全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法及系统与流程

本公开涉及三电平变流器系统的共模电压抑制技术领域，尤其涉及一种全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，随着大功率交流电力传动技术的快速发展，中点箝位型(neutral-point-clamped,npc)三电平变流器得到了广泛应用。与传统三相两电平变流器拓扑相比，npc三电平变流器具有功率器件电压应力低、输出波形质量好等优势。

共模电压由变流器中的功率器件的开关动作产生，增加了系统的电磁干扰，对电力电子系统的安全、可靠、稳定运行带来了严重的危害。在光伏发电系统中，共模电压产生共模漏电流，严重威胁人身安全。在电力传动系统中，共模电压产生的共模电流持续地流过电机绝缘，对电机造成严重的损害；产生轴承电流，损害电机的轴承。这些问题使得共模电压的抑制成为了一个必须考虑的问题。

发明人发现，现有的共模电压抑制方法主要针对单位功率因数或功率因数较高的运行工况，在全功率因数范围内对于npc三电平变流器系统共模电压抑制方法的研究并不多见。

技术实现要素：

本公开提出了全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法及系统，实现了全功率因数下npc三电平变流器系统的共模电压抑制，同时实现了中点电位低频振荡的消除，当异常情况导致中点电位发生偏移时，能够实现中点电位的恢复。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法，其特征在于，包括：

采用大矢量、中矢量和零矢量调制方法，合成参考电压矢量，分别确定大矢量、中矢量和零矢量的占空比；

通过信号采集得到直流侧两电容器组之间的电压差，确定为三电平变流器中点电位；

根据三电平变流器中点电位与设定阈值的大小关系，进行小矢量的选择及其占空比计算；

对各个基本矢量的占空比进行更新，得到控制三相桥臂功率开关管的开关序列。

进一步地，所述分别确定大矢量、中矢量和零矢量的占空比，具体为：

根据大矢量、中矢量、零矢量以及它们各自对应的占空比与参考电压矢量的关系，构建伏秒平衡方程，通过求解伏秒平衡方程，得到大矢量、中矢量和零矢量的占空比。

进一步地，所述大矢量、中矢量、零矢量和小矢量分别为选取的基本矢量，其中，大矢量、中矢量和小矢量分别为6个，零矢量为1个。

进一步地，当三电平变流器中点电位大于设定阈值时，采用pi调节器得到选择的小矢量的占空比。

进一步地，当三电平变流器中点电位不大于设定阈值时，根据参考电压矢量所在的扇区和三相输出电流的情况，选择小矢量，然后对各个基本矢量的占空比进行更新，并重新设计开关序列。

进一步地，参考电压矢量在第1扇区时：如果b相电流大于0、且a相电流大于0，或者，b相电流小于0、且a相电流小于0，选取大矢量pnn、中矢量pon、小矢量poo和零矢量ooo合成参考电压矢量，开关序列设计为ooo-poo-pon-pnn-pon-poo-ooo，修正伏秒平衡方程，更新各个基本矢量的占空比，考虑小矢量占空比需要满足的约束条件，进一步得到小矢量占空比的值。

进一步地，参考电压矢量在第1扇区时：如果b相电流大于0、且c相电流大于0，或者，b相电流小于0、且c相电流小于0，选取大矢量pnn、中矢量pon、小矢量oon和零矢量ooo合成参考电压矢量，开关序列设计为ooo-oon-pon-pnn-pon-oon-ooo，修正伏秒平衡方程，更新各个基本矢量的占空比，考虑小矢量占空比需要满足的约束条件，进一步得到小矢量占空比的值。

进一步地，参考电压矢量在第1扇区时：如果b相电流大于0、且a相和c相电流均小于0，或者，b相电流小于0、且a相和c相电流均大于0，选取大矢量pnn、中矢量pon、小矢量opo和零矢量ooo合成参考电压矢量，开关序列设计为opo-ooo-pon-pnn-pon-ooo-opo，修正伏秒平衡方程，更新各个基本矢量的占空比，考虑小矢量占空比需要满足的约束条件，进一步得到小矢量占空比的值。

进一步地，对于参考电压矢量在其它扇区的情形，小矢量占空比的确定采用与第1扇区类似的方法，结合空间矢量图的对称性进行分析确定。

根据另外一些实施例，本公开采用如下方案：

一种全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制系统，包括控制器及算法程序，所述控制器执行所述算法程序时实现上述的全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)npc三电平变流器共模电压的幅值等于直流侧电压的六分之一，与传统空间矢量调制方法相比，共模电压的幅值降低了二分之一，降低了系统的电磁干扰，有效降低了共模电压对电机绕组的不利影响。

(2)本发明方法同时考虑扇区和三相电流的符号及大小关系，选择基本电压矢量并设计各扇区的开关序列，能够实现在全功率因数范围内，消除了中点电位的低频振荡。

(3)当异常情况导致中点电位发生偏移时，能够实现中点电位恢复。

(4)由于直流侧电容的电压振荡减小，直流侧可以采用容量较小的电容器，进而减小了整个变流器系统的体积。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例一中npc三电平变流器系统的拓扑结构；

图2为实施例一中全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法的空间矢量图；

图3为实施例一中全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法的控制框图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中公开了一种全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

(1)采用大矢量、中矢量和零矢量调制方法，合成参考电压矢量，分别确定大矢量、中矢量和零矢量的占空比；

(2)通过信号采集得到直流侧两电容器组之间的电压差，确定为三电平变流器中点电位；

(3)根据三电平变流器中点电位与设定阈值的大小关系，进行小矢量的选择及其占空比计算；

(4)对各个基本矢量的占空比进行更新，得到控制三相桥臂功率开关管的开关序列。

该方法主要针对npc三电平变流器系统，如图1所示，包括a相、b相和c相桥臂，每相桥臂包括四个功率开关管和两个箝位二极管。直流侧包括两个串联连接的滤波电容，两个滤波电容的中间形成一个中性点，每相桥臂的两个箝位二极管的中间与中性点相连接。

应理解，功率开关管为绝缘栅双极型晶体管(igbt)；当然，功率开关管也可采用其他形式晶体管来实现。

具体地，npc三电平变流器系统的每相桥臂有三种工作状态p、o和n，以直流侧两个滤波电容的中性点为参考点，p状态时桥臂输出电压为输出直流电压值的二分之一，o状态时桥臂输出电压为零，n状态时桥臂输出电压为输出直流电压值的负二分之一。

其中，功率开关管的开通与关断由控制系统完成。

本发明方法设计新型空间矢量调制方法控制npc三电平变流器系统中的功率开关管的通断，采用的基本矢量共19个，根据幅值的不同，分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量，空间矢量图如图2所示，

表1列出了本发明方法选用的基本电压矢量及对应的共模电压幅值。

共模电压定义为npc三电平变流器三相输出电压的平均值。

表1本发明方法选用的基本电压矢量及对应的共模电压幅值

首先，采用大矢量、中矢量和零矢量调制方法，合成参考电压矢量，得到伏秒平衡方程

其中，dl、dm和dz分别为大矢量、中矢量和零矢量的占空比，vref为参考电压矢量的幅值。

求解伏秒平衡方程，得到大矢量、中矢量和零矢量的占空比分别为

其中，m为调制度，定义为vref为参考电压矢量的幅值，vdc为直流输入电压。

npc三电平变流器中点电位等于两个电容电压的差值，即δv＝vp-vn，设置中点电位的阈值δvth，当δv>δvth时，采用pi调节器得到选择的小矢量的占空比，具体地，将直流侧两个电容的电压偏差值送入一个pi调节器，pi调节器的输出取绝对值运算，得到选择的小矢量的占空比。当δv≤δvth时，采用如下步骤精确计算选择的小矢量的占空比。

为抑制中点电位的低频振荡，根据参考电压矢量所在的扇区和三相输出电流的情况，选择小矢量，然后对各个基本矢量的占空比进行更新，并重新设计开关序列。设选择小矢量后，大矢量、中矢量、小矢量和零矢量的占空比分别更新为d'l、d'm、d's和d'z。ia、ib和ic分别表示npc三电平变流器系统a相、b相和c相的输出电流。以参考电压矢量在第1扇区时为例，分析该发明方法的实施步骤，分为以下6种情况。

(1)当b相电流大于0，且a相电流大于0时，选取大矢量pnn、中矢量pon、小矢量poo和零矢量ooo合成参考电压矢量，开关序列设计为ooo-poo-pon-pnn-pon-poo-ooo，根据修正的伏秒平衡方程，更新各个基本矢量的占空比

为消除中点电位的低频振荡，令中矢量pon产生的中点电位波动量等于小矢量poo产生的中点电位波动量，即

dmib＝yia(5)

得到

考虑小矢量占空比需要满足的约束条件，进一步得到小矢量占空比的值为

(2)当b相电流大于0，且c相电流大于0时，选取大矢量pnn、中矢量pon、小矢量oon和零矢量ooo合成参考电压矢量，开关序列设计为ooo-oon-pon-pnn-pon-oon-ooo，根据修正的伏秒平衡方程，更新各个基本矢量的占空比

为消除中点电位的低频振荡，令中矢量pon产生的中点电位波动量等于小矢量oon产生的中点电位波动量，即

(dm-y)ib＝yic(9)

得到

考虑小矢量占空比需要满足的约束条件，进一步得到小矢量占空比的值为

(3)当b相电流大于0，且a相和c相电流均小于0时，选取大矢量pnn、中矢量pon、小矢量opo和零矢量ooo合成参考电压矢量，开关序列设计为opo-ooo-pon-pnn-pon-ooo-opo，根据修正的伏秒平衡方程，更新各个基本矢量的占空比

为消除中点电位的低频振荡，令中矢量pon产生的中点电位波动量等于小矢量opo产生的中点电位波动量，即

(dm-y)ib＝yib(13)

得到

考虑小矢量占空比需要满足的约束条件，进一步得到小矢量占空比的值为

(4)当b相电流小于0，且a相电流小于0时，基本电压矢量的选取、占空比更新和开关序列设计与情况(1)相同。

(5)当b相电流小于0，且c相电流小于0时，基本电压矢量的选取、占空比更新和开关序列设计与情况(2)相同。

(6)当b相电流小于0，且a相和c相电流均大于0时，基本电压矢量的选取、占空比更新和开关序列设计与情况(3)相同。

对于参考电压矢量在其它扇区的情形，可以采用与第1扇区类似的方法，结合空间矢量图的对称性进行分析。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制系统，其特征在于，包括控制器及算法程序，所述控制器执行所述算法程序时实现实施例一中所述的全功率因数范围三电平变流器中点平衡控制方法。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。