基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法及系统与流程

本发明涉及中点电压控制领域，特别是涉及一种基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法及系统。

背景技术：

为应对生活生产的实际需要，及电力电子技术的快速发展，使得更多的高压大功率的逆变器投入应用，中点箝位型(npc)拓扑结构在三电平逆变器中应用最为广泛，而其存在的中点电位不平衡缺陷极大的限制了其发展。中点电压作为系统高效稳定运行的重要指标之一，它的稳定与否直接影响到逆变输出的波形质量。假若中点电压存在较大的不平衡，最直接的影响就是增大输出电流的畸变率，产生较多的低次、偶次谐波，以及使开关管承受的应力上升，危害开关管，进而导致系统无法稳定运行。因此对于研究如何控制中点电压平衡就显得尤为重要。

中点电压作为严重制约中点箝位式(npc)逆变器发展的重要因素，目前对于中点电压控制的思路主要为：一是通过外部硬件电路来实现中点电压平衡；二是通过传统空间矢量调制算法(svpwm)的调制策略来实现中点电压平衡。不管是从经济性还是可靠性来看，第二种方案都是更受青睐。但是传统空间矢量调制算法在高调制度和低功率因数工况下，容易出现严重的中点电压振荡问题，影响npc型逆变器的输出性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法及系统，以削弱中点电压振荡，提高npc型逆变器的输出性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法，包括：

利用三分区方式对三电平空间矢量图的进行划分，得到三分区式空间矢量区域划分结果；所述三分区式空间矢量区域划分结果包括6个大区，每个大区包括3个小区，每个小区的调制方式相同；

构建所述三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量；多个虚拟空间矢量包括虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量；

对于第i个小区，基于最近三虚拟矢量合成法则，根据参考电压矢量和伏秒平衡方程，计算得到所述第i个小区对应的所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量和所述虚拟零矢量的作用时间；

根据所述第i个小区的所述虚拟中矢量的作用时间，确定所述第i个小区对应的偏移时间；

根据所述第i个小区的所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量、所述虚拟零矢量、所述偏移时间，确定所述第i个小区中每个虚拟空间矢量对应的开关状态的作用时间；

根据每个小区中虚拟矢量对应的每个开关状态的作用时间，对所述三电平逆变器进行调制。

本发明还提供一种基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制系统，包括：

三电平空间矢量图划分模块，用于利用三分区方式对三电平空间矢量图的进行划分，得到三分区式空间矢量区域划分结果；所述三分区式空间矢量区域划分结果包括6个大区，每个大区包括3个小区，每个小区的调制方式相同；

虚拟空间矢量构建模块，用于构建所述三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量；多个虚拟空间矢量包括虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量；

虚拟矢量作用时间求解模块，用于对于第i个小区，基于最近三虚拟矢量合成法则，根据参考电压矢量和伏秒平衡方程，计算得到所述第i个小区对应的所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量和所述虚拟零矢量的作用时间；

偏移时间确定模块，用于根据所述第i个小区的所述虚拟中矢量的作用时间，确定所述第i个小区对应的偏移时间；

开关状态作用时间确定模块，用于根据所述第i个小区的所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量、所述虚拟零矢量、所述偏移时间，确定所述第i个小区中每个虚拟空间矢量对应的开关状态的作用时间；

调制模块，用于根据每个小区中每个虚拟空间矢量对应的开关状态的作用时间，对所述三电平逆变器进行调制。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过构建虚拟中矢量，采用虚拟空间矢量调制算法将产生中点电流、影响中点电位的三个基本空间矢量组合起来，极大的方便了对于中点电位的控制进行集中处理。此外，该方法在构建虚拟中矢量时，并没有利用成对出现的小矢量，而只是用了小矢量冗余状态中的一个状态。因此，不会因在高调制比的情况下，没有成对出现的小矢量，而使得中点电压平衡控制受限。相较于传统三电平空间矢量调制算法，在实现高调制度和低功率因数工况下，极大的削弱中点电压振荡，确保了良好的输出性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法的流程示意图；

图2为三电平npc逆变器简化拓扑结构；

图3为三电平空间矢量图；

图4为本发明的三分区式空间矢量区域划分图；

图5为开关状态示意图；

图6为虚拟中矢量合成示意图；

图7为本发明空间矢量示意图；

图8为本发明具体实施案例中三分区式vsvpwm波形示意图；

图9为本发明具体实施案例的仿真结果图；

图10为本发明具体实施案例的控制过程中线电压波形图；

图11为本发明基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法的流程示意图。如图1所示，在各型虚拟矢量中，只有虚拟中矢量对于中点电位存在影响，因此本发明根据虚拟中矢量的合成特点，将其分为两个部分，分别为正负小矢量部分和基本中矢量部分。在调制过程中，通过改变基本中矢量的作用时间，来抵消正负小矢量部分对于中点电位的影响。在虚拟中矢量的大小和方向均不改变的情况下，改变基本中矢量的作用时间，恰好可对所在大区域中两个大矢量作用时间做出相应的改变，以此来对基本中矢量进行精确补偿。图2为三电平npc型逆变器简化拓扑结构。本发明基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法包括以下步骤：

步骤100：利用三分区方式对三电平空间矢量图的进行划分，得到三分区式空间矢量区域划分结果。图3为三电平空间矢量图，图4为本发明的三分区式空间矢量区域划分图。如图3和图4所示，本步骤利用三分区方式对于空间矢量图进行划分，得到6个大区，每个大区包括3个小区，共得到调制方式相同的18个小区。

步骤200：构建三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量。多个虚拟空间矢量包括虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量。以ⅰ1区为例，绘制ppo、onn、pon开关状态示意电路图，如图5所示。图5为开关状态示意图。由图5可知ppo、onn、pon状态下的中点电流分别为ic、ia、ib。ic流入中点n；ia流出中点n；ib的方向既流入也可能是流出。因此，需要对pon进行特定时间分配，才能抵消ppo、onn对于中点电压的影响。

本步骤构建的虚拟空间矢量分别为虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量，虚拟大矢量的模长为虚拟中矢量的模长为虚拟小矢量的模长为虚拟零矢量的模长为0，vdc为直流侧电压。

以ⅰ区为例，合成虚拟中矢量的方式如图6所示，图6为虚拟中矢量合成示意图。此时可以得到：

对其余17个小区域进行类似分析，得到适用于所有区域内的虚拟矢量构建模型，具体如下：

当参考电压矢量所在的大区编号为i、iii或v时，基于基本大矢量、基本中矢量、基本零矢量、正型基本小矢量和负型基本小矢量，构建所述三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量，公式如下：

当参考电压矢量所在的大区编号为ii、iv或vi时，基于基本大矢量、基本中矢量、基本零矢量、正型基本小矢量和负型基本小矢量，构建所述三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量，公式如下：

其中，vl1和vl2为两个基本大矢量，vm1和vm2为两个基本中矢量，v0为基本零矢量，为正型第一基本小矢量，为负型第一基本小矢量，为正型第二基本小矢量，为负型第二基本小矢量，vvm为虚拟中矢量，vvl1和vvl2为两个虚拟大矢量，vv0为虚拟零矢量，x为调节因子，x∈(0,1)。

经过上述过程，便可以完成对于整个区域内的所有虚拟矢量的构建。得到虚拟大矢量vvl1和vvl2，虚拟中矢量vvm和虚拟零矢量vv0。

步骤300：对于第i个小区，基于最近三虚拟矢量合成法则，根据参考电压矢量和伏秒平衡方程，计算得到第i个小区对应的虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量的作用时间。根据传统三分区虚拟空间矢量调制算法(vsvpwm)的边界条件，确定参考电压矢量所处的区域i。当i＝1时，即参考电压矢量处于ⅰ1区中，采用最近三虚拟矢量(ntv²)合成法则，得到参考电压矢量vref。如图7所示，图7为本发明空间矢量示意图。然后将参考电压矢量vref及其所在小区内的三个虚拟空间矢量vvl1、vvm和vv0，代入伏秒平衡方程组中，得到：

对伏秒平衡方程求解，可以得到虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量的作用时间为：式中，tvl1为虚拟大矢量的作用时间，tvm为虚拟中矢量的作用时间，tv0为虚拟零矢量的作用时间，ts为该小区的采样周期，θ为参考电压矢量的方向角，m为调制度，

步骤400：根据第i个小区的虚拟中矢量的作用时间，确定第i个小区对应的偏移时间。基于步骤300得到的虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量的作用时间，根据中点电流情况，对具体开关状态进行作用时间分配，即可实现一次拟合参考电压的过程。本步骤的核心任务是根据实际中点电流的大小，计算得到偏移时间。

基本小矢量对于中点电压的具体影响，如下所示：

且令偏移时间

以ⅰ1区的基本中矢量的ppo、onn开关状态为例，其中中点电流为分别为ia、ic，由于实际各开关状态作用时间很短，因此可将该过程中的中点电流ia、ic视为固定值，δv可以表示为：

ia、ib、ic为不同矢量状态下中点n的电流大小，ia(t)、ib(t)、ic(t)为中点电流的瞬时值。

情况一：上电容电压vdc1小于下电容电压vdc2时：

则：

情况二：上电容电压vdc1大于或等于下电容电压vdc2时：

则

由于各小区的调制方式相同，因此可对于其他17个小区域进行类似分析。得到每个小区对应的偏移时间。具体如下：

情况一：当上电容电压小于下电容电压时，每个小区对应的偏移时间分别为：

ⅰ区中的小区：ⅱ区中的小区：

ⅲ区中的小区：ⅳ区中的小区：

ⅴ区中的小区：ⅵ区中的小区：

情况二：当小区的上电容电压大于或等于下电容电压时，每个小区对应的偏移时间为：

ⅰ区中的小区：ⅱ区中的小区：

ⅲ区中的小区：ⅳ区中的小区：

ⅴ区中的小区：ⅵ区中的小区：

其中，i、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ和ⅵ为大区编号，toff为每个小区对应的偏移时间，tvm为虚拟中矢量的作用时间，ia、ib和ic为不同开关状态下中点n的电流大小。

步骤500：根据第i个小区的虚拟大矢量、虚拟中矢量、虚拟零矢量、偏移时间，确定第i个小区中每个虚拟空间矢量对应的开关状态的作用时间。表1为空间矢量分析表，结合表1，基于每个小区确定的虚拟大矢量、虚拟中矢量、虚拟零矢量、偏移时间，便可以确定每个小区对应的具体开光状态的作用时间。

表1空间矢量分析表

每个小区对应的具体开光状态的作用时间具体如下：

ⅰ1区、ⅰ2区和ⅰ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅰ1区：ⅰ2区：ⅰ3区：

ⅱ1区、ⅱ2区和ⅱ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅱ1区：ⅱ2区：ⅱ3区：

ⅲ1区、ⅲ2区和ⅲ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅲ1区：ⅲ2区：ⅲ3区：

ⅳ1区、ⅳ2区和ⅳ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅳ1区：ⅳ2区：ⅳ3区：

ⅴ1区、ⅴ2区和ⅴ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅴ1区：ⅴ2区：ⅴ3区：

ⅵ1区、ⅵ2区和ⅵ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅵ1区：ⅵ2区：ⅵ3区：

其中，i、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ和ⅵ为大区编号，1、2和3为大区中的小区编号，tvl1为虚拟大矢量的作用时间，tvm为虚拟中矢量的作用时间，tv0为虚拟零矢量的作用时间，toff为每个小区对应的偏移时间；tppo为ppo开关状态的作用时间，tppn为ppn开关状态的作用时间，tpon为pon开关状态的作用时间，tpnn为pnn开关状态的作用时间，tonn为onn开关状态的作用时间，tnnn为nnn开关状态的作用时间，tppp为ppp开关状态的作用时间，topn为opn开关状态的作用时间，tnpn为npn开关状态的作用时间，tnon为non开关状态的作用时间，topp为opp开关状态的作用时间，tnpp为npp开关状态的作用时间，tnpo为npo开关状态的作用时间，tnop为nop开关状态的作用时间，tnnp为nnp开关状态的作用时间，tnno为nno开关状态的作用时间，tpop为pop开关状态的作用时间，tpnp为pnp开关状态的作用时间，tonp为onp开关状态的作用时间，tpno为pno开关状态的作用时间，tpnn为pnn开关状态的作用时间，toon为onn开关状态的作用时间。

步骤600：根据每个小区中每个虚拟空间矢量对应的开关状态的作用时间，对三电平逆变器进行调制。

下面提供一个具体实施案例来进一步说明本发明的方案。

图8为本发明具体实施案例中三分区式vsvpwm波形示意图，表2为本实施案例空间矢量状态次序表。

表2空间矢量状态次序表

采用图8和表2的方式，对系统进行仿真。仿真参数如表3所示。

表3仿真参数表

图9为本发明具体实施案例的仿真结果图，图10为本发明具体实施案例的控制过程中线电压波形图。通过仿真结果图可知，本发明的调制方法使得直流侧两个电容的电压差稳定±0.25v左右，即中点电压平衡控制达到设计预期。仿真结果证明了本发明所提出的基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法的有效性。

对应图1所示的基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制方法，图11为本发明基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制系统的结构示意图。本发明基于三分区式的三电平逆变器中点电压的控制系统包括以下结构：

三电平空间矢量图划分模块1101，用于利用三分区方式对三电平空间矢量图的进行划分，得到三分区式空间矢量区域划分结果；所述三分区式空间矢量区域划分结果包括6个大区，每个大区包括3个小区，每个小区的调制方式相同。

虚拟空间矢量构建模块1102，用于构建所述三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量；多个虚拟空间矢量包括虚拟大矢量、虚拟中矢量和虚拟零矢量。

虚拟矢量作用时间求解模块1103，用于对于第i个小区，基于最近三虚拟矢量合成法则，根据参考电压矢量和伏秒平衡方程，计算得到所述第i个小区对应的所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量和所述虚拟零矢量的作用时间。

偏移时间确定模块1104，用于根据所述第i个小区的所述虚拟中矢量的作用时间，确定所述第i个小区对应的偏移时间。

开关状态作用时间确定模块1105，用于根据所述第i个小区的所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量、所述虚拟零矢量、所述偏移时间，确定所述第i个小区中每个虚拟空间矢量对应的开关状态的作用时间。

调制模块1106，用于根据每个小区中每个虚拟空间矢量对应的开关状态的作用时间，对所述三电平逆变器进行调制。

所述虚拟空间矢量构建模块1102具体包括：

第一构建单元，用于当参考电压矢量所在的大区编号为i、iii或v时，基于基本大矢量、基本中矢量、基本零矢量、正型基本小矢量和负型基本小矢量，构建所述三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量，公式如下：

第二构建单元，用于当参考电压矢量所在的大区编号为ii、iv或vi时，基于基本大矢量、基本中矢量、基本零矢量、正型基本小矢量和负型基本小矢量，构建所述三分区式空间矢量区域划分结果中的多个虚拟空间矢量，公式如下：

其中，vl1和vl2为两个基本大矢量，vm1和vm2为两个基本中矢量，v0为基本零矢量，为正型第一基本小矢量，为负型第一基本小矢量，为正型第二基本小矢量，为负型第二基本小矢量，vvm为虚拟中矢量，vvl1和vvl2为两个虚拟大矢量，vv0为虚拟零矢量，x为调节因子，x∈(0,1)；所述虚拟大矢量的模长为所述虚拟中矢量的模长为所述虚拟零矢量的模长为0，vdc为直流侧电压。

所述虚拟矢量作用时间求解模块1103具体包括：

参考电压矢量确定单元，用于对于第i个小区，根据所述第i个小区对应的所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量和所述虚拟零矢量，基于最近三虚拟矢量合成法则，得到所述第i个小区的参考电压矢量。

求解单元，用于根据所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量、所述虚拟零矢量和参考电压矢量，求解伏秒平衡方程得到所述虚拟大矢量、所述虚拟中矢量和所述虚拟零矢量的作用时间。

其中，vvl1为虚拟大矢量，vvm为虚拟中矢量，vv0为虚拟零矢量，vref为参考电压矢量，tvl1为虚拟大矢量的作用时间，tvm为虚拟中矢量的作用时间，tv0为虚拟零矢量的作用时间，ts为所述第i个小区的采样周期。

所述偏移时间确定模块1104具体包括：

第一基本小矢量时间确定单元，用于当所述第i个小区的上电容电压小于下电容电压时，确定所述第i个小区对应的偏移时间分别为：

ⅰ区中的小区：ⅱ区中的小区：

ⅲ区中的小区：ⅳ区中的小区：

ⅴ区中的小区：ⅵ区中的小区：

第二基本小矢量时间确定单元，用于当所述第i个小区的上电容电压大于或等于下电容电压时，确定每个小区对应的偏移时间为：

ⅰ区中的小区：ⅱ区中的小区：

ⅲ区中的小区：ⅳ区中的小区：

ⅴ区中的小区：ⅵ区中的小区：

其中，i、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ和ⅵ为大区编号，toff为每个小区对应的偏移时间，tvm为虚拟中矢量的作用时间，ia、ib和ic为不同开关状态下中点n的电流大小。

所述开关状态作用时间确定模块1105具体包括：

ⅰ区开关状态作用时间确定单元，用于确定ⅰ1区、ⅰ2区和ⅰ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅰ1区：ⅰ2区：ⅰ3区：

ⅱ区开关状态作用时间确定单元，用于确定ⅱ1区、ⅱ2区和ⅱ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅱ1区：ⅱ2区：ⅱ3区：

ⅲ区开关状态作用时间确定单元，用于确定ⅲ1区、ⅲ2区和ⅲ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅲ1区：ⅲ2区：ⅲ3区：

ⅳ区开关状态作用时间确定单元，用于确定ⅳ1区、ⅳ2区和ⅳ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅳ1区：ⅳ2区：ⅳ3区：

ⅴ区开关状态作用时间确定单元，用于确定ⅴ1区、ⅴ2区和ⅴ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅴ1区：ⅴ2区：ⅴ3区：

ⅵ区开关状态作用时间确定单元，用于确定ⅵ1区、ⅵ2区和ⅵ3区每个开关状态的作用时间分别为：

ⅵ1区：ⅵ2区：ⅵ3区：

其中，i、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ和ⅵ为大区编号，1、2和3为大区中的小区编号，tvl1为虚拟大矢量的作用时间，tvm为虚拟中矢量的作用时间，tv0为虚拟零矢量的作用时间，toff为每个小区对应的偏移时间；tppo为ppo开关状态的作用时间，tppn为ppn开关状态的作用时间，tpon为pon开关状态的作用时间，tpnn为pnn开关状态的作用时间，tonn为onn开关状态的作用时间，tnnn为nnn开关状态的作用时间，tppp为ppp开关状态的作用时间，topn为opn开关状态的作用时间，tnpn为npn开关状态的作用时间，tnon为non开关状态的作用时间，topp为opp开关状态的作用时间，tnpp为npp开关状态的作用时间，tnpo为npo开关状态的作用时间，tnop为nop开关状态的作用时间，tnnp为nnp开关状态的作用时间，tnno为nno开关状态的作用时间，tpop为pop开关状态的作用时间，tpnp为pnp开关状态的作用时间，tonp为onp开关状态的作用时间，tpno为pno开关状态的作用时间，tpnn为pnn开关状态的作用时间，toon为onn开关状态的作用时间。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。