三电平电力变换器中点电位平衡控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三电平电力变换器的控制方法，特别是一种三电平电力变换器中点电位平衡控制方法。
【背景技术】
[0002]与传统两电平变换器相比，三电平电力变换器具有功率器件承受电压应力小、电压变化率dv/dt小、输出波形谐波特性好、开关频率低和效率高等优点，特别适用于高压大容量功率变换场合。此外，在相同的直流电压条件下，三电平电力变换器的dv/dt、共模干扰比两电平逆变器小，大大地减少了电磁干扰和电机绕组上的尖峰电压，有利于电机的安全运行。但是，三电平电力变换器在运行过程中，其直流电容的中点电位会发生波动，若不加以适当的限制，中点电位的波动会导致三电平电力变换器输出性能的降低、甚至是引发三电平电力变换器的功率模块过压烧毁等严重故障。因此，需要对三电平电力变换器的中点电位波动进行适当控制。
[0003]目前，对于基于空间矢量控制的三电平电力变换器的中点电位平衡控制问题，最为常见的是小矢量作用时间调整法，该方法通常是根据三电平电力变换器的中点电位偏移情况对三电平电力变换器的小矢量作用时间进行调整，使得在对应于小矢量的中点电流的作用下三电平电力变换器的中点电位偏移得到抑制。但是，已有的小矢量作用时间调整法都需要通过将得出的小矢量作用时间调整量加到三电平电力变换器空间矢量调制策略得到的小矢量作用时间上，再将得到的和作为最终的小矢量作用时间。显然，要应用小矢量作用时间调整法对三电平电力变换器的中点电位平衡进行控制，就必须提前由三电平电力变换器空间矢量调制策略提前计算出小矢量作用时间。
[0004]由于小矢量作用时间的计算通常较为复杂、计算量较大，因此，有必要对三电平电力变换器的中点电位平衡控制问题进行深入分析和研究，提出一种能够不需直接计算小矢量作用时间、计算量小、算法简单的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于通过提出一种无需计算小矢量作用时间、计算量小、易于实现的三电平电力变换器中点电位平衡控制方法，利用该方法实现对三电平电力变换器中点电位的平衡控制。
[0006]为解决上述技术问题，本发明三电平电力变换器中点电位平衡控制方法为:根据所述三电平电力变换器的中点电位偏移量产生补偿量，对用于与载波比较产生功率模块的开关信号的调制电压信号进行补偿，实现对三电平电力变换器的中点电位的平衡控制，而且该方法在对所述调制电压信号进行补偿时，是将调制电压信号作一个整体进行补偿，从而保持调制电压信号间的相对大小不变；该方法在对所述调制电压信号进行补偿时，通过对补偿量大小进行限幅使得补偿后的调制电压信号位于载波的有效范围内；该方法将所述补偿量与所述调制电压信号的和作为最终与载波进行比较而产生开关信号的补偿后调制电压信号；所述补偿量分别与所述调制电压信号的每一分量进行求和运算，再将所得结果作为所述补偿后调制电压信号；所述调制电压信号是由三电平电力变换器的交流侧输出的期望电压经:a、利用映射矢量对所述期望电压进行零矢量迁移和b、在A的输出结果基础上进行3次谐波注入，使得注入后得到的电压指令与载波进行比较得到的开关信号等效于SVPWM得到的开关信号后得到的；所述补偿量的计算公式为:Λ Vref = (CdcX Δ U。)/(2Xi0XTPJ ;所述补偿量是一补偿控制器的输出，该控制器根据中点电位波动量及其指令值对三电平电力变换器的中点电位的平衡进行控制；在应用所述补偿量对所述调制电压号进行补偿前，还需做如下限幅处理:-l+max (I V’3x I，|V’3y|, |V’3z|) ^ Δ Vcmp ^ l+max(|V’3J, |v’3y|，|v’3z|);所述补偿控制器为一pi控制器，且其I作用输出在经如下限幅后再与p作用的输出作和运算，并将所得到的和作为PI控制器的最后输出:-l+max(|V’3x|，|V’3y|，V，J) VcnpI ( l+max(|V，3x|, |V，3y |，|V，J)。
[0007]本发明可以达到的有益效果是:
[0008]不需直接计算小矢量作用时间即可实现对三电平电力变换器中点电位平衡进行有效控制、计算量小、算法简单。
【附图说明】
[0009]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明:
[0010]图1是一种三电平变换器的系统结构不意图；
[0011]图2是中心对称SVPWM时三电平调制与两电平调制间的对应关系；
[0012]图3是采用了本发明三电平电力变换器中点电位平衡控制方法的控制系统的三电平电力变换器中点电位平衡控制系统结构图；
[0013]图4是本发明的另一实施例的三电平电力变换器中点电位平衡控制系统结构图。
【具体实施方式】
[0014]众所周知，三电平电力变换器的中点电位平衡控制与其控制策略密切相关。本实施例中以文献 1 (Texas Instrument 公司，编号为 SPRABS6_0ctober 2012 的 Applicat1nReport)介绍的控制策略为基础对本发明的中点电位平衡控制方法进行详细说明，但本发明的中点电位平衡控制方法的应用并不局限于该控制策略，自然文献1中的控制策略不能构成对本发明的保护范围的限定。
[0015]文献1详细介绍了一种基于映射矢量的零矢量迁移的三电平电力变换器调制策略，该策略利用映射矢量将三电平电力变换器的调制问题转换为常规的两电平变换器的调制问题，然后再利用成熟的两电平空间矢量调制策略进行SVPWM(空间矢量脉宽调制，SpaceVector Pulse Width Modulat1n)，最终得到三电平电力变换器调制策略。在该调制策略中，三电平电力变换器的期望输出电压信号(Vx、Vy、Vz)被映射矢量(V_)转换为常规的两电平调制电压信号(V’ X、V’ y、V’ z)，之后再根据调制电压信号(V’ X、V’ y、V’ z)生成两电平变换器的空间矢量调制用开关信号，最后根据两电平变换器的开关信号和三电平电力变换器的开关信号间的关系得到最终的三电平电力变换器的开关信号，详见文献1。当然，对于调制电压信号(V’ x、v’ y、r z)的生成，还可以采用其它不同于文献1的方法。对于两电平变换器的开关信号，利用公式进行直接计算自然是最为直接的方式，但其计算复杂、计算量大。为了减小微处理器的计算负荷，可以采用与公式计算等效的谐波注入法，即在调制电压信号(V’ x、V’ y、V’ z)基础上注入适当的3次谐波信号得到马鞍形调制电压信号(V’ 3x、V’ 3y、V’ 3z)，利用得到的马鞍形调制电压信号(V’ 3x、V’ 3y、V’ 3z)与三角载波进行比较，可以得到与公式计算法等效的SVPWM开关信号，详见相关文献资料。
[0016]图1所示是一三电平电力变换器的系统结构图。图中，P、0和N分别是三电平电力变换器直流侧的正端、直流电容中间点和负端。三电平变换器正常运行中点电位无波动时，其P端的电位vp = 0.5Vd。、0端的电位V。= 0、N端的电位VN =— 0.5Vd。。三电平电力变换器的中点电位平衡控制就是通过控制保证0点电位维持在Ρ、N间电位的中间点，即保证P和0间的电压VP。与0和N间的电压ν_相等。
[0017]下面详细介绍在已得到了马鞍形调制电压信号(V’ 3x、V’ 3y、V’ 3z)的情况下如何根据三电平电力变换器的中点电位偏移量Λ V。来生成中点电位偏移补偿量Λ Vcnp来对马鞍形调制电压信号(V’ 3x、V’ 3y、V’ 3z)进行补偿。
[0018]实施例一
[0019]对图1所示的三电平电力变换器的电压VP。和/电压V?进行检测，然后根据下式计算中点电压偏移量Λ V。:
[0020]将三电平中点电位的波动Λ V。定义为:
[0021]Δν0 = (Vp0-V0N)/2(1)
[0022]式中，VP。和VQN分别是三电平电力变换器P和0间的电压VP。以及0和N间的电压Von的检测值。
[0023]VP。、ν0Ν,Δ V。以及直流母线电压Vd。间满足如下关系式:
[0024]Δ V0 = VPO-0.5Vdc(2)
[0025]Δ V0 = VON+0.5Vdc(3)
[0026]由式(1)-(3)可知，为了计算中点电位波动量Λ V。，只需对VP。和V.中的一个进行检测即可，当同时检测Vp。和ν_时，可以利用检测结果进行相互校验。
[0027]在应用上述公式(1)-(3)计算出中点电位波动量Λ V。后，补偿量计算单元根据中点电位波动量Λ V。按照下式计算补偿量Λ Vcnp:
[0028]Δ Vcnp = (Cdc X Λ V。)