一种基于零序电压注入的三电平中点电位平衡带校验修正的控制方法与流程

本发明属于电力电子领域，涉及二极管钳位式三电平逆变器中点电位平衡控制，基于零序电压注入的三电平中点电位平衡控制方法，采用预估-校验-修正的方法，确保计算结果实时、准确。本方法适用于主电路结构采用二极管钳位式三电平拓扑的逆变器，如变频器、PWM整流器、有源电力滤波器等设备。

背景技术：
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近年来，多电平变换器的应用越来越广泛，而三电平中点钳位逆变器是目前研究和应用最为成熟的多电平逆变器结构之一，三电平变换器需采用正负目前的拓扑结构，这种拓扑的直流侧中点电位平衡控制一直是研究的热点。总的可以为增加硬件辅助电路和改进调制方式两大类，但基于体积、功耗、成本、稳定性各个方面考虑，改进调制方式更有优势。现在大多都是将载波调试和空间矢量调制方法分开研究，空间矢量通过调整大、小开关矢量(冗余开关状态)的作用时间调整中点电位。但由于空间矢量的复杂性，大大增加了控制的复杂度，并且此方式仅局限于SVM方法中的应用。

专利CN 103138591 B在载波调制中提出了从零序电压的角度分析中点电位波动问题的思路，通过检测输出电流的方向以及三电平变换器中点上的电压偏差，对偏差进行积分控制处理，生成控制量，对三电平载波信号进行微调，此方法由于没有考虑到零序电压对参考电压的影响，只是定性的且不准确的电压偏差调整控制，对中点电位波动问题缺乏本质上的认识。

专利CN 101753044 B提出了注入零序分量以开关周期为控制周期控制三电平二极管钳位逆变器中点电位平衡的方法，由于在实际情况中，直流侧中点的偏移不会很大，即需要注入或者抽取的中点电流直流分量不会很大，所以此专利中将基波周期仅按照三相正序输出电压过零点分成了6个扇区，忽略了注入的零序只考虑了正序分量的区间划分，但对指令电压注入零序分量后，会对区间的划分产生偏移，如果注入的零序分量达到一定量时，过零点的个数会增加。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于零序电压注入的三电平中点电位平衡带校验修正的控制方法，给出了所需注入零序电压的准确分析计算方法，并在计算之后的基础上增加了“校验—修正”环节，根据计算结果，分析校验后，最后对控制指令进行修正。基于零序电压注入的中点电位平衡控制算法反映了中点电位波动问题的本质，不仅适用于载波调制方式，也同样适用于SVM方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种基于零序电压注入的三电平中点电位平衡带校验修正的控制方法，按照如下步骤：在每个控制周期内，测量上、下直流电容的两端电压，并计算电压偏差：

ΔV_dc(k)＝V_dc1(k)-V_dc2(k)；

根据上、下电容的直流电压偏差，可算得平均中线电流：

1)预估计算零序电压v₀

2)对预估计算结果进行校验、修正：

3)对输出结果限幅。

所述预估计算零序电压v₀，先根据三相正序电压的符号预估计算所需注入的零序电压v₀，即：

所述对预估计算结果进行校验、修正：

将三相正序参考电压瞬时值按照由大到小的顺序排列(v_max,v_mid,v_min)，

并记录相应的符号为(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)，则预估结果正确，v₀＝v_0st；

如果sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0st)，则重新计算v_0st，重新计算的结果即为最后需要注入的零序电压v₀。

所述对输出结果限幅：

可注入的零序电压应受到|v_x|＝|v_x1+v₀|≤1的条件约束，所以最后需对计算的v₀结果进行限幅：

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；

其他情况v₀计算结果保持不变。

本发明的有益效果在于：本发明的方法增加了“校验—修正”环节，根据计算结果，分析校验后，最后对控制指令进行修正。基于零序电压注入的中点电位平衡控制算法反映了中点电位波动问题的本质，不仅适用于载波调制方式，也同样适用于SVM方法。

附图说明：

图1三电平中点钳位逆变器主回路拓扑图；

图2为三电平逆变器中点电位平衡控制框图；

图3为本发明的计算流程图；

图4为未添加均压算法实验仿真验证结果图一；

图5为未添加均压算法实验仿真验证结果图二；

图6为添加均压算法实验仿真验证结果图一；

图7为添加均压算法实验仿真验证结果图二。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-7，三电平中点钳位逆变器主电路拓扑如图1所示，主要由三相二极管钳位式电路、直流电容组成。

5.1.中点电位波动模型

以直流电容中点为参考点，逆变器的开关状态可以表示为：

V_s＝[S_a，S_b，S_c，]^T (1)；

式中S_x＝-1，0，1，x＝a，b，c。

对于任意一相桥臂，当钳位于中点时，即S_x(t)＝0，此时电流会通过钳位二极管流入到中线，所以中线电流的瞬时值可以表示为：

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(.)为绝对值函数。

设三相正序参考电压稳态表达式为：

M为调制比。

设注入的零序电压为v₀(t)，则实际的三相参考电压为：

PWM控制的本质就是在一个控制周期内，控制开关状态Sa、Sb、Sc输出的平均效果与参考电压等效，所以一个控制周期内的平均中线电流可表示如下：

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

定义符号函数：

将式(4)带入式(5)，平均中线电流可表示为：

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)；

这个电流是造成稳态下直流电压波动的根本原因，所以控制此电流为0，即等效于控制每个控制周期内直流电压的变化△V_dcl＝△V_dc2＝0，为了使i_NP等于0，零序电压v₀(t)应该被控制为：

大、小开关矢量作用时间达到控制中点电位平衡，在本质上也就是在调整平均输出电压中的零序分量。所以说无论是载波调制还是SVM调制，通过零序电压分量来控制中点电位平衡，是本质的方法。

计算v₀时，需要知道实际参考电压的符号，但实际参考电压需要知道零序电压v₀后才能得到，专利CN 101753044 B正是没有注意到实际参考电压与正序参考电压之间可能存在的差别。根据正序将基波划分为6个扇区，在不同的区域确实可以将v₀计算出，但计算得到的是所需注入零序电压的稳态解析表达式，在实际应用中实现起来比较困难，不利于实时控制。

实时控制中，正序参考电压、电流瞬时值，这些是很容易得到，所以直接采用式(8)进行瞬时值计算更有利于实时控制，且更容易实现，但主要问题还是存在于实际参考电压的符号判断上，所以此专利提出了依据正序计算完成后，对计算结果进行校验、修正环节。对于实际参考电压符号先采用三相正序电压的符号预估计算所需注入的零序电压，即：

这样计算得到试探性结果v₀(ts)，然后对此结果进行校验、修正。

式(9)中，我们根据三相正序电压的符号进行的预估计算，所以结果正确与否，应判断满足如下：

如果满足式(10)，说明计算过程中所使用的符号恰为实际电压的参考符号，所得计算结果为正确结果，如果不满足，说明v₀使实际参考电压符号发生改变，那么根据式(9)计算的结果就是错误的。如果结果错误，就需要对结果进行修正，将三相正序参考电压瞬时值按照由大到小的顺序排列(v_max,v_mid,v_min)，并记录相应的符号为(sgn(v_max),sgn(v_mid),sgn(v_min))，v₀的注入会影响v_mid的符号，即如果sgn(v_mid)＝sgn(v_mid+v_0ts)，则直接使用式(9)计算的结果v₀(ts)，如果sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0ts)，则令sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0ts)重新计算v₀。最后对计算的v₀结果进行限幅：

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)在每个控制周期内，测量上、下直流电容的两端电压，并计算电压偏差：

ΔV_dc(k)＝V_dc1(k)-V_dc2(k)；

根据上、下电容的直流电压偏差，可算得平均中线电流：

5)预估计算零序电压v₀

先根据三相正序电压的符号预估计算所需注入的零序电压v₀，即：

6)对预估计算结果进行校验、修正

将三相正序参考电压瞬时值按照由大到小的顺序排列(v_max,v_mid,v_min)，并记录相应的符号为(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)，则预估结果正确，v₀＝v_0st；

如果sgn(v_mid)＝-sgn(v_mid+v_0st)，则重新计算v_0st，重新计算的结果即为最后需要注入的零序电压v₀。

7)对输出结果限幅

可注入的零序电压应受到|v_x|＝|v_x1+v₀|≤1的条件约束，所以最后需对计算的v₀结果进行限幅：

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)其他情况v₀计算结果保持不变。

实验基于10kVA/400V三电平实验平台进行验证，交流侧直接与不平衡负载相连，直流侧使用调压器输出接整流桥的方式模拟直流源，整流电压为250V，交流侧B相电流输出电流有效值20A。

实验波形如下：

#1通道：A相电流#2通道：B相电流M：C相电流(算数合成)

#3通道：上母线电容电压#4通道：下电容母线电压；

如图6-7，未添加均压算法，直流母线电压上、下电容相差较为明显；添加均压算法后，直流母线电压均压得到了良好的控制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。