CN2011100831834A 控制中性点钳位型逆变器的方法 1-12

(10)申请公布号 CN 102215006 A (43)申请公布日 2011.10.12 CN 102215006 A *CN102215006A* (21)申请号 201110083183.4 (22)申请日 2011.04.02 1052603 2010.04.07 FR H02M 7/487(2007.01) (71)申请人 施耐德东芝换流器欧洲公司 地址 法国厄尔河畔帕西 (72)发明人 斯蒂芬卡皮塔尼亚努 弗朗索瓦马尔雷特 皮埃尔鲁乔恩 (74)专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 11105 代理人 钱大勇 (54) 发明名称 控制中性点钳位型逆变器的方法 (57) 摘要 本发明涉及控制NPC(中性点钳位)型多电平 逆变器的方法。该方法尤其在于当逆变器工作在 满电压上， 也就是说， 工作在过调制下时， 调节中 点的电位。 在这种情况下， 该方法首先在于在覆盖 六角形向量空间的六个相同三角形之一中确定控 制电压向量 (U) 的位置， 然后在于通过考虑开关 臂的定义在这个三角形中的控制组合， 分解三角 形中的控制电压向量 (U)。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 3 页 CN 102215015 A1/1 页 2 1. 一种控制 NPC( 中性点钳位 ) 型多电平逆变器的方法， 所述 NPC 型多电平逆变器包 含 ： - 连接在总线的正线与负线之间的三条平行开关臂 (1， 2， 3)， 每条开关臂都装有串联 的四个功率开关 (T11-T34)， 为了控制电负载， 变速驱动器的控制模块根据控制电压向量控 制所述功率开关 ； - 使用六角形向量空间的控制模块， 所述六角形向量空间定义可通过开关臂的各种控 制组合实现的电压向量， 所述各种控制组合定义在覆盖所述向量空间的六个相同三角形 (S1-S6) 中， 所述向量空间的每个三角形尤其包含定义三角形的第一边的两个顶点和位于 所述第一边上的中间点， 所述两个顶点和所述中间点每一个都对应于所述开关臂的单种控 制组合 ； 以及 - 串联在总线的正线与负线之间的两个电容器 (C1， C2) 和定义在所述两个电容器之间 的中点 (O)， 电流通过所述中点， 所述方法包含 ： - 在覆盖所述六角形向量空间的六个相同三角形之一中确定所述控制电压向量 (U) 的 位置的步骤 ； 以及 - 调节所述中点的电位 (VO) 的步骤， 其特征在于， 当所述逆变器工作在过调制下时， 调节所述中点的电位的步骤包含 ： - 确定通过所述中点的电流 (IO) 与它的电位 (VO) 的乘积的正号或负号的步骤 ； 以及 - 当所述乘积的符号是负号时， 通过主要使用连接所述三角形的所述中间点的向量空 间的电压向量， 或当所述乘积的符号是正号时， 通过使用连接所述三角形的所述两个顶点 的两个电压向量分解所述控制电压向量 (U) 的步骤。 2. 按照权利要求 1 所述的控制方法， 其特征在于， 当通过所述中点的电流 (IO) 与它的 电位 (VO) 的乘积的符号是正号时， 分解所述控制电压向量的步骤小部分地使用连接所述三 角形的所述中间点的向量空间的电压向量。 3. 按照权利要求 1 或 2 所述的控制方法， 其特征在于 ： - 每个三角形包含第二边和第三边， 当所述中点的电位非零时， 在所述第二边和第三边 的每一边上定义形成所述开关臂的两个控制组合的两个中间点 ； 以及 -关闭调制(off-modulation)， 对于所述三角形的第二边和/或第三边， 调节所述中点 的电位的步骤包含根据连接所述边的中间点的电压向量引入分解向量的步骤。 4.按照权利要求1至3之一所述的控制方法， 其特征在于， 按照所述控制电压向量在所 述向量空间的所述三角形之一中的位置， 所述方法包含总是使所述控制电压向量回到所述 向量空间的同一个三角形 (S1) 中的步骤。 权 利 要 求 书 CN 102215006 A CN 102215015 A1/7 页 3 控制中性点钳位型逆变器的方法 技术领域 0001 本发明涉及控制 NPC(“中性点钳位” ) 型多电平逆变器的方法。本发明还涉及包 括本发明的 NPC 型逆变器的变速驱动器。 背景技术 0002 NPC 型逆变器在现有技术中是众所周知的。它尤其包含连接在 DC( 直流 ) 总线的 正线与负线之间的三条平行开关臂。每条开关臂都装有串联的四个功率开关， 为了控制电 负载， 变速驱动器的控制模块根据控制电压向量控制这些功率开关。该变速驱动器还包含 在串联在 DC 总线的正线与负线之间的两个电容器之间实现的中点， 电流通过所述中点。 0003 在控制 NPC 逆变器时， 主要困难在于调节中点的电位。的确， 中点的电位通过划分 两个电容器端子的电压获得， 因此随输送给负载的电流的数量而变。 现在， 如果中点的电位 变化很大， 则在电容器的端子上出现过电压， 这可能引起不稳定， 或甚至损害这些电容器。 0004 专利 US6795323， US6490185 或 US7495938 提出了调节中点电位的各种方案。然 而， 当逆变器必须工作在满电压上， 或换句话说， 工作在过调制下， 这些方案都不适用。 发明内容 0005 因此， 本发明的目的是提出一种控制 NPC 型逆变器的方法， 其中控制模块能够使 逆变器工作在过调制下而不损伤电容器。 0006 这个目的通过控制 NPC( 中性点钳位 ) 型多电平逆变器的方法来实现， 所述 NPC 型 多电平逆变器包含 ： 0007 - 连接在总线的正线与负线之间的三条平行开关臂， 每条开关臂都装有串联的四 个功率开关， 为了控制电负载， 变速驱动器的控制模块根据控制电压向量控制所述功率开 关 ； 0008 - 使用六角形向量空间的控制模块， 所述六角形向量空间定义可通过开关臂的各 种控制组合实现的电压向量， 所述各种控制组合定义在覆盖所述向量空间的六个相同三角 形中， 所述向量空间的每个三角形尤其包含定义三角形的第一边的两个顶点和位于所述 第一边上的中间点， 所述两个顶点和所述中间点每一个都对应于所述开关臂的单种控制组 合 ； 以及 0009 - 串联在总线的正线与负线之间的两个电容器和定义在所述两个电容器之间的中 点， 电流通过所述中点， 0010 所述方法包含 ： 0011 - 在覆盖所述六角形向量空间的六个相同三角形之一中确定所述控制电压向量的 位置的步骤 ； 以及 0012 - 调节所述中点的电位的步骤， 0013 其特征在于， 当所述逆变器工作在过调制下时， 调节所述中点的电位的步骤包 含 ： 说 明 书 CN 102215006 A CN 102215015 A2/7 页 4 0014 - 确定通过所述中点的电流与它的电位的乘积的正号或负号的步骤 ； 0015 - 当所述乘积的符号是负号时， 通过主要使用连接所述三角形的所述中间点的向 量空间的电压向量， 或当所述乘积的符号是正号时， 通过使用连接所述三角形的所述两个 顶点的两个电压向量分解所述控制电压向量的步骤。 0016 按照一种特定特征， 当通过所述中点的电流与它的电位的乘积的符号是正号时， 分解所述控制电压向量的步骤小部分地使用连接所述三角形的所述中间点的向量空间的 电压向量。 0017 按照所述控制方法的另一种特定特征 ： 0018 - 每个三角形包含第二边和第三边， 当所述中点的电位非零时， 在所述第二边和第 三边的每一边上定义形成所述开关臂的两个控制组合的两个中间点 ； 以及 0019 -关闭调制(off-modulation)， 对于所述三角形的第二边和/或第三边， 调节所述 中点的步骤包含根据连接所述边的中间点的电压向量引入分解向量的步骤。 0020 按照另一个特定特征， 按照所述控制电压向量在所述向量空间的所述三角形之一 中的位置， 所述方法包含总是使所述控制电压向量回到所述向量空间的同一个三角形中的 步骤。 附图说明 0021 本发明的其它特征和优点将显而易见地出现在对通过例子给出和通过附图表示 的实施例的如下详细描述中， 在附图中 ： 0022 - 图 1 示出 NPC 型的逆变器 ； 0023 - 图 2 以简化方式示出本发明的逆变器的每条开关臂并指示中点起作用时每条臂 生成的中点电流 ； 0024 - 图 3 示出定义可通过 NPC 逆变器的开关臂的各种控制组合实现的电压向量的六 角形向量空间 ； 0025 - 图 4 示出划分成六角形向量空间的三角形 ； 0026 - 图 5 示出中点的电位是零时应用控制电压向量的向量空间的三角形 ； 0027 - 图 6 示出中点的电位非零时应用控制电压向量的向量空间的三角形 ； 以及 0028 - 图 7 示出中点的电位是零时向量空间的三角形并示出了针对开关臂的每种控制 组合获得的中点电流值。 具体实施方式 0029 本发明涉及 NPC 型的逆变器以及当这种逆变器工作在满电压上时实现的控制方 法。与输入端上的整流器相联系， NPC 型的逆变器可以应用在变速驱动器中以控制电负载。 0030 众所周知， NPC 型的逆变器包含连接在 DC 电源总线的正线 (+) 与负线 (-) 之间的 三条开关臂 1、 2、 3。每条开关臂包含， 例如， IGBT( 绝缘栅双极晶体管 ) 型的四个串联开关。 在每条臂上， 连接中点将位于顶部的两个开关与位于底部的两个开关分开。 在每条臂上， 连 接中点与连接在逆变器的输出端上的电负载的 U、 V、 W 相线之一连接。 0031 该逆变器进一步包含串联在 DC 电源总线的正线与负线之间的两个电容器 C1、 C2。 在位于两个电容器 C1、 C2 之间的中点 O 上生成电位 VO。 说 明 书 CN 102215006 A CN 102215015 A3/7 页 5 0032 对于脉宽调制控制， 实现 NPC 逆变器的十二个开关的控制顺序的方案由如下详细 描述的步骤组成 ： 0033 1) 复数表示 0034 在每条开关臂上， 根据四个开关的操作， 按照如下图表获取相线与中点 O 之间的 输出电压 Vs ： 0035 T11， T21， T31 T12， T22， T32 T13， T23， T33 T14， T24， T34 Vs 1 1 0 0 Vbus/2 0 1 1 0 VO 0 0 0 1 1 -Vbus/2 0036 如图 2 所示， 可以示意性地示出逆变器的三条开关臂。在该图中， P、 O、 N 定义在第 一开关臂 1 上分别通过 (T11， T12)、 (T12， T13)、 (T13， T14)， 在第二开关臂 2 上分别通过 (T21， T22)、 (T22， T23)、 (T23， T24) 和在第三开关臂 3 上分别通过 (T31， T32)、 (T32， T33)、 (T33， T34) 取得的三个电位。当将电位 O 应用于逆变器的第一开关臂时， 通过中点的电流 I1 输送给负 载。当将电位 O 应用于逆变器的第二开关臂时， 通过中点的电流 I2 输送给负载， 以及当将 电位 O 应用于逆变器的第三开关臂时， 通过中点的电流 I3 输送给负载。此外， 已知这三个 电流之和是零 ： I1+I2+I3 0 以及 IO 0。 0037 该逆变器还包含旨在对开关臂的开关分派控制顺序的控制模块。为此， 这个控制 模块使用定义可通过开关臂的各种控制组合实现的电压向量的六角形向量空间。 0038 这个六角形向量空间可以划分成六个相同的大等边三角形或划分成二十四个相 同的小等边三角形。小三角形的每个顶点对应于开关臂的一种或多种控制组合。 0039 在图 3 中， 六角形的点因此代表可通过逆变器的十二个开关的控制顺序取得的电 压。例如， 在这个六角形上， PON 是假定逆变器的第一臂处在 DC 总线的电源电压的正电平 ( 在前面的图表中， P 或 Vbus/2) 上， 第二臂处在 DC 总线的电源电压的零电平 ( 或在前面的 图表中， VO) 上， 以及第三臂处在 DC 总线的负电平 (N 或 -Vbus/2) 上的记号。 0040 旨在施加于与逆变器连接的电负载的控制电压向量 U 可以处在上文定义的六角 形向量空间中的任何地方。因此， 这个控制电压向量可以根据定义在向量空间中的可实现 电压向量用如下方式表达 ： 0041 UCPPP UPPP+COOO UOOO+CNNN UNNN+CPOO UPOO+CONN UONN+CPPO UPPO+COON UOON+CPNN UPNN+CPON UPO N+CPPN UPPN+CNON UNON+COPO UOPO+COPP UOPP+CNOO UNOO+CPOP UPOP+CONO UONO+CPNO UPNO+CPNP UPNP+CONP UONP+C NNPUNNP+COOPUOOP+CNNOUNNO+CNOPUNOP+CNPPUNPP+CNPOUNPO+CNPNUNPN+COPNUOPN 0042 系数 Cijk代表忙闲度， 每个对应于相应电压向量的应用持续时间除以逆变器取样 持续时间。所有系数 Cijk的总和等于 1。 0043 2) 向量空间中控制电压向量的定位 0044 六角形向量空间可以划分成形成区域 S1， S2， S3， S4， S5， S6 的六个相同的大等边 三角形。根据图 4 中的参考系 (， ) 中的控制电压向量形成的角度 ， 控制电压向量将 说 明 书 CN 102215006 A CN 102215015 A4/7 页 6 处在六个大三角形之一中。 0045 3) 六角形到三角形的简化 0046 将上面定义的复平面简化成定义在图5中的单个区域(S1)。 可以使用与电压索引 (1， 2， 3) 的置换相联系的简单几何特性使在区域 S2， S3， S4， S5， S6 中取得的控制电压向量 回到区域 S1 中。在下方的图表中， J 代表 2/3 的旋转， SH代表相对于水平轴的对称。下 方的图表总结了当控制电压向量位于其它区域之一中时要进行的可以使一切都回到区域 S1 中的运算。 0047 0048 这样简化的好处是将对 PWM 周期上控制电压向量的实现所考虑的情况数平均除 以 6。 0049 例如， 出现在区域 T3 中的控制电压向量可以通过乘以 J2回到区域 S1 中。与这个 控制电压向量相联系的电流亦如此。 0050 在区域 S1 中， 控制电压向量 U 因此可以用如下简化方式表达 ： 0051 UCPPP UPPP+COOO UOOO+CNNN UNNN+CPOO UPOO+CONN UONN+CPPO UPPO+COON UOON+CPNN UPNN+CPON UP ON+CPPNUPPN 0052 4) 区域 S1 中的定位 0053 如图 5 所示， 回到区域 S1 中的向量 U 位于覆盖区域 S1 的四个小三角形之一中。 0054 为了识别控制电压向量在四个小三角形之一中的位置， 可以应用几何方案。根据 两个向量的相对位置， 两个向量的向量积是正或负取向向量。 0055 因此， 与控制电压向量所指的点 M 连接的向量的向量积可以识别控制电压向量在 四个小三角形之一中的位置。 0056 如果 AMAB 0， 点 M 因此处在三角形 XAB 中 ； 0057 如果 AMAB 0， 分两种情况 ： 0058 AMAC 0， 点 M 因此处在三角形 ACY 中 ； 0059 AMAC 0， 分两种情况 ： 0060 BMBC 0， 点 M 处在三角形 BCZ 中 ； 0061 否则， 点 M 处在三角形 ABC 中。 0062 在三角形 XAB 中， 控制电压向量 U 用如下方式表达 ： 0063 U CPPPUPPP+COOOUOOO+CNNNUNNN+CPOOUPOO+CONNUONN+CPPOUPPO+COONUOON 说 明 书 CN 102215006 A CN 102215015 A5/7 页 7 0064 在三角形 ACY 中， 控制电压向量 U 用如下方式表达 ： 0065 U CPOOUPOO+CONNUONN+CPNNUPNN+CPONUPON 0066 在三角形 BCZ 中， 控制电压向量 U 用如下方式表达 ： 0067 U CPPOUPPO+COONUOON+CPONUPON+CPPNUPPN 0068 在三角形 ABC 中， 控制电压向量 U 用如下方式表达 ： 0069 U CPOOUPOO+CONNUONN+CPPOUPPO+COONUOON+CPONUPON 0070 在每个三角形中， 向量的选择和忙闲度的选择依照像减少每个 PWM 周期开关动作 的次数、 消除由可变驱动器与电负载之间的长电缆引起的过电压等那样的各种优化准则来 作出。 0071 可以添加优化 NPC 逆变器的控制的其它准则， 以便， 例如， 减小由开关动作引起的 焦耳损耗， 减小 PWM 策略生成的共模电流等。 0072 在控制电压向量的表达式中， 也有必要系统考虑中点的电位 VO的值。 0073 5) 中点电位的调节 0074 当中点的电位不同于零时， 修改区域 S1 的某些可实现电压向量。因此， 如图 6 所 示， 电压向量 UPPO变成不同于 UOON， UONN变成不同于 UPOO。 0075 然后， 原则是回到中点电位是零的一般情况。 为此， 引入分别是(UPPO， UOON)和(UONN， UPOO) 的重心的电压向量 Ua 和 Ub。因此， 我们引入 ： 0076 Ua aUPOO+(1-a)UONN 0077 Ub bUOON+(1-b)UPPO 0078 然后， 原则是考虑上文定义的电压 Ua 和 Ub， 并选择系数 a 和 b， 以便调节中点的电 位 VO。 0079 Ia aIPOO+(1-a)IONN 0080 Ib bIOON+(1-b)IPPO 0081 Ia 是当选择分布 Ua时， 加入 IO中的电流。Ib 是当选择分布 Ub时， 加入 IO中的电 流。上文的系数 a 和 b 位于 0 与 1 之间， 以便通过控制电流 IO调节电压 VO。 0082 在区域 S1 中， 每个可实现电压向量对应于通过中点 O 的中点电流 IO的出现。当 点 O 起作用时， 将这个中点电流计算成电流 I1， I2和 I3之和 ( 图 2)。因此， 我们有 I1+I2+I3 IO 0。 0083 图 7 示出区域 S1 和指示针对开关臂的每种控制组合获得的中点电流。 0084 - 对于 PPP， OOO， NNN， 我们获得 IO 0 ； 0085 - 对于 OON， 我们获得 IO I1+I2 I3； 0086 - 对于 PPO， 我们获得 IO I3； 0087 - 对于 ONN， 我们获得 IO I1； 0088 - 对于 POO， 我们获得 IO I2+I3 -I1； 0089 - 对于 PNN， 我们获得 IO 0 ； 0090 - 对于 PON， 我们获得 IO I2； 以及 0091 - 对于 PPN， 我们获得 IO 0。 0092 按照控制组合ONN或POO， 获得的中点电流IO等于I1或-I1， 以及按照控制组合OON 或 PPO， 获得的中点电流 IO等于 I3或 -I3。由此得出 ： 说 明 书 CN 102215006 A CN 102215015 A6/7 页 8 0093 Ia -(1-2a)I1 0094 Ib (2b-1)I3 0095 因此， 最简单选择是取 ： 0096 和 0097 应用在上文两个公式中的 “sign” 函数的结果取决于乘积 VOI1或 VOI3的符号是正 还是负， 可以取 1 或 -1 值。 0098 当然， 可以用别的方式表达系数 a 和 b。 0099 借助于 Ua 和 Ub 的公式化， 然后可以按如下方式表达控制电压向量 U ： 0100 U COOOUOOO+CaUa+CbUb+CPONUPON+CPPNUPPN+CPNNUPNN 0101 当点 M 处在区域 S1 中时， 借助于上文所述的方案实现的中点调节起很好的作用。 但是， 当要求逆变器工作在满电压上， 也就是说， 工作在额定电压上时， 不能再应用上文所 述的方案。 0102 的确， 在这种状况下， 控制电压向量位于向量空间的六角形的边缘。现在， 通过区 域 S1 中的推理， 注意到只有控制组合 PPN， PON 和 PNN 可以使用。如图 7 所示， 组合 PPN 或 PNN可以获得中点电流IO0， 而组合PON可以获取中点电流IOI2。 因此， 在所有情况下， 不可能像前面的情况那样改变中点电流 IO的符号， 因此不可能应用前面的方案来调节中点 的电位 VO。 0103 但是， 在满电压上， 控制电压向量 U 以 50Hz 或更大数量级的速度 s 旋转。因此， 当控制电压向量 U 转完一圈时， 与可在六角形的边缘实现的控制组合相对应的中点电流如 下 ： 0104 - 如果控制电压向量属于 S1， 则控制组合是 PON， 因此 IO I2； 0105 - 如果控制电压向量属于 S2， 则控制组合是 OPN， 因此 IO I1； 0106 - 如果控制电压向量属于 S3， 则控制组合是 NPO， 因此 IO I3； 0107 - 如果控制电压向量属于 S4， 则控制组合是 NOP， 因此 IO I2； 0108 - 如果控制电压向量属于 S5， 则控制组合是 ONP， 因此 IO I1； 0109 - 如果控制电压向量属于 S6， 则控制组合是 PNO， 因此 IO I3。 0110 现在， 通过考虑控制电压向量的位置 s， 以便可以证明 ： 0111 - 如果控制电压向量 U 属于 S1， 那么中点电流 IO等于 X 值 ； 0112 - 如果控制电压向量 U 属于 S2， 那么中点电流 IO等于 -X 值 ； 0113 - 如果控制电压向量 U 属于 S3， 那么中点电流 IO等于 X 值 ； 0114 - 如果控制电压向量 U 属于 S4， 那么中点电流 IO等于 -X 值 ；