中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡控制方法与流程

本发明涉及一种中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡控制方法，属于电气自动化设备和电压源换流器技术领域。

背景技术：

中点箝位型(neutralpointclamped，npc)三电平电压源变流器在变频器、光伏逆变器、无功发生器等多种电力变流器装置中得到了广泛的应用。中点箝位型三电平电压源变流器的直流侧由上下两个直流电容串联构成，两个直流电容的中间串联点连接到各桥臂箝位二极管的中点，当不同大小和方向的电流流进直流电容串联连接点时，上侧直流电容和下侧直流电容充放电状态的差异会使两者电压发生偏差，导致上下电容电压不平衡。上、下电容电压不平衡严重时会影响中点箝位型三电平电压源变流器性能，甚至导致直流过压保护动作。直流侧电容电压的平衡一般需要采取主动控制策略，在已有方法中一般是在参考电压中附加共模电压、零序电压或其他控制分量，实现上较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡控制方法，根据每相桥臂输出电流方向和直流侧上下电容的偏差大小，按控制策略调节每相桥臂内侧两只半导体开关器件门极驱动脉冲上升沿和下降沿的延时时间，以实现直流侧上下电容电压的平衡控制。

本发明提出的中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡控制方法，所述的中点箝位型三电平电压源变流器的直流侧上电容和下电容的电压值分别为uc1和uc2，中点箝位型三电平电压源变流器的三相桥臂输出的电流值分别为ia，ib和ic，电流以流出桥臂方向为正，以中点箝位型三电平电压源变流器的a相桥臂为例，a相桥臂的四个功率开关器件分别为g1、g2、g3和g4，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)对a相桥臂的输出电流和直流侧上电容和下电容的电压值进行判断：

若a相桥臂的输出电流ia大于0，且直流侧上电容电压值uc1大于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3的门极驱动脉冲的上升沿后移时间t，其中t＝k(uc1-uc2)；

若a相桥臂输出电流ia大于0，且直流侧上电容电压值uc1小于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3门极驱动脉冲的下降沿后移时间t，t＝k(uc2-uc1)；

若a相桥臂输出电流ia小于0，且直流侧上电容电压值uc1大于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3门极驱动脉冲的下降沿后移时间t，t＝k(uc1-uc2)；

若a相桥臂输出电流ia小于0，且直流侧上电容电压值uc1小于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3门极驱动脉冲的上升沿后移时间t，t＝k(uc2-uc1)；

其中k为时间调节系数，取值范围为10^-6～10^-7；

(2)根据上述步骤(1)得到的中点箝位型三电平电压源变流器a相桥臂功率开关器件g2和g3的门极驱动脉冲，将功率开关器件g2的门极驱动脉冲反相处理得到功率开关器件g4的门极驱动脉冲，将功率开关器件g3的门极驱动脉冲反相处理得到功率开关器件g1的门极驱动脉冲；

(3)利用上述步骤(1)和(2)的方法，对中点箝位型三电平电压源变流器的b相桥臂和c相桥臂各功率器件的门极驱动脉冲进行同样调节，实现对中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡控制。

本发明提出的中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡的方法，其优点是：

本发明方法只需根据中点箝位型三电平电压源变流器的每相桥臂输出电流方向和直流侧上下电容电压值的大小，直接调节每相桥臂内侧两只半导体开关器件g2和g3门极驱动脉冲上升沿和下降沿的延时时间，就可以实现直流侧上下直流电容电压的平衡控制，计算方法实现简单，调节过程连续，物理意义明确。

附图说明

图1为本发明对应的中点箝位型三电平变流器电路原理图。

图2为中点箝位型三电平电压源变流器的a相桥臂驱动脉冲与桥臂输出电流波形示意图。

图3为中点箝位型三电平电压源变流器的脉冲调节方法示意图。

具体实施方式

本发明提出的中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡控制方法，所述的中点箝位型三电平电压源变流器的直流侧上电容和下电容的电压值分别为uc1和uc2，中点箝位型三电平电压源变流器的三相桥臂输出的电流值分别为ia，ib和ic，电流以流出桥臂方向为正，以中点箝位型三电平电压源变流器的a相桥臂为例，a相桥臂的四个功率开关器件分别为g1、g2、g3和g4，每个功率开关器件的开关由门极驱动脉冲驱动。设时间调节系数为k，按如下情况计算功率开关器件g2和g3的门极驱动脉冲调节时间。

该方法包括以下步骤：

(1)对a相桥臂的输出电流和直流侧上电容和下电容的电压值进行判断：

若a相桥臂的输出电流ia大于0，且直流侧上电容电压值uc1大于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3的门极驱动脉冲的上升沿后移时间t，其中t＝k(uc1-uc2)；

若a相桥臂输出电流ia大于0，且直流侧上电容电压值uc1小于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3门极驱动脉冲的下降沿后移时间t，t＝k(uc2-uc1)；

若a相桥臂输出电流ia小于0，且直流侧上电容电压值uc1大于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3门极驱动脉冲的下降沿后移时间t，t＝k(uc1-uc2)；

若a相桥臂输出电流ia小于0，且直流侧上电容电压值uc1小于直流侧下电容电压值uc2，则使a相桥臂的功率开关器件g2和g3门极驱动脉冲的上升沿后移时间t，t＝k(uc2-uc1)；

其中k为时间调节系数，其取值根据门极驱动脉冲宽度设定，其目的是使脉冲调节时间不超过脉冲宽度的10％，取值范围为10^-6～10^-7；

(2)根据上述步骤(1)得到的中点箝位型三电平电压源变流器a相桥臂功率开关器件g2和g3的门极驱动脉冲，将功率开关器件g2的门极驱动脉冲反相处理得到功率开关器件g4的门极驱动脉冲，将功率开关器件g3的门极驱动脉冲反相处理得到功率开关器件g1的门极驱动脉冲；

(3)利用上述步骤(1)和(2)的方法，对中点箝位型三电平电压源变流器的b相桥臂和c相桥臂各功率器件的门极驱动脉冲进行同样调节，实现对中点箝位型三电平电压源变流器的直流电压平衡控制。

如图1所示，中点箝位型三电平电压源变流器由三相桥臂、直流侧上电容和下电容，以及连接电抗和滤波电路组成。其中，以a相桥臂为例，g1～g4是该桥臂四只半导体开关器件，d1～d4是该桥臂四只反并联续流二极管，db1和db2是该桥臂的两只钳位二极管，c1和c2是三相桥臂共用的电容。通过电压采样回路采集中点箝位型三电平电压源变流器的直流侧上电容和下电容电压值分别为uc1和uc2，通过电流采样回路采集中点箝位型三电平电压源变流器的三相桥臂输出电流分别为ia，ib和ic，电流以流出桥臂方向为正。

图2给出了a相桥臂输出电流、输出电压以及四只功率开关器件g1～g4的门极驱动脉冲、功率开关器件g1～g4的电流、反并联二极管d1～d4电流及钳位二极管db1和db2的电流波形，输出电流流出桥臂方向为正。

图3给出了上升沿延迟处理和下降沿延迟处理的示意图，其中图3(a)为上升沿延迟处理，图3(b)为下降沿延迟处理。

以a相桥臂为例，功率开关器件g1～g4的驱动脉冲有如下三种状态：1100，0110和0011，桥臂输出电流方向及脉冲对上电容和下电容的电压影响分析如下：

(1)a相桥臂输出电流ia>0时：

当功率开关器件g1～g4门极驱动脉冲信号为1100或0011时，直流侧电容c1和c2处于同时放电或不充电不放电的状态。

当功率开关器件g1～g4门极驱动脉冲信号变为0110时，电容c1处于充电状态或电容c2处于放电状态，此时电容c1的电压上升而电容c2电压下降。此工况下若电压uc1>uc2，则使功率开关器件g2、g3门极驱动上升沿后移，减少g2、g3开通时间，从而减少电容c1充电或电容c2放电时间，从而使电容c1的电压下降或使电容c2的电压上升；如果电压uc1＜uc2，则使功率开关器件g2门极驱动下降沿(由0110变为0011)和g3门极驱动下降沿(由0110变为1100)后移，增加电容c1充电或电容c2放电时间，从而使电容c1的电压上升或电容c2电压下降。

(2)a相桥臂输出电流ia＜0时：

当功率开关器件g1～g4的门极驱动脉冲信号为1100或0011时，直流侧电容c1和c2处于同时放电或不充电不放电的状态。

当功率开关器件g1～g4门极驱动脉冲信号变为0110时，电容c1处于放电状态或电容c2处于充电状态，此时电容c2的电压上升而电容c1电压下降。此工况下若电压uc1>uc2，则使功率开关器件g2门极驱动下降沿(由0110变回0011)和g3门极驱动下降沿(由0110变回1100)后移，增加电容c1的放电时间或电容c2的充电时间，从而使电容c2的电压下降或电容c1电压上升；若电压uc1＜uc2，则使功率开关器件g2、g3门极驱动上升沿后移，减少功率开关器件g2、g3开通时间，减少电容c1的放电时间或电容c2的充电时间，从而使电容c1的电压上升或电容c2的电压下降。