一种多电平变频器斩波制动控制方法及装置与流程

本发明涉及变频器控制领域，尤其涉及一种多电平变频器斩波制动控制方法及装置。

背景技术：

随着变频器的容量不断增大，变频器电压等级不断提升，通过多电平拓扑结构提高输出电压的方式，被认为是目前提高输出电压的最优策略。该方法的难点是各个分母线电压必须动态平衡，否则会造成电机的转矩脉动。

现有技术中对变频器全直流母线进行斩波放电，该技术手段采用功率半导体器件串联斩波的的方式实现对高直流电压母线的放电。现有技术亦有在对变频器多个分母线放电的方式。上述方法均会造成各分母线电压不均衡，对变频器的控制性能造成不良影响，严重时会造成电机转矩振动或者过流故障的发生。

如何实现高压多电平变频器的斩波放电，且在放电过程中保持各个分母线电压的动态平衡，是高压大功率多电平变频器调速系统安全可靠运行的关键因素。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种控制简单，实用性高的多电平变频器斩波制动控制方法及装置，从而解决上述背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多电平变频器斩波制动控制方法，该方法包括：

获取多电平变频器中各分母线两端的电压值及全母线电压反馈值；

根据各分母线两端的电压值，计算各分母线电压均衡系数，并对各分母线电压均衡系数进行限幅；

对全母线电压进行比例积分调节计算，并对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定；

将限定的全母线电压比例积分调节的输出结果，作为全母线斩波调制波；

根据限幅的各分母线电压均衡系数对全母线斩波调制波进行修正与限幅处理，获取各分母线的斩波调制波；

将各分母线斩波调制波与载波进行比较，产生pwm信号。

优选的，所述根据各分母线两端的电压值，计算各分母线电压均衡系数，并对各分母线电压均衡系数进行限幅，具体方法包括：

计算当前工作状态的期望均衡电压值；

计算各分母线电压的均衡系数；

对各分母线电压的均衡系数进行限幅，使该系数值始终限定在正负1之间。

优选的，所述期望均衡电压值计算方法为：将各分母线电压值进行累加，所得累加值除以分母线个数，即为期望均衡电压值udcave。

优选的，所述均衡系数通过下式获得，其中udc(n)为n电平变频器的n-1个直流输入电压值，n为多电平变频器的电平数；

优选的，所述对全母线电压进行比例积分调节计算，并对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定，具体方法包括：

计算全部分母线电压值之和；

当全母线电压反馈值高于斩波制动触发电压值时，启动全母线电压比例积分调节；所述斩波制动触发电压值设定为空载全直流输入电压的1.1倍；

对全母线电压进行比例积分调节计算；

对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定。

优选的，所述全母线电压比例积分调节计算方法为：将期望全母线电压值与全母线电压反馈值进行比较，将比较后的偏差进行比例积分调节运算；

所述比例积分调节控制方程如下式，其中kp为比例环节系数，ki为积分环节系数，e(t)为期望全电压值与全母线电压反馈值的差值，u(t)为比例积分调节的计算结果：

所述期望全母线电压值为根据变频器额定参数人为设定的期望值，所述期望全母线电压值设定为空载全母线电压值。

优选的，对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定，具体方法包括：所述输出结果小于零时，限定至零；所述输出结果大于上限值时，等于上限值；所述上限值为斩波制动电路短时消耗功率的最大值及斩波电路最大工作电流两者中的最小值。

优选的，根据限幅的各分母线电压均衡系数对全母线斩波调制波进行修正与限幅处理，获取各分母线的斩波调制波，具体方法包括：

将全母线斩波调制波与每个分母线电压均衡系数进行综合，计算各分母线斩波调制波；所述计算各分母线斩波调制波公式为：

umn＝uc×(1+fn)n∈(1～n-1)

其中，uc为计算的全母线斩波调制波，fn为步骤s1计算的每个分母线的电压均衡系数，umn为每个分母线的斩波调制波，n∈(1～n-1)n为多电平变频器电平数；

对各分母线调制波进行限幅处理，当各分母线斩波调制波小于零时，限定至零；当各分母线斩波调制波大于斩波制动电路允许的上限值时，限定等于上限值。

本发明还提供了一种多电平变频器斩波制动控制装置，其特征在于：该装置包括斩波制动主回路单元和斩波制动控制单元，

所述斩波制动主回路单元，包括电容单元，二极管，igbt，电阻，其中，

所述电容单元由1个电容或多个串联、并联的电容组成；

所述二极管的阳极与igbt的集电极串联后并联于电容两端；

或者，所述二极管的阴极与igbt的发射极串联后并联于电容两端；

所述二极管并联多个电阻；

所述斩波制动控制单元，用于通过pwm脉冲的形式控制斩波制动主回路单元中的可控半导体器件；当可控半导体器件导通时，电容通过可控半导体器件对电阻进行放电，当可控半导体器件关断时，电阻及连接电缆通过不可控半导体器件续流。

优选的，所述斩波制动控制单元包括电压采集模块，均衡系数计算模块，全母线斩波调制波计算模块，分母线斩波调制波计算模块，pwm脉冲产生模块，其中，

所述电压采集模块，用于采集各分母线电压值；

所述均衡系数计算模块，用于计算各分母线之间的不均衡系数及对各分母线电压均衡系数进行限幅；

所述全母线斩波调制波计算模块，用于对全母线电压进行比例积分调节计算，并对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定；

所述分母线斩波调制波计算模块，用于根据限幅的各分母线电压均衡系数对限定的全母线电压比例积分调节的输出结果进行修正与限幅处理，获取各分母线的斩波调制波；

所述pwm脉冲产生模块，用于将各分母线斩波调制波与载波进行比较，产生pwm信号。

有益效果：

本发明通过对多电平变频器的多个分母线电压进行斩波控制放电，同时兼顾对多电平变频器放电过程中分母线电压不均衡进行控制，有效解决了高电压应用场合中斩波制动电路因受制于功率半导体器件耐压无法应用的问题，同时也实现了多个分母线电压在放电过程中的动态均衡。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一实施例提供的一种多电平变频器斩波制动控制方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的各分母线电压均衡系数计算流程图；

图3为本发明一实施例提供的全母线电压比例积分调节流程图；

图4为本发明一实施例提供的斩波调制波修正流程图；

图5为本发明提供的一种电阻连接上部的斩波制动单元电路图；

图6为本发明提供的一种电阻连接下部的斩波制动单元电路图；

图7为本发明又一实施例提供的主回路单元在多电平变频器中的电路连接关系的示意图；

图8为本发明又一实施例提供的一种多电平变频器斩波制动控制单元的组成示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍本发明的技术方案。

本发明实施例提供了一种多电平变频器斩波制动控制方法，该方法可以对多电平的每个分母线进行独立放电，放电过程中同时解决了各分母线的电压均衡控制。图1为本发明一个实施例提供的用于多电平变频器斩波制动的控制方法流程图，该方法包括步骤如下：

步骤s0：获取多电平变频器中各分母线两端的电压值及全母线电压反馈值。

步骤s1：根据各分母线两端的电压值，计算各分母线电压均衡系数，并对各分母线电压均衡系数进行限幅。

步骤s2：对全母线电压进行比例积分调节计算，并对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定。

步骤s3：将限定的全母线电压比例积分调节的输出结果，作为全母线斩波调制波。

步骤s4：根据限幅的各分母线电压均衡系数对全母线斩波调制波进行修正与限幅处理，获取各分母线的斩波调制波。

步骤s5：将各分母线斩波调制波与载波进行比较，产生pwm信号。

图2为本发明又一实施例提供的各分母线电压均衡系数计算流程图，该方法包括步骤如下：

步骤s10：计算当前工作状态的期望均衡电压值。

步骤s11：计算各分母线电压的均衡系数。

步骤s12：对每个电压均衡系数进行限幅，限定该系数值处于正负1之间。

进一步的，所述期望均衡电压值计算方法：将各分母线电压值进行累加，所得累加值除以分母线个数，即为期望均衡电压值udcave。

进一步的，所述均衡系数通过下式获得，其中n为多电平变频器的电平数。

图3为本发明又一实施例提供的全母线电压进行比例积分调节计算流程图，该方法包括步骤如下：

步骤s20：计算全部分母线电压值累加之和。

步骤s21：当全母线电压反馈值高于斩波制动触发电压值时，启动全母线电压比例积分调节。

本实施例中，所述斩波制动触发电压值设定为空载全直流输入电压的1.1倍。

步骤s22：对全母线电压进行比例积分调节计算。

步骤s23：对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定。

进一步的，所述全母线电压比例积分调节计算方法如下：将期望全母线电压值与全母线电压反馈值进行比较，将比较后的偏差进行比例积分调节运算。所述比例积分调节控制方程如下式，其中kp为比例环节系数，ki为积分环节系数，e(t)为期望全电压值与全母线电压反馈值的差值，u(t)为比例积分调节的计算结果。

所述期望全母线电压值为根据变频器额定参数人为设定的期望值。本实施例中，所述期望全母线电压值设定为空载全母线电压值。

进一步的，对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定，具体实施的限定为：所述输出结果小于零时，限定至零；所述输出结果大于上限值时，等于上限值。本实施例中，所述上限值为斩波制动电路短时消耗功率的最大值及斩波电路最大工作电流两者中的最小值。

图4为本发明又一实施例提供的斩波调制波修正流程图，该方法包括步骤如下：

步骤s40：将全母线斩波调制波与每个分母线电压均衡系数进行综合，计算各分母线斩波调制波。所述计算各分母线斩波调制波公式为，

umn＝uc×(1+fn)n∈(1～n-1)

其中，uc为步骤s2计算的全母线斩波调制波，fn为步骤s1计算的每个分母线的电压均衡系数，umn为每个分母线的斩波调制波，n∈(1～n-1)n为多电平变频器电平数。

步骤s41：对各分母线调制波进行限幅处理。

当各分母线斩波调制波小于零时，限定至零；当各分母线斩波调制波大于斩波制动电路允许的上限值时，等于上限值。

针对多电平变频器中斩波制动导致分母线电压不平衡的问题，本发明还提供了一种多电平变频器斩波制动控制装置。该装置包括斩波制动主回路单元和斩波制动控制装置。

斩波制动主回路单元有两种电路拓扑结构，如图5、图6所示。该拓扑结构包括电容单元，二极管2，igbt3，电阻4。所述电容单元1由1个电容或多个串联、并联的电容组成；所述二极管2的阳极与igbt3的集电极串联后并联于电容1两端；或者，所述二极管2的阴极与igbt3的发射极串联后并联于电容1两端；所述二极管2并联多个电阻4。

该斩波制动主回路单元在多电平变频器中的电路连接关系如图7所示，n电平变频有n-1组分母线，每组分母线并联连接一套斩波制动单元。

进一步的，所述斩波制动控制单元，用于通过pwm脉冲的形式控制斩波制动主回路单元中的可控半导体器件；当可控半导体器件导通时，电容通过可控半导体器件对电阻进行放电，当可控半导体器件关断时，电阻及连接电缆通过不可控半导体器件续流。

图8为斩波制动控制单元组成示意图，所述斩波制动控制单元包括电压采集模块5，均衡系数计算模块6，全母线斩波调制波计算模块7，分母线斩波调制波计算模块8，pwm脉冲产生模块9。

电压采集模块5，用于采集各分母线电压值；

所述均衡系数计算模块6，用于计算各分母线之间的不均衡系数及对各分母线电压均衡系数进行限幅；

全母线斩波调制波计算模块7，用于对全母线电压进行比例积分调节计算，并对全母线电压比例积分调节的输出结果进行限定；

所述分母线斩波调制波计算模块8，用于根据限幅的各分母线电压均衡系数对限定的全母线电压比例积分调节的输出结果进行修正与限幅处理，获取各分母线的斩波调制波；

pwm脉冲产生模块9，用于将斩波制动调制波与载波进行比较，产生pwm信号。

本发明通过对多电平变频器的多个分母线电压进行斩波控制放电，同时兼顾对多电平变频器放电过程中个分母线电压不均衡进行控制。采用该方法有效解决了高电压应用场合中斩波制动电路因受制于功率半导体器件耐压无法应用的问题，同时也实现了多个分母线电压在放电过程中的动态均衡。

本发明实施例中的各个功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独的物理存在，也可以两个或者两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块可以采用硬件的形式实现也可以采用软件功能模块的方式实现。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。