入零序電壓的準(zhǔn)確分析計(jì)算方法，并在計(jì)算之后的基礎(chǔ)上增加了“校驗(yàn)—修正”環(huán)節(jié)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析校驗(yàn)后，最后對控制指令進(jìn)行修正?；诹阈螂妷鹤⑷氲闹悬c(diǎn)電位平衡控制算法反映了中點(diǎn)電位波動(dòng)問題的本質(zhì)，不僅適用于載波調(diào)制方式，也同樣適用于SVM方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的：

一種基于零序電壓注入的三電平中點(diǎn)電位平衡帶校驗(yàn)修正的控制方法，按照如下步驟：在每個(gè)控制周期內(nèi)，測量上、下直流電容的兩端電壓，并計(jì)算電壓偏差：

ΔV_dc(k)＝V_dc1(k)-V_dc2(k)；

根據(jù)上、下電容的直流電壓偏差，可算得平均中線電流：

1)預(yù)估計(jì)算零序電壓v₀

2)對預(yù)估計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)、修正：

3)對輸出結(jié)果限幅。

所述預(yù)估計(jì)算零序電壓v₀，先根據(jù)三相正序電壓的符號預(yù)估計(jì)算所需注入的零序電壓v₀，即：

所述對預(yù)估計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)、修正：

將三相正序參考電壓瞬時(shí)值按照由大到小的順序排列(v_max,v_mid,v_min)，

并記錄相應(yīng)的符號為(sgn(v_max),sgn(v_mid),sgn(v_min))；

v_mid＝mid(v_a1,v_b1,v_c1)，如果sgn(v_mid)＝sgn(v_mid+v_0st)，則預(yù)估結(jié)果正確，v₀＝v_0st；

如果sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0st)，則重新計(jì)算v_0st，重新計(jì)算的結(jié)果即為最后需要注入的零序電壓v₀。

所述對輸出結(jié)果限幅：

可注入的零序電壓應(yīng)受到|v_x|＝|v_x1+v₀|≤1的條件約束，所以最后需對計(jì)算的v₀結(jié)果進(jìn)行限幅：

令v_max＝max(v_a1,v_b1,v_c1)，v_min＝min(v_a1,v_b1,v_c1)

1)v₀+v_max>1，v₀＝1-v_max；

2)v₀+v_min<-1，v₀＝-1-v_min；

其他情況v₀計(jì)算結(jié)果保持不變。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的方法增加了“校驗(yàn)—修正”環(huán)節(jié)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析校驗(yàn)后，最后對控制指令進(jìn)行修正?；诹阈螂妷鹤⑷氲闹悬c(diǎn)電位平衡控制算法反映了中點(diǎn)電位波動(dòng)問題的本質(zhì)，不僅適用于載波調(diào)制方式，也同樣適用于SVM方法。

附圖說明：

圖1三電平中點(diǎn)鉗位逆變器主回路拓?fù)鋱D；

圖2為三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制框圖；

圖3為本發(fā)明的計(jì)算流程圖；

圖4為未添加均壓算法實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證結(jié)果圖一；

圖5為未添加均壓算法實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證結(jié)果圖二；

圖6為添加均壓算法實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證結(jié)果圖一；

圖7為添加均壓算法實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證結(jié)果圖二。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1-7，三電平中點(diǎn)鉗位逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，主要由三相二極管鉗位式電路、直流電容組成。

5.1.中點(diǎn)電位波動(dòng)模型

以直流電容中點(diǎn)為參考點(diǎn)，逆變器的開關(guān)狀態(tài)可以表示為：

V_s＝[S_a，S_b，S_c，]^T (1)；

式中S_x＝-1，0，1，x＝a，b，c。

對于任意一相橋臂，當(dāng)鉗位于中點(diǎn)時(shí)，即S_x(t)＝0，此時(shí)電流會(huì)通過鉗位二極管流入到中線，所以中線電流的瞬時(shí)值可以表示為：

i_np(t)＝[1-abs(S_a)]*i_a+[1-abs(S_b)]*i_b+[1-abs(S_c)]*i_c

＝-abs(S_a)*i_a-abs(S_b)*i_b-abs(S_c)*i_c (2)；

式中abs(.)為絕對值函數(shù)。

設(shè)三相正序參考電壓穩(wěn)態(tài)表達(dá)式為：

M為調(diào)制比。

設(shè)注入的零序電壓為v₀(t)，則實(shí)際的三相參考電壓為：

PWM控制的本質(zhì)就是在一個(gè)控制周期內(nèi)，控制開關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、Sc輸出的平均效果與參考電壓等效，所以一個(gè)控制周期內(nèi)的平均中線電流可表示如下：

i_NP＝-abs(v_a)*i_a-abs(v_b)*i_b-abs(v_c)*i_c (5)；

定義符號函數(shù)：

將式(4)帶入式(5)，平均中線電流可表示為：

i_NP＝-[sgn(v_a)*v_a1*i_a+sgn(v_b)*v_b1*i_b+sgn(v_c)*v_c1*i_c]-v₀*[sgn(v_a)*i_a+sgn(v_b)*i_b+sgn(v_c)*i_c]

(7)；

這個(gè)電流是造成穩(wěn)態(tài)下直流電壓波動(dòng)的根本原因，所以控制此電流為0，即等效于控制每個(gè)控制周期內(nèi)直流電壓的變化△V_dcl＝△V_dc2＝0，為了使i_NP等于0，零序電壓v₀(t)應(yīng)該被控制為：

大、小開關(guān)矢量作用時(shí)間達(dá)到控制中點(diǎn)電位平衡，在本質(zhì)上也就是在調(diào)整平均輸出電壓中的零序分量。所以說無論是載波調(diào)制還是SVM調(diào)制，通過零序電壓分量來控制中點(diǎn)電位平衡，是本質(zhì)的方法。

計(jì)算v₀時(shí)，需要知道實(shí)際參考電壓的符號，但實(shí)際參考電壓需要知道零序電壓v₀后才能得到，專利CN 101753044 B正是沒有注意到實(shí)際參考電壓與正序參考電壓之間可能存在的差別。根據(jù)正序?qū)⒒▌澐譃?個(gè)扇區(qū)，在不同的區(qū)域確實(shí)可以將v₀計(jì)算出，但計(jì)算得到的是所需注入零序電壓的穩(wěn)態(tài)解析表達(dá)式，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)起來比較困難，不利于實(shí)時(shí)控制。

實(shí)時(shí)控制中，正序參考電壓、電流瞬時(shí)值，這些是很容易得到，所以直接采用式(8)進(jìn)行瞬時(shí)值計(jì)算更有利于實(shí)時(shí)控制，且更容易實(shí)現(xiàn)，但主要問題還是存在于實(shí)際參考電壓的符號判斷上，所以此專利提出了依據(jù)正序計(jì)算完成后，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)、修正環(huán)節(jié)。對于實(shí)際參考電壓符號先采用三相正序電壓的符號預(yù)估計(jì)算所需注入的零序電壓，即：

這樣計(jì)算得到試探性結(jié)果v₀(ts)，然后對此結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)、修正。

式(9)中，我們根據(jù)三相正序電壓的符號進(jìn)行的預(yù)估計(jì)算，所以結(jié)果正確與否，應(yīng)判斷滿足如下：

如果滿足式(10)，說明計(jì)算過程中所使用的符號恰為實(shí)際電壓的參考符號，所得計(jì)算結(jié)果為正確結(jié)果，如果不滿足，說明v₀使實(shí)際參考電壓符號發(fā)生改變，那么根據(jù)式(9)計(jì)算的結(jié)果就是錯(cuò)誤的。如果結(jié)果錯(cuò)誤，就需要對結(jié)果進(jìn)行修正，將三相正序參考電壓瞬時(shí)值按照由大到小的順序排列(v_max,v_mid,v_min)，并記錄相應(yīng)的符號為(sgn(v_max),sgn(v_mid),sgn(v_min))，v₀的注入會(huì)影響v_mid的符號，即如果sgn(v_mid)＝sgn(v_mid+v_0ts)，則直接使用式(9)計(jì)算的結(jié)果v₀(ts)，如果sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0ts)，則令sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0ts)重新計(jì)算v₀。最后對計(jì)算的v₀結(jié)果進(jìn)行限幅：

令v_max＝max(v_a1,v_b1,v_c1)，v_min＝min(v_a1,v_b1,v_c1)；

1)v₀+v_max>1，v₀＝1-v_max；

2)v₀+v_min<-1，v₀＝-1-v_min。

4)在每個(gè)控制周期內(nèi)，測量上、下直流電容的兩端電壓，并計(jì)算電壓偏差：

ΔV_dc(k)＝V_dc1(k)-V_dc2(k)；

根據(jù)上、下電容的直流電壓偏差，可算得平均中線電流：

5)預(yù)估計(jì)算零序電壓v₀

先根據(jù)三相正序電壓的符號預(yù)估計(jì)算所需注入的零序電壓v₀，即：

6)對預(yù)估計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)、修正

將三相正序參考電壓瞬時(shí)值按照由大到小的順序排列(v_max,v_mid,v_min)，并記錄相應(yīng)的符號為(sgn(v_max),sgn(v_mid),sgn(v_min))；

v_mid＝mid(v_a1,v_b1,v_c1)，如果sgn(v_mid)＝sgn(v_mid+v_0st)，則預(yù)估結(jié)果正確，v₀＝v_0st；

如果sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0st)，則重新計(jì)算v_0st，重新計(jì)算的結(jié)果即為最后需要注入的零序電壓v₀。

7)對輸出結(jié)果限幅

可注入的零序電壓應(yīng)受到|v_x|＝|v_x1+v₀|≤1的條件約束，所以最后需對計(jì)算的v₀結(jié)果進(jìn)行限幅：

令v_max＝max(v_a1,v_b1,v_c1)，v_min＝min(v_a1,v_b1,v_c1)

3)v₀+v_max>1，v₀＝1-v_max；

4)v₀+v_min<-1，v₀＝-1-v_min；

5)其他情況v₀計(jì)算結(jié)果保持不變。

實(shí)驗(yàn)基于10kVA/400V三電平實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行驗(yàn)證，交流側(cè)直接與不平衡負(fù)載相連，直流側(cè)使用調(diào)壓器輸出接整流橋的方式模擬直流源，整流電壓為250V，交流側(cè)B相電流輸出電流有效值20A。

實(shí)驗(yàn)波形如下：

#1通道：A相電流#2通道：B相電流M：C相電流(算數(shù)合成)

#3通道：上母線電容電壓#4通道：下電容母線電壓；

如圖6-7，未添加均壓算法，直流母線電壓上、下電容相差較為明顯；添加均壓算法后，直流母線電壓均壓得到了良好的控制。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。