专利名称：一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置及方法
技术领域：
本发明属于电力电子领域，涉及一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置及方法。
背景技术：
三电平逆变器具有结构紧凑，输出电压电流谐波含量低，开关管所承受的电压仅为直流母线电压的一半等优点。所以在中高电压大功率场合得到广泛应用。三电平逆变器存在一个固有的缺点，即存在中点电压不平衡问题。中点电压不平衡会造成严重的危害逆变器输出电压波形发生畸变；开关器件承受的电压不均衡；直流侧电容的电压波动降低了电容的寿命。为了使逆变器能够正常工作，应努力使得中点电压保持平衡。 抑制中点电位偏移的方法有硬件和软件两大类。单从软件出发抑制中点电位偏移将会增加控制的复杂性。单从硬件出发抑制中点电位平衡将会增加大量元器件使成本增力口。因此，本领域中亟待提出一种从硬件和软件两方面相结合从而能有效抑制三电平逆变器中点电位的偏移的装置及方法。
发明内容
本发明提供一种三电平逆变器中点平衡控制装置及方法，从软件和硬件两方面出发有效三电平逆变器抑制中点电位偏移，从而达到正负母线上电压的平衡。本发明通过以下技术方案实现，一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置，所述装置，用于控制三电平逆变器的中点电位平衡，该装置包括电压采集单元、比例积分控制单元、脉宽控制单元以及电压调节单元，其中电压采集单元，用于获取母线上电容电压和母线下电容电压，所述电压采集单元输入端与三电平逆变器的母线及母线中点端子连接；比例积分控制单元，用于对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理，所述比例积分控制单元的输入端与电压采集单元的输出端连接；脉宽控制单元，用于根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号从而控制电压调节单元，所述脉宽控制单元的输入端与比例积分控制单元的输出端连接；电压调节单元，用于根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡，所述电压调节单元的输入端与脉宽控制单元的输出端连接。特别的，所述比例积分控制单元进一步包括计算模块，用于根据母线上电容电压和母线下电容电压计算三电平逆变器中点电压偏移量，所述计算模块的输入端与电压采集单元的输出端连接；核心控制模块，用于对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量，所述核心控制模块的输入端与计算模块的输出端连接，所述核心控制模块的输出端为比例积分控制单元的输出端。
特别的，所述脉宽控制单元进一步包括微调模块，用于判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半达到对母线上下电容电压进行微调，所述微调模块输入端与比例积分控制单元输出端连接；调制模块，用于根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号，所述调制模块的输入端与微调模块的输出端连接，调制模块输出端为脉宽控制单元的输出端。特别的，所述电压调节单元进一步包括两个功率开关管、两个二极管、一个电感、两组母线电容，其中两组母线电容串联跨接在直流母线上，两个功率开关管串联跨接在直流母线上，两个二极管分别与两个功率开关管反向并联，电感L跨接在两组母线电容中点与两功率开关管中点间。
特别的，所述装置利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中的两开关管。特别的，所述电压调节单元具体包括当第一电容两端电压+BUS大于第二电容两端电压-BUS时，增加控制第一开关管的调制信号脉宽同时减小控制第二开关管的调制信号的脉宽；当第一电容两端电压+BUS小于第二电容两端电压-BUS时，减小控制第一开关管的调制信号脉宽同时增大控制第二开关管的调制信号脉宽。 本发明还提供了一种三电平逆变器中点电位平衡控制方法，用于控制三电平逆变器的中点电位平衡，包括如下步骤SI、电压采集单元获取母线上电容电压和母线下电容电压；S2、比例积分控制单元对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理；S3、脉宽控制单元根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号，用于控制电压调节单元；S4、电压调节单元根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡。特别的，步骤S2具体是所述比例积分控制单元通过计算三电平逆变器中点电压偏移量，对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量。特别的，步骤S3具体是所述脉宽控制单元通过判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半以达到对母线上下电容电压进行微调，并根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号。特别的，步骤S4具体是利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中的两开关管，当第一电容两端电压+BUS大于第二电容两端电压-BUS时，增加控制第一开关管的调制信号脉宽同时减小控制第二开关管的调制信号的脉宽；当第一电容两端电压+BUS小于第二电容两端电压-BUS时，减小控制第一开关管的调制信号脉宽同时增大控制第二开关管的调制信号脉宽。本发明通过采取软件和硬件相结合的方式来抑制三电平逆变器中点电位偏移，结构和控制均比较简单，提高了三电平逆变器的稳定性。
图I是实施例所述三电平逆变器中点电位平衡控制装置系统结构框图2是实施例所述比例积分控制单元模块框图；图3是实施例所述脉宽控制单元模块框图；图4是实施例所述三电平逆变器中点电位平衡控制方法流程示意图；图5是本发明优选实施例所述电压调节单元电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。图I是本实施例所述三电平逆变器中点平衡控制装置系统结构框图，如图I所示，本发明所述三电平逆变器中点平衡控制装置包括电压采集单元101、比例积分控制单元102、脉宽控制单元103和电压调节单元104，其中，上述单元依此相连接。
电压采集单元101，用于获取母线上电容电压和母线下电容电压，所述电压采集单元输入端与三电平逆变器的母线及母线中点端子连接；比例积分控制单元102，用于对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理，所述比例积分控制单元102的输入端与电压采集单元101的输出端连接；脉宽控制单元103，用于产生脉宽调制信号，所述脉宽控制单元的输入端与比例积分控制单元102的输出端连接；电压调节单元104，用于调节母线上下电容电压使中点电位平衡，所述电压调节单元104的输入端与脉宽控制单元103的输出端连接。图2是实施例所述比例积分控制单元模块框图，如图2所示，所述比例积分控制单元102进一步包括计算模块201，用于根据母线上电容电压和母线下电容电压计算三电平逆变器中点电压偏移量，所述计算模块201的输入端与电压采集单元101的输出端连接；核心控制模块202，用于对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量，所述核心控制模块202的输入端与计算模块201的输出端连接，所述核心控制模块202的输出端为比例积分控制单元102的输出端。图3是实施例所述脉宽控制单元模块框图，如图3所示，所述脉宽控制单元103进一步包括微调模块301，用于判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半达到对母线上下电容电压进行微调，所述微调模块301输入端与比例积分控制单元102输出端连接；调制模块302，用于根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号，所述调制模块302的输入端与微调模块301的输出端连接，调制模块302输出端为脉宽控制单元103的输出端。图4是实施例所述三电平逆变器中点电位平衡控制方法流程示意图，如图4所示，图I所述三电平逆变器中点平衡控制装置中各单元、模块的工作流程如下SI、电压采集单元获取母线上电容电压和母线下电容电压；S2、比例积分控制单元对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理；进一步，所述比例积分控制单元通过计算三电平逆变器中点电压偏移量，对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量。S3、脉宽控制单元根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号，用于控制电压调节单元；进一步，所述脉宽控制单元通过判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半以达到对母线上下电容电压进行微调，并根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号。S4、电压调节单元根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡。作为优选实施例，下面结合图5对本发明做出进一步说明。图5是本发明所述电压调节单元104电路原理图，如图5所示，所述电压调节单元104包括两个功率开关管Q1、Q2、两个二极管D1、D2、一个电感L、两组母线电容C1、C2。·两组母线电容C1、C2串联跨接在直流母线上，两个功率开关管Q1、Q2串联跨接在直流母线上，两个二极管D1、D2分别与两个功率开关管Q1、Q2反向并联，电感L跨接在两组母线电容C1、C2中点与两功率开关管Ql、Q2中点间。作为优选实施例，本发明中，电压采集单元101采集电容Cl两端电压+BUS和电容C2两端电压-BUS (如图5所示)。比例积分控制单元102的输入端与电压采集单元101输出端连接，对电容Cl、C2两端电压之差进行比例积分运算得到比例积分控制量。脉宽控制单元103根据比例积分控制量产生输出两路互补的脉宽调制信号，控制所述电压调节单元104。进一步，图5中所示，两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元104中的两开关管Q1、Q2，当电容Cl两端电压+BUS大于电容C2两端电压-BUS时，增加控制开关管Ql的调制信号脉宽同时减小控制开关管Q2的调制信号的脉宽；当电容Cl两端电压+BUS小于电容C2两端电压-BUS时，减小控制开关管Ql的调制信号脉宽同时增大控制开关管Q2的调制信号脉宽。当母线上(即正母线)电压+BUS大于母线下(即负母线)电压-BUS时，开关管Ql开通、开关管Q2关断，电容Cl向电感L转移能量；当开关管Ql关断、开关管Q2开通时，电感L中电流通过二极管D2续流，电感L中的储能转移至电容C2中，经过一段时间调节，最终母线上电容电压+BUS和母线下电容电压-BUS的电压会达到平衡；当母线上电压+BUS小于母线下电压-BUS时，开关管Q2开通、开关管Ql关断，电容C2向电感L转移能量；当开关管Q2关断、开关管Ql开通时，电感L中电流通过二极管Dl续流，电感L中的储能转移至电容Cl中，经过一段时间调节，最终正母线电压+BUS和负母线电压-BUS的电压会达到平衡。采取上述方案，本发明采取软件和硬件相结合的方式能有效抑制三电平逆变器中点电位偏移，结构和控制均比较简单，提高了三电平逆变器的稳定性。以上仅是针对本发明的具体实施例及其技术原理所做的说明，而并非对本发明的技术内容所进行的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的技术范围内，所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置，用于控制三电平逆变器的中点电位平衡，其特征在于，该装置包括电压采集单元、比例积分控制单元、脉宽控制单元以及电压调节单元，其中 电压采集单元，用于获取母线上电容电压和母线下电容电压，所述电压采集单元输入端与三电平逆变器的母线及母线中点端子连接； 比例积分控制单元，用于对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理，所述比例积分控制单元的输入端与电压采集单元的输出端连接； 脉宽控制单元，用于根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号从而控制电压调节单元，所述脉宽控制单元的输入端与比例积分控制单元的输出端连接； 电压调节单元，用于根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡，所述电压调节单元的输入端与脉宽控制单元的输出端连接。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于所述比例积分控制单元进一步包括 计算模块，用于根据母线上电容电压和母线下电容电压计算三电平逆变器中点电压偏移量，所述计算模块的输入端与电压采集单元的输出端连接； 核心控制模块，用于对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量，所述核心控制模块的输入端与计算模块的输出端连接，所述核心控制模块的输出端为比例积分控制单元的输出端。
3.如权利要求I所述的装置，其特征在于所述脉宽控制单元进一步包括 微调模块，用于判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半达到对母线上下电容电压进行微调，所述微调模块输入端与比例积分控制单元输出端连接； 调制模块，用于根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号，所述调制模块的输入端与微调模块的输出端连接，调制模块输出端为脉宽控制单元的输出端。
4.如权利要求I所述的装置，其特征在于所述电压调节单元进一步包括两个功率开关管、两个二极管、一个电感、两组母线电容，其中 两组母线电容串联跨接在直流母线上，两个功率开关管串联跨接在直流母线上，两个二极管分别与两个功率开关管反向并联，电感L跨接在两组母线电容中点与两功率开关管中点间。
5.如权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于 所述装置利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中的两开关管。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于 所述电压调节单元具体包括当第一电容两端电压+BUS大于第二电容两端电压-BUS时，增加控制第一开关管的调制信号脉宽同时减小控制第二开关管的调制信号的脉宽；当第一电容两端电压+BUS小于第二电容两端电压-BUS时，减小控制第一开关管的调制信号脉宽同时增大控制第二开关管的调制信号脉宽。
7.一种三电平逆变器中点电位平衡控制方法，用于控制三电平逆变器的中点电位平衡，其特征在于，包括如下步骤 ·51、电压采集单元获取母线上电容电压和母线下电容电压； ·52、比例积分控制单元对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理； ·53、脉宽控制单元根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号，用于控制电压调节单元; S4、电压调节单元根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S2具体是 所述比例积分控制单元通过计算三电平逆变器中点电压偏移量，对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤S3具体是 所述脉宽控制单元通过判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半以达到对母线上下电容电压进行微调，并根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S4具体是 利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中的两开关管，当第一电容两端电压+BUS大于第二电容两端电压-BUS时，增加控制第一开关管的调制信号脉宽同时减小控制第二开关管的调制信号的脉宽；当第一电容两端电压+BUS小于第二电容两端电压-BUS时，减小控制第一开关管的调制信号脉宽同时增大控制第二开关管的调制信号脉宽。
全文摘要
本发明适用于电力电子领域，涉及一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置及方法。所述装置包括电压采集单元、比例积分控制单元、脉宽控制单元、电压调节单元。本发明所提供的中点电位平衡装置通过实时检测母线上下电容电压然后对其进行比例积分控制处理生成控制量，并根据该控制量对电压调节单元功率管的脉宽调制占空比进行调节。本发明具有结构简单，控制实现简便，控制效果与逆变系统的调制比及功率因素无关，可以将中点电位控制在一个比较小的范围内。
文档编号H02M7/483GK102843055SQ20121032467
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者王律明, 张志红, 陈东 申请人:江苏中航动力控制有限公司