一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法
【专利摘要】本发明公开一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，将复平面分为六个扇区，在每个扇区内，利用距离空间矢量最近的三个基本矢量等效合成空间矢量，根据伏秒平衡原理计算出基本矢量的作用时间；对第一小矢量和第二小矢量对应的开关状态分配作用时间因子k，利用k实现中点钳位型三电平逆变器中点电压平衡；然后判断k的取值是否满足0≤k≤1，如果k不满足0≤k≤1，将中矢量的作用时间乘以一个比例因子dm，重新计算k，如果k仍然超出范围，将中矢量的作用时间再次乘以一个dm直到k的取值满足0≤k≤1；最后确定每个扇区内各个开关状态的作用时间。本发明能够在保持空间矢量图不变的情况下实现中点钳位型三电平逆变器中点电压平衡的方法。
【专利说明】-种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及驱动电机的功率变换器领域，特别涉及中点钳位型三电平逆变器中点 电压控制方法。
【背景技术】
[0002] 在中高功率场合，多电平逆变器由于开关器件承受的电压低、等效开关频率高、输 出谐波含量少等优点得到了越来越广泛的应用。中点钳位型三电平逆变器是多电平逆变器 的一种，它只需要一个直流电压源，对硬件的要求低。
[0003] 中点钳位型三电平逆变器存在一个固有的缺点，即中点电压不平衡问题。目前常 用的控制中点电压平衡的方法是在NTV (Nearest Three Vectors)调制中利用利用小矢 量对应的冗余开关状态的时间分配来控制中点电压平衡，以及利用NTV2 (Nearest Three Virtual Vectors)控制中点电压平衡。前者由于冗余开关状态的调节能力有限，在高调制 度和低功率因数条件下，中点电压不能得到有效控制；后者虽然在任意调制度和任意功率 因数条件下可以控制中点电压平衡，但是对空间矢量图进行了重新划分，使得判断条件变 得复杂，同时也增加了开关频率。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的上述不足，本发明提出了一种能够在保持空间矢量图不变的 情况下实现中点钳位型三电平逆变器中点电压平衡的方法，本发明通过将中矢量VM的作 用时间乘以一个大于0小于1的比例因子，同时将中矢量作用时间的剩余部分平均分配给 第一大矢量VL1和第二大矢量VL2,使得中点钳位型三电平逆变器中点电压达到平衡状态， 即中点电压无波动状态。
[0005] 本发明通过下述方法实现上述目的。
[0006] -种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其包括如下步骤：第一步，将 复平面上逆时针顺序〇° -60扇区定义为第一扇区，60° -120°扇区定义为第二扇区， 120° -180°扇区定义为第三扇区，180° -240°扇区定义为第四扇区，240° -300°扇区 定义为第五扇区，300° -360°扇区定义为第六扇区；第二步，在第一扇区内，利用距离空 间矢量最近的三个基本矢量等效合成空间矢量，根据伏秒平衡原理计算出基本矢量的作 用时间占空比；第三步，在第一扇区内，对第一小矢量和第二小矢量对应的开关状态分配 作用时间因子k，利用作用时间因子k实现中点钳位型三电平逆变器中点电压无波动；第 四步，判断第三步计算出来的k的取值是否满足0 < k < 1，如果不满足，将中矢量的作用 时间占空比乘以一个比例因子七dm为大于0小于1的常数，重新计算k，如果k仍然不满 足0 < k < 1，将中矢量的作用时间占空比再次乘以一个比例因子dm直到k的取值满足 1，实现中点钳位型三电平逆变器中点电压无波动，最终的比例因子为Λ，η为自 然数；第五步，确定第一扇区内各个开关状态的作用时间；第六步，采用第二步至第五步的 方法对其他5个扇区进行同样的操作，确定其他五个扇区各个开关状态的作用时间。
[0007] 进一步的，所述空间矢量是指给定a、b、c三相电压
【权利要求】
1. 一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其特征在于包括如下步骤：第一 步，将复平面上逆时针顺序0° -60扇区定义为第一扇区，60° -120°扇区定义为第二扇 区，120° -180°扇区定义为第三扇区，180° -240°扇区定义为第四扇区，240° -300° 扇区定义为第五扇区，300° -360°扇区定义为第六扇区；第二步，在第一扇区内，利用距 离空间矢量最近的三个基本矢量等效合成空间矢量，根据伏秒平衡原理计算出基本矢量的 作用时间占空比；第三步，在第一扇区内，对第一小矢量和第二小矢量对应的开关状态分配 作用时间因子k，利用作用时间因子k实现中点钳位型三电平逆变器中点电压无波动；第 四步，判断第三步计算出来的k的取值是否满足0 < k < 1，如果不满足，将中矢量的作用 时间占空比乘以一个比例因子七dm为大于0小于1的常数，重新计算k，如果k仍然不满 足0 < k < 1，将中矢量的作用时间占空比再次乘以一个比例因子dm直到k的取值满足 0彡k彡1，实现中点钳位型三电平逆变器中点电压无波动，最终的比例因子为Λ，η为自 然数；第五步，确定第一扇区内各个开关状态的作用时间；第六步，采用第二步至第五步的 方法对其他5个扇区进行同样的操作，确定其他五个扇区各个开关状态的作用时间。
2. 根据权利要求1所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其特征 在于，所述空间矢量是指给定a、b、c三相电压
，
表示幅值，
表示角速度，由a、b、c三相电压在复平面确定 三个电压矢量
，由三个电压矢量确定空间矢量
3. 根据权利要求1所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法， 其特征在于，所述基本矢量是指：中点钳位型三电平逆变器直流侧电压为E，每一 相的输出电压为E/2、0或者-E/2,中点钳位型三电平逆变器三相的输出电压V a、 Vb、V。在复平面上确定三个电压矢量
由上述三个电压矢量
确定矢量
，共确定19个不同 的基本矢量〇、
，定义第一扇区的零矢量为〇、第一小矢量为
、第二小矢量为
中矢量为
、第一大矢量为
、第一大矢量为
，将第一扇区的零矢量、第一 小矢量、第二小矢量、中矢量、第一大矢量、第二大矢量分别同时乘以
.
即得到第二扇区、第三扇区、第四扇区、第五扇区、第六扇区的零矢量、第一小矢 量、第二小矢量、中矢量、第一大矢量、第二大矢量。
4. 根据权利要求1所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其特征在 于，所述根据伏秒平衡原理计算出基本矢量的作用时间占空比是指若距离空间矢量f最近 的三个基本矢量为
，三个基本矢量作用的时间占空比分别为ti、t2、t 3，占空比即 作用时间与采样周期的比值，则根据
的取值。
5. 根据权利要求1所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其特征在 于，所述开关状态指的是中点钳位型三电平逆变器在某一时刻三相电压的输出状态，中点 钳位型三电平逆变器直流侧电压为E，每一相的输出电压为E/2、0或者-E/2,用数字2代表 电压E/2,用数字1代表电压0,用数字0代表电压-E/2,用连续的三个数字代表中点钳位型 三电平逆变器在某一时刻三相电压的输出状态，如012代表在某一时刻中点钳位型三电平 逆变器U、V、W三相分别输出电压-E/2、电压0、电压E/2。
6. 根据权利要求1所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其特征在 于，所述对第一小矢量和第二小矢量对应的开关状态分配作用时间因子k是指：第一小矢 量VS1对应两个开关状态211和100,第二小矢量小矢量VS2对应两个开关状态221和110， 如果规定流向负载的电流方向为正方向，中点钳位型三电平逆变器U、V、W三相输出电流分 别为i a、ib、i。，开关状态为211时，流向中点钳位型三电平逆变器中点的电流为ia，开关状 态为100时，流向中点钳位型三电平逆变器中点的电流为-i a，开关状态为221时，流向中点 钳位型三电平逆变器中点的电流为-i。，开关状态为110作用时，流向中点钳位型三电平逆 变器中点的电流为i。，开关状态为210作用时，流向中点钳位型三电平逆变器中点的电流 为_i b，其余开关状态对中点钳位型三电平逆变器中点电压无影响，如果根据伏秒平衡原理 计算出零矢量VZ、第一小矢量VS1、第二小矢量VS2、第一大矢量VL1、中矢量VM、第二大矢量 VL2作用的时间占空比分别为^^^令开关状态100作用的时间占空比为1^2， 令开关状态211作用的时间占空比为（l-k)t 2，令开关状态110作用的时间占空比为kt3，令 开关状态221作用的时间为（l-k)t 3。
7. 根据权利要求1所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其特征在 于，所述利用作用时间因子k实现中点钳位型三电平逆变器中点电压无波动是指：通过作 用时间因子的作用使每一个采样周期内流向中点钳位型三电平逆变器中点的平均电流都 为0,从而实现中点钳位型三电平逆变器中点电压无波动， 当空间矢量立于零矢量终点、第一小矢量终点、第二小矢量终点确定的三角形1中， 一个采样周期内流向中点钳位型三电平逆变器中点的平均电流为：
当空间矢量立于第一小矢量终点、第一大矢量终点、中矢量终点确定的三角形2中， 一个采样周期内流向中点钳位型三电平逆变器中点的平均电流为：
当空间矢量？位于第一小矢量终点、第二小矢量终点、中矢量终点确定的三角形3中， 一个采样周期内流向中点钳位型三电平逆变器中点的平均电流为：
当空间矢量P位于第二小矢量终点、中矢量终点、第二大矢量终点确定的三角形4中， 一个采样周期内流向中点钳位型三电平逆变器中点的平均电流为：
由于采样周期很短，如果一个采样周期内流向中点钳位型三电平逆变器中点的平均电 流为〇,则中点钳位型三电平逆变器直流侧中点电压基本无波动，每一采样周期内均令i = 〇,计算作用时间因子k。
8. 根据权利要求6所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其特征 在于，第四步的具体内容是：作用时间因子k只有满足0 < k < 1才有实际意义，所述的一 个采样周期内流向中点钳位型三电平逆变器的中点的平均电流i的表达式分为含有作用 时间因子k的表达式和不含作用时间因子k的表达式，当0 < k < 1时，含有作用时间因 子k的表达式取值在一个以0为中心的对称区间Q内，如果不含作用时间因子k的表达式 取值也在这个对称区间Q内，则可以通过改变作用时间因子k的取值使i = 0,从而实现中 点钳位型三电平逆变器直流侧中点电压基本无波动；如果计算出的作用时间因子k不满足 0彡k彡1，意味着不含作用时间因子k的表达式取值不在对称区间Q内，将t 5换成dmt5，dm 为大于〇小于1的常数，此时不含作用时间因子k的表达式取值向对称区间Q内靠拢，如果 中矢量VM的作用时间占空比乘以比例因子d m后，作用时间因子k仍然不满足0彡k彡1， 再次将中矢量VM的作用时间占空比乘以比例因子七，如此进行，直到作用时间因子k满足 1，最后将中矢量VM作用时间〖5的剩余部分
分别平均分配给第一大矢量 VL1和第二大矢量VL2，n为自然数，表示乘以比例因子七的次数，由于
是一个等比数列且 数值趋向于〇,故根据数学知识知道必有一个η使0 < k < 1，即必有一个η使得中点钳位 型三电平逆变器中点电压无波动且由于第一大矢量与第二大矢量之和等于两倍的中矢量。
9. 根据权利要求1所述的一种中点钳位型三电平逆变器中点电压控制方法，其 特征在于，第五步的具体内容是若在一个采样周期Ts内得到零矢量、第一小矢量、第 二小矢量、第一大矢量、中矢量、第二大矢量的作用时间占空比分别为A、t 2、t3、t4、 t5、t6以及作用时间因子k和比例因子
则开关状态000、111、100、211、110、221、 200、210、220的作用时间分别为
【文档编号】H02M7/487GK104158422SQ201410369855
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】康龙云, 冯自成 申请人:华南理工大学