本发明属于电源技术领域，具体涉及一种有源中点钳位五电平逆变器的电容电压平衡控制技术。
背景技术
随着高压大功率应用的不断普及，受限于目前半导体开关器件的电压等级，通过多电平输出提高输出电压等级是一条行之有效的方法，因此多电平逆变器越来越受到工业界和学者们的关注，虽然已经有大量文献介绍了相关的研究成果，但真正具有实用价值且成功实现商业化应用的拓扑结构十分有限，主要包括二极管钳位型、飞跨电容型、级联h桥型、模块化多电平拓扑。有源中点钳位五电平(activeneutralpointclampfive-leveltopology，anpc-5l)于2005年由abb研究人员提出，并且已经成功应用于abb公司的acs2000系列产品，因此其实用性已经经过检验。相比于二极管钳位拓扑、飞跨电容拓扑、级联h桥拓扑anpc-5l拓扑的优点在于：三相共用直流母线，减少了直流源数量，可以工作在背靠背方式；拓扑结构相对简单，控制较为容易；保留了二极管钳位型拓扑的优点。因此有源中点钳位五电平逆变器具有很好的应用前景。
几乎对所有三电平及以上的逆变器，电容电压平衡控制都是研究的重点，目前二极管钳位拓扑、飞跨电容拓扑、级联h桥拓扑和模块化多电平拓扑的电容电压平衡控制技术已经较为成熟，但对anpc-5l拓扑的研究还较少。尽管abb公司已经推出anpc-5l的商业产品，但其电容电压平衡控制方法是商业机密，其实现方式不得而知，目前关于anpc-5l逆变器电容电压平衡控制的研究存在以下几个问题：一是目前基于零序电压注入的支撑电容电压控制会造成过大的共模电压，这将对负载电机寿命产生不良影响；二是目前对悬浮电容电压的平衡控制主要是通过检测电压和电流，从而选择不同的冗余开关状态，但这种控制方式是一种定性而非定量控制，容易造成悬浮电容电压波动过大，且会失去移相载波调制自平衡的优点；三是没有将支撑电容电压平衡控制与悬浮电容电压平衡控制有机结合，这也是目前对anpc-5l拓扑研究存在的最主要的问题。事实上，支撑电容电压的平衡与悬浮电容电压的平衡是相互耦合的，悬浮电容电压平衡控制不当将影响支撑电容电压平衡控制效果。
技术实现要素：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种有源中点钳位五电平逆变器电容电压平衡控制方法，通过引入辅助调制波，将支撑电容电压控制和悬浮电容电压控制有机结合，有效控制有源中点钳位五电平逆变器anpc-5l电容电压平衡。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种有源中点钳位五电平逆变器电容电压平衡控制方法，有源中点钳位五电平逆变器包括支撑电容c1、支撑电容c2、四个输入侧桥臂和两个输出侧桥臂，各个输入侧桥臂和各个输出侧桥臂均包括两个半导体开关器件，对有源中点钳位五电平逆变器进行支撑电容电压的平衡控制，得到零序电压；对有源中点钳位五电平逆变器进行悬浮电容电压的平衡控制，得到冗余状态作用时间调整值dx；依据零序电压和冗余状态作用时间调整值dx得到辅助调制波。
较佳地，对有源中点钳位五电平逆变器进行支撑电容电压的平衡控制，得到零序电压的具体方法包括：
步骤1.1，根据两个支撑电容电压的差值，获取一个载波周期内用于平衡支撑电容电压的理想平均中点电流
步骤1.2，通过注入零序电压控制支撑电容的电压，以参考电压在电平区间的范围内为前提，获取零序电压的范围[uzmin,uzmax]；
步骤1.3，根据三相电压中间值umid的极性以及零序电压范围，计算出平均中点电流范围
步骤1.4，根据理想平均中点电流
较佳地，对有源中点钳位五电平逆变器进行悬浮电容电压的平衡控制，得到冗余状态作用时间调整值的具体方法包括：
步骤2.1，根据悬浮电容电压的偏差值，获取用于平衡悬浮电容电压的平均电流值
步骤2.2，将第一输出侧桥臂的其中一个半导体开关器件的占空比加上一个冗余状态作用时间调整值dx，将该输出侧桥臂的另一个半导体开关器件的占空比减去一个冗余状态作用时间调整值dx，以载波幅值为限，获取冗余状态作用时间调整值dx的取值范围；
步骤2.3，将平均电流值
较佳地，依据零序电压和冗余状态作用时间调整值dx得到辅助调制波的具体方法包括：
两个辅助调制波
其中，urefx为调制波幅值。
本发明的有益效果在于：采用零序电压注入的方法控制悬浮电容电压平衡，优化了零序电压的生成，防止产生过高的共模电压；通过对冗余开关状态的作用时间进行精确调整，实现对悬浮电容电压的定量控制，防止悬浮电容电压波动过大；通过引入辅助调制波，将支撑电容电压平衡控制和悬浮电容电压的平衡控制相结合，实现对anpc-5l逆变器所有电容电压的平衡控制。
附图说明
图1为有源中点钳位五电平单相拓扑结构图。
图2为本发明实施例有源中点钳位五电平anpc-5l逆变器三相拓扑结构图。
图3为本发明实施例有源中点钳位五电平anpc-5l逆变器开关状态及对应的输出。
图4为本发明实施例有源中点钳位五电平anpc-5l逆变器载波移相调制图。
图5本发明实施例有源中点钳位五电平anpc-5l逆变器引入辅助调制波后一个载波周期内的调制图。
图中：1-第一输入侧桥臂，2-第二输入侧桥臂，3-第三输入侧桥臂，4-第四输入侧桥臂，5-第一输出侧桥臂，6-第二输出侧桥臂。
具体实施方式
一种有源中点钳位五电平逆变器电容电压平衡控制方法，有源中点钳位五电平逆变器包括支撑电容c1、支撑电容c2、四个输入侧桥臂和两个输出侧桥臂，各个输入侧桥臂和各个输出侧桥臂均包括两个半导体开关器件，控制方法包括：
步骤1，对有源中点钳位五电平逆变器进行支撑电容电压的平衡控制，得到零序电压，具体方法包括：
步骤1.1，根据两个支撑电容电压的差值，获取一个载波周期内用于平衡支撑电容电压的理想平均中点电流
步骤1.2，通过注入零序电压控制支撑电容的电压，以不改变参考电压电平区间为前提，获取零序电压的范围[uzmin,uzmax]；
步骤1.3，根据三相电压中间值umid的极性以及零序电压范围，计算出平均中点电流范围
步骤1.4，根据理想平均中点电流
步骤2，对有源中点钳位五电平逆变器进行悬浮电容电压的平衡控制，得到冗余状态作用时间调整值dx，具体方法包括：
步骤2.1，根据悬浮电容电压的偏差值，获取用于平衡悬浮电容电压的平均电流值
步骤2.2，将第一输出侧桥臂的其中一个半导体开关器件的占空比加上一个冗余状态作用时间调整值dx，将该输出侧桥臂的另一个半导体开关器件的占空比减去一个冗余状态作用时间调整值dx，以载波幅值为限，获取冗余状态作用时间调整值dx的取值范围；
步骤2.3，将平均电流值
步骤3，依据零序电压和冗余状态作用时间调整值dx得到辅助调制波，具体方法包括：
两个辅助调制波
其中，urefx为调制波幅值。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本实施例的有源中点钳位五电平逆变器anpc-5l单相拓扑包含6个桥臂：第一输入侧桥臂、第二输入侧桥臂、第三输输入侧桥臂、第四输入侧桥臂、第一输出侧桥臂和第二输出侧桥臂，每个桥臂各包括两个半导体开关器件。本实施例的包括有源中点钳位五电平逆变器anpc-5l的a，b，c三相，以x表示，每相共12个半导体开关器件，分别为sx1-sx6及其对应的互补开关器件s'x1-s'x6。另外每相有1个悬浮电容cfx。直流源dc、支撑电容c1和c2为三相共用，如图2所示，anpc-5l逆变器为三相全桥结构。如果直流源电压为4e，则支撑电容电压为2e，悬浮电容电压为e。anpc-5l开关状态、输出以及电流关系如图3所示，半导体开关器件sx1-sx4及其互补开关管s'x1-s'x4工作在基频率，当输出为正时，sx1-sx4都为1，即打开，当输出电压为负时，sx1-sx4都为0，即关闭。因此，对于anpc-5l逆变器，只需要控制第一输出侧桥臂5的半导体开关器件sx5和sx6以及它们互补开关器件，即第二输出侧桥臂6的半导体开关器件s'x5和s'x6。因此采用移相载波调制时，只需要两组三角载波uc5与uc6，如图4所示。如图3所示，anpc-5l共包含8个开关状态和5种输出电平，其中输出e和-e都存在两种开关状态，分别为st2、st3和st6、st7，这两种开关状态输出电压相同，但对悬浮电容电压的影响相反，因此，根据悬浮电容电压偏离值以及电流方向，精确调整冗余状态的作用时间，可以实现对悬浮电容电压的平衡控制。以电压e为基准，将x相的输出参考电压uxo映射到区间[-2,2]，再将调制波映射到区间[0，1]，则x相的调制波urefx可以表示为：
如图1所示，母线电压维持恒定，可以得到如下电压电流关系式：
从而流过电容c1和c2的电流可以表示为：
其中in为中点电流。从公式(3)可以看出流过电容c1和c2的电流由中点电流决定，因此，支撑电容电压与中点电流有着密切的关系，通过控制中点电流，可以控制支撑电容的电压。将支撑电容与悬浮电容电压解耦控制，再通过辅助调制波将两者结合，因此电容电压平衡控制可以分为三大步进行：
第一步：支撑电容电压的平衡控制，分为4个小步骤进行。
1、计算理想中点电流，母线电压为4e且维持恒定，支撑电容c1的电压为uc1，c2的电压为uc2，那么uc1+uc2＝4e,电容电压偏离值为duc＝2e-uc1＝uc2-2e，根据公式(3)及电容的电压电流关系，在一个载波周期内，用于平衡支撑电容电压的理想平均中点电流为
其中，t为载波uc5与uc6的周期，c为支撑电容c1和c2的容值。
2、计算零序电压范围，根据图3，中点电流可以表示为：
其中sx5＝1表示半导体开关器件sx5打开，sx5＝0表示半导体开关器件sx5关闭。在一个载波周期内，由图4可知，sx5的占空比dsx5＝urefx。因此，根据公式(1)和(5)，在一个载波周期内，只考虑一相时，中点电流平均值表示为
如果在电压uox中加入一个零序电压uz，那么新的中点电流平均值为对于三相系统，总的中点电流平均值为
其中ceil()为向上取整函数，floor()为向下取整函数。
3、计算加入零序电压后中点电流的范围。令三相电压uao，ubo，uco中最大值为umax，对应电流i1，中间值为umid，对应的电流为i2，最小值电流为umin，对应电流i3，可以确定的是umax>0且umin<0，而umid的大小是不确定的，因此需要分两种情况讨论：
a)如果umid>0，那么步骤2中加入零序电压后新的中点电流平均值为
其中
b)如果umid≤0，那么步骤2中加入零序电压后新的中点电流平均值为
其中
4、计算零序电压。根据
a)如果
b)如果
c)如果
其中
第二步：悬浮电容电压的平衡控制，分为3个小步骤进行。
1、计算用于平衡悬浮电容电压所需要的电流。根据图3可知，流经悬浮电容的电流可以表示为：
ifx＝(sx6-sx5)ixo(13)
其中ixo为实际测量电流。sx6意义与sx5相似，当sx6＝1时，表示半导体开关器件sx6打开，sx6＝0时表示关闭。由图4可知，在一个载波周期内，sx6＝1的占空比dsx6＝urefx，因此在一个载波周期内，流经悬浮电容cfx的电流平均值为：
由于dsx5＝urefx，dsx6＝urefx，因此
其中cf为悬浮电容容值。
2、计算冗余状态作用时间调整值dx范围。由第二大步的第1步分析可知，可以将dsx5加上一个dx同时将dsx6减去一个dx来调整dsx5与dsx6，但调制波urefx的幅值不能超过载波幅值1，并且结合第一步计算得到的零序电压uz，dx的范围为：
3、计算dx。引入dx后，dsx5-dsx6＝2dx，根据公式(14)和(15)可知，若要平衡悬浮电容电压，那么dx的目标值dxopt需满足以下关系
根据公式(15)、公式(16)和公式(17)，确定dx的值：
第三步：计算辅助调制波。根据第一步计算得到的零序电压和第二步计算得到的dx，引入两个辅助调制波：
如图5所示，通过辅助调制波urefx1与载波uc5相比较产生pwm脉冲来控制第一输出侧桥臂5的半导体开关器件sx5，及其互补开关器件s'x5。通过urefx2与载波uc6相比较产生pwm脉冲来控制输出第一输出侧桥臂5的半导体开关器件sx6及其互补开关器件s'x6。
由于加入零序电压不会改变逆变器输出的线电压，因此只要引入的dx不会改变输出电压，那么辅助调制波就不会改变逆变器的输出电压。可以证明，dx也不会改变输出电压。如图5所示，认为在一个载波周期内调制波是一个恒定值，以(urefx+uz/2)∈[0,0.5]为例，当加入dx后，输出电压e和0的占空比没有改变，而只是改变了开关状态st2和st3的占空比，由于st2和st3输出均为e，因此加入dx后，对逆变器的输出电压没有影响。可以证明，在输出为其它情况时，加入dx也不会改变输出电压。综上所述，零序电压和dx均不会影响逆变器输出线电压。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。