本發(fā)明涉及三電平直流-交流電能變換裝置，具體涉及一種三電平直流-交流電能變換裝置消除直流中點(diǎn)電壓低頻紋波的控制方法。

背景技術(shù)：

多電平逆變器可以降低輸出電壓的諧波含量，減小開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力，在高壓大功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。其中三電平中點(diǎn)鉗位型逆變器研究和應(yīng)用最為廣泛。三電平中點(diǎn)鉗位型逆變器能夠正常工作的前提條件是中點(diǎn)電壓保持平衡。中點(diǎn)電壓不平衡會(huì)導(dǎo)致輸出電壓電流諧波含量增加，若電壓波動(dòng)程度劇烈或出現(xiàn)較大穩(wěn)態(tài)偏差，會(huì)導(dǎo)致橋臂開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力增加，可能使開(kāi)關(guān)管過(guò)壓損壞。同時(shí)中點(diǎn)電壓還存在固有的低頻紋波，這種低頻紋波會(huì)導(dǎo)致輸出電壓和電流諧波增加，若紋波幅值過(guò)大也可能會(huì)損壞開(kāi)關(guān)器件。

中點(diǎn)嵌位型三電平逆變器采用傳統(tǒng)的SPWM或SVPWM調(diào)制方法進(jìn)行控制時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電壓產(chǎn)生固有的三倍基頻的低頻電壓紋波。針對(duì)中點(diǎn)電壓低頻紋波的問(wèn)題，目前的主要方案分別是在SVPWM調(diào)制中通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)中小矢量的分配比、SPWM方案中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)零序電壓注入量來(lái)削弱低頻紋波。然而上述方法都存在極其復(fù)雜的扇區(qū)判斷，往往涉及非常多的公式計(jì)算，邏輯和計(jì)算均非常復(fù)雜。

目前三電平逆變器中點(diǎn)電壓低頻紋波的控制方面還存在種種的問(wèn)題，這些問(wèn)題尚未得到解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)傳統(tǒng)三電平逆變器所存在的中點(diǎn)電壓存在低頻紋波方面的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種計(jì)算簡(jiǎn)單并且可以有效消除三電平逆變器直流中點(diǎn)電壓低頻紋波的控制方法。

具體而言，本發(fā)明提供了一種消除三電平逆變器直流中點(diǎn)電壓低頻紋波的控制方法，其特征在于，所述三電平逆變器包括直流電源、直流側(cè)穩(wěn)壓電容C1和C2、A相嵌位二極管D_a1和D_a2，B相開(kāi)關(guān)管S_b1～S_b4，B相嵌位二極管D_b1和D_b2，C相開(kāi)關(guān)管S_c1～S_c4，C相嵌位二極管D_c1和D_c2，以及三相交流負(fù)載，A相開(kāi)關(guān)管S_a1～S_a4，A相嵌位二極管D_a1和D_a2組成A相中點(diǎn)嵌位型橋臂；B相開(kāi)關(guān)管S_b1～S_b4，B相嵌位二極管D_b1和D_b2組成B相中點(diǎn)嵌位型橋臂；C相開(kāi)關(guān)管S_c1～S_c4，C相嵌位二極管D_c1和D_c2組成C相中點(diǎn)嵌位型橋臂，三個(gè)橋臂的中點(diǎn)均連接在直流側(cè)穩(wěn)壓電容C1和C2的中點(diǎn)上，三個(gè)橋臂的正極性端均連接至所述直流電源的正極，負(fù)極性端均連接至所述直流電源的負(fù)極，交流端分別連接至負(fù)載的a、b、c端點(diǎn)，

所述方法通過(guò)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)中點(diǎn)電壓差進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的中點(diǎn)電壓差，實(shí)時(shí)補(bǔ)償一個(gè)特定的零序電壓，從而使下個(gè)開(kāi)關(guān)周期產(chǎn)生的中點(diǎn)電流對(duì)中點(diǎn)電壓差進(jìn)行快速完全補(bǔ)償。

進(jìn)一步地，所述方法包括下述步驟：

(1)采樣直流側(cè)穩(wěn)壓電容C1和C2兩端電壓，計(jì)算消除紋波需要的零序電流分量，零序電流分量i^*_NP的計(jì)算公式為：

(2)采樣三相輸出電壓v_a，v_b，v_c，并對(duì)三者進(jìn)行大小判斷，分別得到三相輸出電壓中的最大值v_max，中間值v_mid和最小值v_min；

(3)采樣三相輸出電流i_a，i_b，i_c，并對(duì)三者進(jìn)行大小判斷，分別得到三相輸出電流中最大值i_max，中間值i_mid和最小值i_min；

(4)計(jì)算中間中點(diǎn)電流i_0mid，其計(jì)算公式如下：

i_0mid＝(1-v_max+v_mid)i_max+(1+v_min-v_mid)i_min+i_mid

(5)計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)k₁和k₂，其計(jì)算公式如下：

(6)計(jì)算需要注入的零序電壓分量v₀，其計(jì)算公式如下：

式(VIII)有兩種表達(dá)式，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況，選擇其中一種來(lái)計(jì)算零序電壓，邏輯選擇表如下：

本發(fā)明控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)有效且快速的實(shí)現(xiàn)三電平逆變器中點(diǎn)電壓的平衡；

(2)可以有效消除中點(diǎn)電壓的低頻紋波；

(3)控制方法實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，計(jì)算量??；

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所應(yīng)用于的三相三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明控制方法在一種工況下注入的零序電壓波形；

圖3是采用本發(fā)明方法與傳統(tǒng)控制方法中點(diǎn)電壓波形對(duì)比；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及其實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但并不因此將本發(fā)明的保護(hù)范圍限制在實(shí)施例描述的范圍之中。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是三相三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，所述三相三電平逆變器包括直流電源V_dc，直流側(cè)穩(wěn)壓電容C1和C2，A相開(kāi)關(guān)管S_a1～S_a4，A相嵌位二極管D_a1和D_a2，B相開(kāi)關(guān)管S_b1～S_b4，B相嵌位二極管D_b1和D_b2，C相開(kāi)關(guān)管S_c1～S_c4，C相嵌位二極管D_c1和D_c2，以及三相交流負(fù)載。A相開(kāi)關(guān)管S_a1～S_a4，A相嵌位二極管D_a1和D_a2組成A相中點(diǎn)嵌位型橋臂；B相開(kāi)關(guān)管S_b1～S_b4，B相嵌位二極管D_b1和D_b2組成B相中點(diǎn)嵌位型橋臂；C相開(kāi)關(guān)管S_c1～S_c4，C相嵌位二極管D_c1和D_c2組成C相中點(diǎn)嵌位型橋臂。該逆變器還包括控制模塊，控制模塊用于生成控制信號(hào)，以控制逆變器中的各個(gè)部件。

圖2所示為本發(fā)明控制方法在一種工況下注入的零序電壓波形。如圖2所示，三相三電平逆變器按照傳統(tǒng)SPWM調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制時(shí)，載波V_ca是由關(guān)于y＝0水平線對(duì)稱(chēng)的兩組三角波組成，三角波幅值為1，頻率為開(kāi)關(guān)頻率f_s。傳統(tǒng)調(diào)制波V_r是關(guān)于y＝0水平線對(duì)稱(chēng)的正弦波，其表達(dá)式如(I)所示，

其中ω是基波角頻率，其開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通方式按下述公式進(jìn)行，

按傳統(tǒng)調(diào)制方式得到中點(diǎn)電流的表達(dá)式如式(III)所示，i_NP表示流出逆變器中點(diǎn)的電流，i_a，i_b和i_c分別是三相逆變器輸出相電流，該表達(dá)式是一個(gè)按照三倍基頻波動(dòng)的函數(shù)，因此導(dǎo)致中點(diǎn)電壓產(chǎn)生三倍基頻低頻紋波，

本發(fā)明所述的控制方法在傳統(tǒng)調(diào)制波中注入特定的零序電壓分量v₀，使中點(diǎn)電流表達(dá)式為：

本發(fā)明的零序電壓分量v₀在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)按照下述步驟生成，

(1)采樣穩(wěn)壓電容C1和C2兩端電壓，計(jì)算消除紋波需要的零序電流分量，

當(dāng)中點(diǎn)電壓差ΔV＝V_c1-V_c2存在時(shí)，其中V_c1和V_c2分別是穩(wěn)壓電容C1和C2兩端電壓，注入零序電壓應(yīng)能夠產(chǎn)生中點(diǎn)電流對(duì)C1和C2進(jìn)行充放電，使兩個(gè)電容的電壓差在經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T_s后恢復(fù)為零，因此需要的零序電流分量i^*_NP表達(dá)式為：

(2)采樣三相電壓v_a，v_b，v_c，并進(jìn)行大小判斷，分別得到三相電壓中最大值v_max，中間值v_mid，和最小值v_min；

(3)采樣三相電流i_a，i_b，i_c，并進(jìn)行大小判斷，分別得到三相電流中最大值i_max，中間值i_mid，和最小值i_min；

(4)計(jì)算中間中點(diǎn)電流i_0mid，其表達(dá)式如下：

i_0mid＝(1-v_max+v_mid)i_max+(1+v_min-v_mid)i_min+i_mid (VI)

(5)計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)k₁和k₂，其表達(dá)式如下：

(6)計(jì)算需要注入的零序電壓分量v₀，其表達(dá)式如下：

式(VIII)有兩種表達(dá)式，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況，選擇其中一種來(lái)計(jì)算零序電壓，邏輯選擇表如下：

本發(fā)明的方法在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)中點(diǎn)電壓差進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的中點(diǎn)電壓差，實(shí)時(shí)補(bǔ)償一個(gè)特定的零序電壓，從而使下個(gè)開(kāi)關(guān)周期產(chǎn)生的中點(diǎn)電流對(duì)中點(diǎn)電壓差進(jìn)行快速完全補(bǔ)償，從而保證中點(diǎn)電壓在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)均保持平衡，從而消除低頻電壓紋波。

圖3顯示了本發(fā)明的方法應(yīng)用前后中點(diǎn)電壓仿真波形對(duì)比。仿真參數(shù)為：開(kāi)關(guān)頻率15kHz，交流電壓基波頻率50Hz，線電壓有效值為380V，直流電壓V_dc為700V，負(fù)載為4.28mH電感25歐電阻，調(diào)制比m為1，C1和C2均為470uF，中點(diǎn)電壓差ΔV為100V。

從圖3中可以看出，當(dāng)中點(diǎn)電壓差有100V時(shí)，傳統(tǒng)控制方法需要約0.2s才能調(diào)節(jié)至平衡，且穩(wěn)態(tài)時(shí)仍然存在極大的低頻紋波，紋波峰峰值約為35V；采用本發(fā)明方法后，中點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)到平衡，恢復(fù)時(shí)間僅為0.015s，速度提高不止10倍，穩(wěn)態(tài)時(shí)中點(diǎn)電壓低頻紋波完全消除，中點(diǎn)電壓波動(dòng)的最大峰峰值在1V以內(nèi)。

本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施例和附圖公開(kāi)內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變換或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。

雖然上面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的示意性實(shí)現(xiàn)方式的解釋?zhuān)⒎菍?duì)本發(fā)明包含范圍的限定。實(shí)施例中的細(xì)節(jié)并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案的等效變換、簡(jiǎn)單替換等顯而易見(jiàn)的改變，均落在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。