具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统及方法

具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统及方法。该系统包括多电平逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接的采样单元、闭环控制单元和DPWM脉宽调制单元；所述DPWM脉宽调制单元的输出端通过驱动电路接入多电平逆变器每相桥臂各个开关管。该方法为：在每个开关周期内，采样单元分别采集多电平逆变器的直流母线电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号和三相电流信号；采集到的信号经闭环控制单元处理得到三相调制波；三相调制波经DPWM脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，该信号经驱动电路控制多电平逆变器每相开关管的工作状态。本发明能够抑制多电平逆变器直流母线中点电压的低频振荡、实现中点电压平衡。
【专利说明】具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统及方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子变换技术中的控制【技术领域】，特别是一种具有低频振荡抑制 功能的中点电压平衡控制系统及方法。

【背景技术】
[0002] 近年来，多电平逆变器已经广泛地应用在高压中大功率变换场合；其电路拓扑结 构与控制方法成为了当今的研究热点。相比两电平逆变器，多电平逆变器具有开关管电压 应力低、电磁噪声小、输出电压谐波畸变率低等诸多优点。
[0003] 多电平逆变器的拓扑大体可以分为三类：二极管箝位型、级联型、飞跨电容型，其 中应用最广泛的为二极管箝位型逆变器。以三电平逆变器为例，三电平二极管箝位型逆变 器可分为中点箝位型（NPC)逆变器和T型逆变器。理想情况下，这两种拓扑中直流母线电 压被上下直流母线电容均分；但实际应用中，由于各种原因使得上下直流母线电容电压出 现波动和上下直流母线电容电压不相等情况，即中点电压不平衡。中点电压不平衡现象会 导致功率开关管不安全运行，输出电压波形质量降低，严重时影响系统正常工作。
[0004] 多电平逆变器的控制方法主要有：正弦脉宽调制（SPWM)、空间矢量脉宽调制 (SVPWM)、三次谐波注入脉宽调制（THIPWM)、不连续脉宽调制（DPWM)等。目前，国内外关 于中点电压平衡控制问题已经有不少研究。在上述脉宽调制方法中，DPWM调制方法具有 降低逆变器开关损耗，提高逆变效率等优点而备受关注，目前几种典型的DPWM调制方法 有：输出电压在工频正负半周峰值处各60°区间开关不动作的DPWM1方法；输出电压在 工频负半周120°区间不动作的DPWMMIN方法；输出电压在工频正半周期120°区间不 动作的DPWMMAX方法等（统称为DPWMx)。例如：文献1 (王新宇，何英杰，刘进军.注 入零序分量SPWM调制三电平逆变器直流侧中点电压平衡控制机理[J].电工技术学 报，2011，26 (5) : 71-77.)通过注入6倍次零序分量到三相调制波控制指令电压中实现中点 电压控制，但该方法较为复杂，它基于一个工频周期进行控制，与基于开关周期进行控制的 方法相比，调节时间过长；文献2(宋文祥，陈国呈，等.一种具有中点电位平衡功能的三 电平空间矢量调制方法及其实现[J].中国电机工程学，2006, 26(12) :96-100.)在传统的 不具备中点电压平衡调节功能的七段式SVPWM控制方法的基础上，提出一种结合十三段 式、九段式、七段式混合调制的新的SVPWM控制方法对中点电压进行控制，它是在一个工频 周期内分区间选取调制方式，其中十三段式调制方式下每个开关周期内开关管动作12次、 九段式调制方式下每个开关周期开关管动作8次，因此该混合调制方式平均开关损耗较传 统的七段式SVPWM控制方法大大增加。文献3 (程善美，王淡，夏丽涛，万淑芸.不连续空间 矢量脉宽调制策略研究[J]，伺服技术，2002, 36 (4) :37-40.)主要研究几种不连续的空间 矢量脉宽调制策略，针对工频周期内某一定区域范围内某一相动作，从而减少开关损耗，但 是该控制方法不具有中点电压平衡控制的能力。
[0005] 综上所述，传统的SVPWM、DPWMx、SPWM控制方法一般不具有中点电压平衡调节的 能力，且传统的DPWMx方法在工频周期内某一段连续区间保持某相开关管不动作，因此能 够减少开关损耗，但是在开关不动作区域，逆变器输出电感电流纹波增大，处于不动作区域 的时间越长，纹波越大，势必影响输出电流谐波特性。


【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于提供一种控制方法简单、易于数字实现的具有低频振荡抑制功 能的中点电压平衡控制系统及方法。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡 控制系统，包括多电平逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接 的采样单元、闭环控制单元和DPWM脉宽调制单元；所述采样单元分别采集多电平逆变器的 直流母线电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流信 号，DPWM脉宽调制单元的输出端通过驱动电路接入多电平逆变器每相桥臂各个开关管；
[0008] 在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集多电平逆变器的直流 母线电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流信号；采 集到的信号经闭环控制单元处理得到三相调制波V a、Vb、V。；三相调制波经DPWM脉宽调制单 元处理得到脉宽调制（PWM)控制信号，该PWM控制信号能够抑制多电平逆变器直流母线中 点电压的低频振荡、实现中点电压平衡；所述PWM控制信号经驱动电路控制多电平逆变器 每相开关管的工作状态。
[0009] -种具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制方法，该方法用于低调制比情况 下的多电平逆变器，包括以下步骤：
[0010] 步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集多电平逆变器 的直流母线电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流 信号；
[0011] 步骤2、闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号以及参考基准信号进行比例积 分微分调节，输出三相调制波v a、vb、V。；
[0012] 步骤3、DPWM脉宽调制单元对步骤2中得到的三相调制波Va、Vb、V。进行调节，获 得能够抑制多电平逆变器直流母线中点电压的低频振荡、实现中点电压平衡的PWM控制信 号；
[0013] 步骤4、驱动电路将步骤3中所得PWM控制信号分配给多电平逆变器每相桥臂各个 开关管，控制多电平逆变器的工作状态，同时抑制低频振荡、调节中点电压平衡。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1)采用了一种DPWM控制方法，应用 于低调制比情况下的多电平逆变器，有效降低了开关损耗；（2)该DPWM控制方法实现了低 调制比情况下的多电平逆变器的中点电压平衡，并消除中点电压低频振荡，克服了输出电 感电流纹波大的缺点；（3)该控制方法无需增加额外的硬件电路，减少了输出电压、电流谐 波，提高了输出波形质量，且控制方法简单、实时性好，便于数字化实现。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是本发明具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统的结构图。
[0016] 图2是三电平逆变器拓扑结构图，其中（a)为T型，（b)为NPC型。
[0017] 图3是在逆变情况下中点电流与电压变化量的变化趋势图，其中（a)为传统SPWM 控制方法，（b)为本发明的DPWM控制方法。
[0018] 图4是三相调制波与空间矢量分布图的对应关系图，其中（a)为三相调制波，（b) 为空间矢量分布图。
[0019] 图5是以图4(b)中内小三角形1区域为例，传统SPWM控制方法和本发明的DPWM 控制方法的中点电流及输出电平状态图，其中（a)为传统SPWM控制方法、（b)为本发明的 DPWM控制方法。
[0020] 图6是实施例中传统SPWM方法控制、本发明的DPWM方法控制下的上下直流母线 电容电压波形图，其中（a)为传统SPWM控制方法，（b)为本发明的DPWM控制方法。

【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0022] 本发明具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统及方法，在奇数、偶数个 开关周期内分别单独调制，并在每个开关周期内前半周期和后半周期分别单独调制，使得 前半周期正小矢量（负小矢量）与后半周期负小矢量（正小矢量）的作用时间相等，因此 在一个开关周期内中点电流平均值为零，实现了中点电压平衡且不存在低频振荡。
[0023] 结合图1，本发明具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统，包括多电平 逆变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接的采样单元、闭环控制 单元和DPWM脉宽调制单元；所述采样单元分别采集多电平逆变器的直流母线电压信号、多 电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流信号，DPWM脉宽调制单元 的输出端通过驱动电路接入多电平逆变器每相桥臂各个开关管；所述数字处理控制模块为 STM32F407 芯片。
[0024] 在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集多电平逆变器的直流 母线电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流信号；采 集到的信号经闭环控制单元处理得到三相调制波V a、Vb、V。；三相调制波经DPWM脉宽调制单 元处理得到脉宽调制（PWM)控制信号，该PWM控制信号能够抑制多电平逆变器直流母线中 点电压的低频振荡、实现中点电压平衡；所述PWM控制信号经驱动电路控制多电平逆变器 每相开关管的工作状态。
[0025] -种具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制方法，该方法用于低调制比情况 下的多电平逆变器，包括以下步骤：
[0026] 步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集多电平逆变器 的直流母线电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流 信号；
[0027] 步骤2、闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号以及参考基准信号进行比例积 分微分调节，输出三相调制波V a、Vb、V。；
[0028] 步骤3、DPWM脉宽调制单元对步骤2中得到的三相调制波Va、Vb、V。进行调节，获 得能够抑制多电平逆变器直流母线中点电压的低频振荡、实现中点电压平衡的PWM控制信 号，具体步骤为：
[0029] (1)在每个工频周期内对开关周期进行计数：
[0030] 在第奇数个开关周期内，将该开关周期分为前半周期和后半周期分别进行调制： 前半周期中，三相调制波Va、Vb、V。都叠加 V。^ = -vmax，其中Vmax = max {Va，Vb，V。}且Vmax>0， 对于逆变器输出瞬时电压最大的一相，则使其输出桥臂电压箝位在参考零电位；后半周期 中，三相调制波Va、V b、V。都叠加= -Vmin，Vmin = min {Va，Vb，V。}且Vmin〈0,对于逆变器输 出瞬时电压最小的一相，则使其输出桥臂电压箝位在参考零电位；
[0031] 在第偶数个开关周期内，前半周期中，三相调制波va、vb、V。都叠加= -vmin，对 于逆变器输出瞬时电压最小的一相，则使其输出桥臂电压箝位在参考零电位；后半周期中， 三相调制波v a、vb、v。都叠加 Vf# = -vmax，对于逆变器输出瞬时电压最大的一相，则使其输 出桥臂电压箝位在参考零电位；
[0032] (2)将所得的新的三相调制波与三角波进行交截，获得能够抑制多电平逆变器直 流母线中点电压的低频振荡、实现中点电压平衡的PWM控制信号。
[0033] 步骤4、驱动电路将步骤3中所得PWM控制信号分配给多电平逆变器每相桥臂各个 开关管，控制多电平逆变器的工作状态，同时抑制低频振荡、调节中点电压平衡。
[0034] 优选的，所述低调制比情况即调制比m满足下式：
[0035]

【权利要求】
1. 一种具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统，其特征在于，包括多电平逆 变器和数字处理控制模块，其中数字处理控制模块包括顺次连接的采样单元、闭环控制单 元和DPWM脉宽调制单元；所述采样单元分别采集多电平逆变器的直流母线电压信号、多电 平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流信号，DPWM脉宽调制单元的 输出端通过驱动电路接入多电平逆变器每相桥臂各个开关管； 在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集多电平逆变器的直流母线 电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流信号；采集到 的信号经闭环控制单元处理得到三相调制波V a、Vb、V。；三相调制波经DPWM脉宽调制单元处 理得到脉宽调制控制信号，该脉宽调制控制信号能够抑制多电平逆变器直流母线中点电压 的低频振荡、实现中点电压平衡；所述脉宽调制控制信号经驱动电路控制多电平逆变器每 相开关管的工作状态。
2. 根据权利要求1所述的具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制系统，其特征在 于，所述数字处理控制模块为STM32F407芯片。
3. -种具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制方法，其特征在于，该方法用于低 调制比情况下的多电平逆变器，包括以下步骤： 步骤1、在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集多电平逆变器的 直流母线电压信号、多电平逆变器输出的三相电压信号、多电平逆变器输出的三相电流信 号； 步骤2、闭环控制单元根据步骤1中采集到的信号以及参考基准信号进行比例积分微 分调节，输出三相调制波Va、Vb、V。； 步骤3、DPWM脉宽调制单元对步骤2中得到的三相调制波Va、Vb、V。进行调节，获得能 够抑制多电平逆变器直流母线中点电压的低频振荡、实现中点电压平衡的脉宽调制控制信 号； 步骤4、驱动电路将步骤3中所得脉宽调制控制信号分配给多电平逆变器每相桥臂各 个开关管，控制多电平逆变器的工作状态，同时抑制低频振荡、调节中点电压平衡。
4. 根据权利要求3所述的具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制方法，其特征在 于，所述低调制比情况即调制比m满足下式：
5. 根据权利要求3所述的具有低频振荡抑制功能的中点电压平衡控制方法，其特征在 于，步骤3中所述DPWM脉宽调制单元对步骤2中得到的三相调制波V a、Vb、V。进行调节，获 得能够抑制多电平逆变器直流母线中点电压的低频振荡、实现中点电压平衡的脉宽调制控 制信号，具体步骤为： (1)在每个工频周期内对开关周期进行计数： 在第奇数个开关周期内，将该开关周期分为前半周期和后半周期分别进行调制：前半 周期中，三相调制波Va、Vb、V。都叠加 V。^ = -Vmax，其中Vmax = max{Va，Vb，V。}且Vmax>0,对 于逆变器输出瞬时电压最大的一相，则使其输出桥臂电压箝位在参考零电位；后半周期中， 三相调制波V a、Vb、V。都叠加 VfM = _Vmin，Vmin = min {Va，Vb，V。}且Vmin〈0,对于逆变器输出 瞬时电压最小的一相，则使其输出桥臂电压箝位在参考零电位； 在第偶数个开关周期内，前半周期中，三相调制波va、Vb、V。都叠加= -vmin，对于 逆变器输出瞬时电压最小的一相，则使其输出桥臂电压箝位在参考零电位；后半周期中，三 相调制波va、v b、v。都叠加 Vf# = -vmax，对于逆变器输出瞬时电压最大的一相，则使其输出 桥臂电压箝位在参考零电位； (2)将所得的新的三相调制波与三角波进行交截，获得能够抑制多电平逆变器直流母 线中点电压的低频振荡、实现中点电压平衡的脉宽调制控制信号。
【文档编号】H02M7/487GK104065291SQ201410223321
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】吕建国, 胡文斌, 吴馥云, 陆晓玉, 戴双飞, 文晞畅, 吴军基 申请人:南京理工大学