基于功率因数角的中点电压平衡控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于功率因数角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采样单元、闭环控制单元、数字锁相环单元、中点电压控制单元和SPWM脉宽调制单元。采样单元采集多电平逆变器的直流母线电压信号、直流母线中点电压信号、多电平逆变器输出的三相电压和三相电流信号，经闭环控制单元处理得到三相调制波、经数字锁相环单元运算得到功率因数角；三相调制波、功率因数角和直流母线中点电压信号经中点电压控制单元处理得到新的三相调制波，然后经SPWM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。本发明方法能够降低中点电压的低频脉动幅值、实现中点电压平衡。
【专利说明】基于功率因数角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】，特别是一种基于功率因数角的 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。与两电平逆变器相比，多电平逆变器输出电平数多， 所得到的阶梯波平台阶数多，从而越接近标准正弦波，其谐波成分越少。
[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。所以中点 电压平衡控制问题一直是三电平逆变器的研究重点。针对该问题，国内外学者提出诸多解 决中点电压平衡问题的方法，主要分为两类主流的方法：（1)基于空间矢量调制进行中点 电压平衡的研究；（2)基于载波调制进行中点电压平衡的研究。第一种方法的实现主要是 通过重新分配冗余正负小矢量的作用时间实现中点电压平衡。第二种方法的实现主要是通 过在调制波中加入零序分量实现中点电压平衡。例如：文献1(龚博，程善美，秦忆.基于 载波的三电平中点电压平衡控制策略[J].电工技术学报，2013, 28(6) :172-177.)和专利 1(程善美，龚博，宁博文，刘江.一种基于载波幅移的NPC型三电平逆变器中点电压控 制方法：中国，CN201210140269. 0.2012-09-19.)提出了一种基于载波变幅的SPWM控制方 案，通过采样中点电压实时改变载波幅值实现中点电压平衡，但该方法控制的对象为中点 电压不平衡分量在一个工频周期的平均值，因此对于中点电压的低频脉动无控制效果，且 调节周期长、调节精度不高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种控制方法简单、易于数字实现的基于功率因数角的中 点电压平衡控制系统及方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于功率因数角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采样单元、闭环控 制单元、数字锁相环单元、中点电压控制单元和SPWM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、直流母线中点电压信号、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；SPWM脉宽调制单元的输出端经驱动电路接 入多电平逆变器每相桥臂各个开关管；
[0006] 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、直流母线中点电压信号、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va、Vb、V。；采样 单元采集到的相电压、相电流信号经数字锁相环单元处理得到相电压、相电流的相角差即 功率因数角；闭环控制单元得到的三相调制波、数字锁相环单元得到的功率因数角、采样单 元得到的直流母线中点电压信号经中点电压控制单元处理得到新的三相调制波v' a、v'b、 V'。，该三相调制波经SPWM脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，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，从而降低多电平逆变器直流母线 中点电压低频脉动幅值、实现中点电压平衡。
[0007] -种基于功率因数角的中点电压平衡控制方法，该方法根据当前直流母线中点电 压信号、调制比、功率因数角动态选取合适的调制波偏置量实时调节三相调制波，从而达到 调节中点电压的目的，包括以下步骤：
[0008] 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、直流母线中点电压信号、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；
[0009] 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。；
[0010] 步骤3、数字锁相环单元对步骤1中采集到的相电压、相电流信号进行处理得到相 电压、相电流的相角差即功率因数角；
[0011] 步骤4、中点电压控制单元对步骤1中采集到的直流母线中点电压信号、步骤2中 得到的三相调制波v a、Vb、V。和步骤3中得到的功率因数角进行动态选取调制波偏置调节 量，并将该偏置调节量叠加到三相调制波V a、Vb、V。上，得到新的三相调制波V' a、V' b、V'。；
[0012] 步骤5、SPWM脉宽调制单元将步骤4中得到的三相调制波V' a、V' b、V'。与三角波进 行交截，获得能够降低多电平逆变器直流母线中点电压低频脉动幅值、实现中点电压平衡 的脉宽调制控制信号；
[0013] 步骤6、驱动电路将步骤5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，同时降低多电平逆变器直流母线中点电压 低频脉动幅值、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)该控制方法的动态响应快，只需 增加一路采样电路，能够准确根据功率因数角有效控制中点电压平衡，当出现中点电压不 平衡时，该控制方法能迅速消除中点电压不平衡直流分量；（2)该控制方法实现了多电平 逆变器的中点电压平衡，并降低多电平逆变器直流母线中点电压低频脉动幅值，克服了输 出电感电流纹波大的缺点；（3)该控制方法减少了输出电压、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是本发明基于功率因数角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NPC型，（b)为T型。
[0017] 图3是传统SPWM控制方法下中点电流与上下电容电压差变化量的变化趋势图，其 中（a)m = 1，Φ = 0时中点电流与上下电容电压差变化量关于时间t的波形，（b)上下电 容电压差变化量脉动幅值(?ν_χ关于调制比m、功率因数角Φ的波形。
[0018] 图4是本发明控制方法中调节量k值的包络曲线。
[0019] 图5是不同功率因数角时dV。随时间t的波形，其中（a)为m = 0. 8、Φ =0时本 发明的控制方法在k取不同值时dV。随时间t的波形，（b)为m = 0. 8、Φ = π/4时本发 明的控制方法在k取不同值时dV。随时间t的波形。
[0020] 图6是实施例中本发明的控制方法下k取不同值时上下电容电压差变化量波形 图，其中（a)为k = 0. 2时Ve2波形、(b)为k = 0. 3时Ve2波形、（c)为k = 0.4时ν?波形、 (d)为严重不平衡时ν?波形。
【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] 本发明基于功率因数角的中点电压平衡控制系统及方法，实时采集直流母线中点 电压信号乘以调节量k作为三相调制波V a、Vb、V。的偏置量；叠加偏置量后的新的三相调制 波V' a、V' b、V'。与三角波交截，获得能够降低多电平逆变器直流母线中点电压低频脉动幅 值、实现中点电压平衡的脉宽调制控制信号。
[0023] 结合图1，本发明基于功率因数角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采样单元、闭环控制单元、数字锁相环单 元、中点电压控制单元和SPWM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、直流母线中点电压信号、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；SPWM脉宽调制单元的输出端经驱动电路接入多电平逆变器每相桥 臂各个开关管；
[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、直流母线中点电压信号、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。；采样 单元采集到的相电压、相电流信号经数字锁相环单元处理得到相电压、相电流的相角差即 功率因数角；闭环控制单元得到的三相调制波、数字锁相环单元得到的功率因数角、采样单 元得到的直流母线中点电压信号经中点电压控制单元处理得到新的三相调制波V' a、V'b、 V'。，该三相调制波经SPWM脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，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，从而降低多电平逆变器直流母线 中点电压低频脉动幅值、实现中点电压平衡。
[0025] 优选的，所述数字处理控制模块为STM32F407芯片。
[0026] -种基于功率因数角的中点电压平衡控制方法，该方法根据当前直流母线中点电 压信号、调制比、功率因数角动态选取合适的调制波偏置量实时调节三相调制波，从而达到 调节中点电压的目的，包括以下步骤：
[0027] 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、直流母线中点电压信号、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；
[0028] 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。；
[0029] 步骤3、数字锁相环单元对步骤1中采集到的相电压、相电流信号进行处理得到相 电压、相电流的相角差即功率因数角；
[0030] 步骤4、中点电压控制单元对步骤1中采集到的直流母线中点电压信号、步骤2中 得到的三相调制波V a、Vb、V。和步骤3中得到的功率因数角进行动态选取调制波偏置调节 量，并将该偏置调节量叠加到三相调制波V a、Vb、V。上，得到新的三相调制波V' a、V' b、V'。，具 体步骤为：
[0031] (4.1)根据步骤3中得到的功率因数角，确定调节量k的取值范围，k取其取值范 围的最小值；所述调节量k的取值范围，具体如下：
[0032]
【权利要求】
1. 一种基于功率因数角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采样单元、闭环控制单元、数字锁相环单 元、中点电压控制单元和SPWM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、直流母线中点电压信号、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；SPWM脉宽调制单元的输出端经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、直流母线中点电压信号、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。；采样单元 采集到的相电压、相电流信号经数字锁相环单元处理得到相电压、相电流的相角差即功率 因数角；闭环控制单元得到的三相调制波、数字锁相环单元得到的功率因数角、采样单元得 到的直流母线中点电压信号经中点电压控制单元处理得到新的三相调制波V' a、V'b、V'。，该 三相调制波经SPWM脉宽调制单元处理得到脉宽调制控制信号，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，从而降低多电平逆变器直流母线中点 电压低频脉动幅值、实现中点电压平衡。
2. 根据权利要求1所述的基于功率因数角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. -种基于功率因数角的中点电压平衡控制方法，其特征在于，该方法根据当前直流 母线中点电压信号、调制比、功率因数角动态选取合适的调制波偏置量实时调节三相调制 波，从而达到调节中点电压的目的，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、直流母线中点电压信号、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、数字锁相环单元对步骤1中采集到的相电压、相电流信号进行处理得到相电 压、相电流的相角差即功率因数角； 步骤4、中点电压控制单元对步骤1中采集到的直流母线中点电压信号、步骤2中得到 的三相调制波Va、Vb、V。和步骤3中得到的功率因数角进行动态选取调制波偏置调节量，并 将该偏置调节量叠加到三相调制波V a、Vb、V。上，得到新的三相调制波V' a、V' b、V'。； 步骤5、SPWM脉宽调制单元将步骤4中得到的三相调制波V' a、V' b、V'。与三角波进行交 截，获得能够降低多电平逆变器直流母线中点电压低频脉动幅值、实现中点电压平衡的脉 宽调制控制信号； 步骤6、驱动电路将步骤5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，同时降低多电平逆变器直流母线中点电压低频 脉动幅值、调节中点电压平衡。
4. 根据权利要求3所述的基于功率因数角的中点电压平衡控制方法，其特征在于，步 骤4中所述中点电压控制单元对步骤1中采集到的直流母线中点电压信号、步骤2中得到 的三相调制波V a、Vb、V。和步骤3中得到的功率因数角进行动态选取调制波偏置调节量，并 将该偏置调节量叠加到三相调制波va、Vb、V。上，得到新的三相调制波V' a、V' b、V'。，具体步 骤为： (4. 1)根据步骤3中得到的功率因数角，确定调节量k的取值范围，k取其取值范围的 最小值； (4. 2)根据步骤1中采集到的直流母线中点电压信号和直流母线电压信号得到上下电 容电压差变化量，将上下电容电压差变化量乘以调节量k作为偏置量； (4. 3)步骤2中得到的三相调制波Va、Vb、V。叠加第（4. 2)步中所得偏置量获得调节后 新的三相调制波V'a、V'b、V'。，确定调节后的上下电容电压差变化量并得到上下电容电压差 变化量的幅值； (4. 4)判断k是否满足其取值范围：若满足，k以固定步长δ递增，并重复第（4. 2)步； 若不满足，执行第（4.5)步； (4. 5)比较不同k值时上下电容电压差变化量的幅值，使得上下电容电压差变化量幅 值最小时的k值即为最优调节量； (4. 6)将步骤1中采集到的直流母线中点电压信号乘以最优调节量k作为偏置量叠加 至步骤2中得到的三相调制波Va、Vb、V。获得新的三相调制波V' a、V' b、V' c。
5. 根据权利要求4所述的基于功率因数角的中点电压平衡控制方法，其特征在于， (4. 1)中所述根据步骤3中得到的功率因数角，确定调节量k的取值范围，具体如下：
式中，m为调制比，Φ为功率因数角，^为三相负载电流幅值，c为直流母线电容的容 值，Ts为一个开关周期。
6. 根据权利要求4所述的基于功率因数角的中点电压平衡控制方法，其特征在于， (4. 2)中所述上下电容电压差变化量dV。的表达式为： dVc = Vcl-Vc2 式中，L为直流母线的正极与中点之间的电容瞬时电压、为直流母线的中点与负极 之间的电容瞬时电压。
7. 根据权利要求4所述的基于功率因数角的中点电压平衡控制方法，其特征在于， (4.4)中所述k以固定步长δ递增，其中固定步长δ的取值为：k取值范围上下限差值的 1/10。
【文档编号】H02M7/5387GK104052323SQ201410312139
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】吕建国, 胡文斌, 吴馥云, 哈进兵, 姚凯, 吴军基 申请人:南京理工大学