一种三电平ANPC变换器中点电压平衡控制方法与流程

本发明涉及三电平变换器的控制策略，尤其涉及一种三电平ANPC变换器中点电压平衡控制方法。

背景技术：

随着科技的进步与生活水平的提高，人们对电能质量的要求也在不断提升，有源中点钳位(active neutral-point-clamped，ANPC)拓扑的出现弥补了二极管钳位型拓扑和电容钳位型拓扑的缺点，更好的适用于6KV和10kV的高压变频领域。ANPC多电平变换器越来越多被使用于工业与社会生活等领域以提供更优质的电能。目前，国内外选用SVPWM调制方法作用于三电平ANPC变换器虽然常见，但是使用SVPWM调制方法作用于三电平ANPC变换器时控制其中点电压平衡的方法却尚未见刊。选用SVPWM控制，可以避免增加矢量分区的复杂度、避免增加开关器件的开关损耗，且输出谐波含量较小。三电平及以上ANPC拓扑能够正常工作的前提之一是中点电压必须保持平衡，在SVPWM控制时，若不考虑中点电压平衡这一关键问题，会使得SVPWM控制时中点电压发生较大的波动，将会导致输出电压谐波提高、三相输出不对称，严重时还会损坏开关器件和滤波电容，失去实际意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，提供一种SVPWM调制三电平ANPC变换器时保持中点电压平衡的控制方法，本发明提供以下技术方案：

一种三电平ANPC变换器中点电压平衡控制方法，包括以下步骤：

(1)、根据SVPWM参考矢量在空间矢量图中的位置，确定三相开关序列以及每个矢量的作用时间，计算出每相每个开关管的导通关断时刻以及导通关断时间，作用于三电平ANPC变换器；

(2)、实时检测三电平ANPC变换器直流上下侧电容电压值，规定中点电压U_np为直流下侧电容电压减去直流上侧电容电压，将中点电压与其参考值进行比较，当中点电压大于参考值时，标志位S_Unp＝1,选择对直流下侧电容进行放电；当中点电压小于参考值时，标志位S_Unp＝-1，选择对直流下侧电容进行充电；当中点电压等于参考值时，标志位S_Unp＝0，不需要对电容进行充放电；

(3)、实时检测三电平ANPC变换器三相负载电流的正负，规定负载电流从三电平ANPC变换器的单相桥臂流向负载的方向为正方向，负载电流为正，反之为负，实时检测三电平ANPC变换器三相负载电流的正负，当负载电流为正时，标志位S_Ix＝1；当负载电流为负时，标志位S_Ix＝-1；否则S_Ix＝0；其中x表示a相、b相或者c相；

(4)、根据步骤(2)中确定的直流上下侧电容需要充放电的情况以及步骤(3)中检测到的三相负载电流的正负，在一个开关周期内，对变换器的三相桥臂分别进行动态地调整步骤(1)中开关序列零状态的占空比，即动态地调整直流上下侧电容的充放电时间；

当检测到的中点电压偏高，直流下侧电容需要放电时，若检测到x相电流为正，则增加x相的零状态作用时间，即增加直流下侧电容的放电时间，降低中点电压；若检测到x相电流为负，则减少x相的零状态作用时间，即减少直流下侧电容的充电时间，降低中点电压；

反之当检测到的中点电压偏低，直流下侧电容需要充电时，若检测到x相电流为正，则减少x相的零状态作用时间，即减少直流下侧电容的放电时间，使中点电压升高；若检测到x相电流为负，则增加x相的零状态作用时间，即增加直流下侧电容的充电时间，使中点电压升高，其中x为a、b或c相。

(5)、返回步骤(1)。

进一步的，所述步骤(1)中根据SVPWM参考矢量在空间矢量图中的位置，确定三相开关序列以及每个矢量的作用时间的具体方法为，将三电平空间矢量图分为六个大区，每个大区又分为4个小区，根据空间矢量图中大小区的划分，以及参考矢量的模长和旋转角度，采用60°坐标系，判断参考矢量处在空间矢量图中对应的区域；再依据最近三矢量合成规则，选取离参考矢量最近的三个矢量合成参考矢量，即选取参考矢量所处小区的三个顶点对应矢量合成参考矢量，再通过伏秒平衡原理，以三个合成矢量作用时间为未知量，列写伏秒平衡方程，并得出最近三矢量的作用时间t₁、t₂、t₃，用七段式发波方式得到三相脉冲开关序列，根据三相脉冲开关序列计算得到每个开关管的导通关断时刻以及导通关断时间，作用于三电平ANPC变换器，输出3个电平值分别为E，0，-E。

进一步的，步骤(4)中x相的零状态作用时间的调整幅度Δt＝K*S_Unp*S_Ix*T_S，其中，U_np为中点电压值，T_S是开关周期，K是中点电压调节因子，K＝0.05-0.1。

该中点电压平衡控制方法是基于传统的SVPWM脉冲开关序列，对三电平ANPC变换器的三相桥臂分别进行动态地调整零状态的占空比，所以该控制方法没有增加空间矢量分区的复杂度以及开关器件的开关损耗，且输出谐波含量较小；该方法还可以推广到其他拓扑和更高电平数的多电平变换器中。

采用上述方法后，三电平ANPC变换器在整个工作空间内都可以有效地控制中点电压平衡，降低了输出的谐波含量，提高了输出波形的质量，且该方法的动态性能较好，就算在变换器中点电压偏移较大的情况下，也能根据检测到的中点电压大小以及三相负载电流的正负，在一个开关周期内，对变换器的三相桥臂分别进行动态地调整脉冲开关序列零状态的占空比，使得中点电压能够快速的稳定在一个很小范围内波动。

附图说明

图1、本发明的三电平ANPC变换器拓扑结构图。

图2、本发明的控制方法的流程图。

图3、本发明三电平ANPC变换器空间矢量图。

图4、未加本发明的控制方法之前的作用于三电平ANPC变换器的矢量作用顺序及作用时间。

图5、本发明加控制策略后的作用于三电平ANPC变换器的矢量作用顺序及作用时间。

具体实施方式

SVPWM是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相变换器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。选用SVPWM控制，每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小；利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单；电压利用率比传统的SPWM高。三电平ANPC变换器输出波形质量较好，能更好的应用于电机控制、电力电子及电能质量控制等场合，而调制的重点在于能否使中点电压保持平衡。

如图1、图2和图3所示，本发明涉及一种SVPWM调制的三电平ANPC变换器中点电压平衡的控制方法，包括以下步骤：

(1)、根据SVPWM参考矢量在空间矢量图中的位置，确定三相开关序列以及每个矢量的作用时间，计算出每相每个开关管的导通关断时刻以及导通关断时间，作用于三电平ANPC变换器，其中三电平ANPC变换器拓扑结构图如图1所示，三电平空间矢量图如图3所示；三电平空间矢量图分为六个大区，每个大区又分为4个小区，根据空间矢量图中大小区的划分，以及参考矢量的模长和旋转角度，采用60°坐标系，判断参考矢量处在空间矢量图中对应的区域；再依据最近三矢量合成规则，选取离参考矢量最近的三个矢量合成参考矢量，即选取参考矢量所处小区的三个顶点对应矢量合成参考矢量，再通过伏秒平衡原理，以三个合成矢量作用时间为未知量，列写伏秒平衡方程，并求解最近三矢量的作用时间t₁、t₂、t₃，再采用七段式发波方式得到三相脉冲开关序列，以A2区为例，选择矢量V₁(ONN/POO)，V₂(PON)和V₃(PNN)参与合成参考矢量V_ref，设矢量ONN的作用时间为t₁/2，POO的作用时间为t₁/2，PON的作用时间为t₂，PNN的作用时间为t₃，则A2区的三相脉冲开关序列如图4所示，根据三相脉冲开关序列算出每个开关管的导通关断时刻以及导通关断时间，作用于三电平ANPC变换器，输出3个电平值分别为E，0，-E。而三电平ANPC有6种开关状态，如表1中所示，

表1

P状态和N状态，电流不流经中点，故对中点电压没影响。三电平ANPC的拓扑有四种冗余的零状态，分别为OU1、OU2、OL1和OL2，通过合理的分配这四种冗余零状态的作用时间就可以平衡开关器件的损耗，这四种冗余的零状态随着负载电流方向的不一致，对中点电压的影响也不同,将由接下来的步骤动态地去调整零状态的作用时间。

如图1所示，三电平ANPC能正常工作，直流上下侧的电容电压必须都保持在直流母线电压的二分之一，即E，输出的相电压才能正常输出三个电平值。

(2)、实时检测三电平ANPC变换器直流上下侧电容电压值，规定中点电压U_np为直流下侧电容电压减去直流上侧电容电压，将中点电压与其参考值进行比较，当中点电压大于参考值时，标志位S_Unp＝1,选择对直流下侧电容进行放电；当中点电压小于参考值时，标志位S_Unp＝-1，选择对直流下侧电容进行充电；当中点电压等于参考值时，标志位S_Unp＝0，不需要对电容进行充放电。

(3)、实时检测三电平ANPC变换器三相负载电流的正负。规定负载电流从三电平ANPC变换器的单相桥臂流向负载的方向为正方向，负载电流为正，反之为负，实时检测三电平ANPC变换器三相负载电流的正负，当负载电流为正时，标志位S_Ix＝1；当负载电流为负时，标志位S_Ix＝-1；否则S_Ix＝0；其中x表示a相、b相或者c相。

(4)、根据步骤(2)中确定的直流上下侧电容需要充放电情况以及步骤(3)中检测到的三相负载电流的正负，在一个开关周期内，对变换器的三相桥臂分别进行动态地调整步骤(1)中开关序列零状态的占空比，即动态地调整直流上下侧电容的充放电时间，当检测到的中点电压偏高，直流下侧电容需要放电时，若检测到x相电流为正，则增加x相的零状态作用时间，即增加直流下侧电容的放电时间，降低中点电压；若检测到x相电流为负，则减少x相的零状态作用时间，即减少直流下侧电容的充电时间，降低中点电压。反之当检测到的中点电压偏低，直流下侧电容需要充电时，若检测到x相电流为正，则减少x相的零状态作用时间，即减少直流下侧电容的放电时间，使中点电压升高；若检测到x相电流为负，则增加x相的零状态作用时间，即增加直流下侧电容的充电时间，使中点电压升高，其中x为a、b或c相，这样可以使得三电平ANPC变换器的中点电压能迅速的达到平衡状态，返回步骤(1)。

该控制方法对三电平ANPC变换器的三相桥臂分别进行控制，其中x相调整的零状态作用时间为：Δt＝K*S_Unp*S_Ix*T_S，其中，U_np为中点电压，由直流下侧电容电压值减去直流上侧电容电压值。T_S是开关周期，K是中点电压调节因子，根据中点电压的波动情况动态调节，通常可取K＝0.05-0.1。加控制策略后的三电平有源中点箝位型变换器矢量的作用顺序及作用时间如图5所示。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。