CN2014100120588A 基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法 1-16

(10)申请公布号 CN 103746585 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103746585 A (21)申请号 201410012058.8 (22)申请日 2014.01.10 H02M 7/483(2007.01) H02M 7/487(2007.01) H02M 7/5387(2007.01) (71)申请人 南京理工大学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫 200 号 (72)发明人 吕建国 胡文斌 吴馥云 吴军基 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心 32203 代理人 朱显国 (54) 发明名称 基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡 控制方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于混合调制的多电平逆 变器中点电压平衡控制方法。步骤为 ： 在每个控 制周期内， 数字处理控制模块的采样单元检测多 电平逆变器直流母线的中点与正极之间的电容瞬 时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时 电压， 并确定该两个电容瞬时电压的偏差， 经脉宽 调制策略切换单元选择SVPWM或DPWM控制方式工 作， 由 SVPWM/DPWM 控制处理单元输出控制信号， 经驱动电路输出 PWM 信号控制多电平逆变器每相 桥臂开关管的工作状态， 同时控制多电平逆变器 中点电压平衡。本发明的控制方法具有降低开关 频率、 减少开关损耗， 输出电压、 电流谐波小， 输出 波形质量高且便于数字化实现等优点， 具有重大 的工程应用价值。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 9 页 附图 5 页 (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9页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103746585 A CN 103746585 A 1/1 页 2 1. 一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 其特征在于， 在每个控 制周期内， 数字处理控制模块的采样单元检测多电平逆变器直流母线的中点与正极之间的 电容瞬时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压， 并确定该两个电容瞬时电压 的偏差， 经脉宽调制策略切换单元选择 SVPWM 或 DPWM 控制方式工作， 由 SVPWM/DPWM 控制处 理单元输出控制信号， 经驱动电路输出 PWM 信号控制多电平逆变器每相桥臂开关管的工作 状态， 同时控制多电平逆变器中点电压平衡， 具体方法包括以下步骤 ： 步骤 1、 采样单元分别采样多电平逆变器的直流母线电压、 直流母线的中点与正极之间 的电容瞬时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压、 多电平逆变器输出的三相 电压信号以及多电平逆变器输出的三相电流信号 ； 步骤 2、 脉宽调制策略切换单元根据步骤 1 中所述两个电容瞬时电压的偏差信号， 选择 SVPWM 控制方式或者 DPWM 控制方式工作 ； 步骤 3、 SVPWM/DPWM 控制处理单元根据步骤 1 中采样单元输出的三相电压信号与三相 电流信号、 直流母线电压信号、 以及步骤 2 中选择的控制方式， 确定当前开关周期内多电平 逆变器的每相桥臂各个开关管的控制信号 ； 步骤 4、 驱动电路将 SVPWM/DPWM 控制处理单元输出的开关管控制信号分配给多电平逆 变器的每相桥臂各个开关管， 控制多电平逆变器的工作状态和中点电压平衡。 2. 根据权利要求 1 所述的基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 其特 征在于， 步骤 2 中所述选择 SVPWM 控制方式或者 DPWM 控制方式工作的标准为 ： 判断直流母线中点电压变化量 VNP是否在误差范围内 ： 若 |VNP| Verro， 则选择 SVPWM 控制方式工作 ； 否则选择 DPWM 控制方式工作， 其中直流母线中点电压变化量 VNP 为 ： 式中， Vc1为直流母线的正极与中点之间的电容瞬时电压、 Vc2为直流母线的中点与负极 之间的电容瞬时电压， Verro 小于 0.05 倍的直流母线电压。 3. 根据权利要求 1 所述的基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 其特 征在于， 所述数字处理控制模块由 STM32F407 芯片实现。 4. 根据权利要求 2 所述的基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 其特 征在于， 所述 DPWM 控制方式工作具体包括以下步骤 ： 确定多电平逆变器的 a、 b、 c 三相动作时刻 taon、 tbon、 tcon， 并判断直流母线中点电压变 化量 VNP是否小于 0 ： 如果VNP0， 将所得每相的动作时刻均减去三相中动作时刻最小值tonmin； 如果VNP 0， 将所得每相的动作时刻均加上其中 Ts表示多电平逆变器的开关周期， ton max=maxtaon,tbon,tcon， ton min=mintaon,tbon,tcon。 权 利 要 求 书 CN 103746585 A 2 1/9 页 3 基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法 技术领域 0001 本发明属于电力电子变换技术中的控制技术领域， 特别是一种基于混合调制的多 电平逆变器中点电压平衡控制方法。 背景技术 0002 传统的两电平逆变器的控制方法简单， 实现容易， 但是也存在输出谐波畸变率高， 开关管承受电压应力大， 效率低的缺点。 多电平逆变器具有对开关器件的耐压等级低、 等效 开关频率高及输出波形谐波小等优点， 因而在中高压大功率变换电路中得到广泛应用。为 了产生输出相电压中有多种电平， T 型或者 NPC 型逆变器拓扑中都必须用到两个直流母线 电容。 理想情况下， 每个电容电压为直流母线电压的一半， 但实际情况这两种拓扑都会存在 一个共性的问题即中点电压不平衡。当直流侧的两个电容电压不相等时， 将会增加逆变器 桥臂中开关管的电压应力， 输出电压存在低频的脉动 （如三次谐波） ， 增加系统输出电压、 电 流的谐波， 影响输出波形质量。 0003 引起中点电压不平衡的原因主要有 ： 0004 1） 由于工艺制造的误差造成的实际电容容值偏差 ； 0005 2） 开关管的特性不一致 ； 0006 3） 三相不平衡运行。 0007 为了解决中点电压不平衡问题， 国内外学者提出了很多方法， 主要有两种方法 ： 一 种是基于正弦脉宽调制 （SPWM） 技术， 通过注入零序分量维持中点电压平衡 ； 另一种是基 于空间矢量脉宽调制 （SVPWM） 技术， 通过调节冗余小矢量的作用时间来控制中点电压。在 SPWM 方式中， 主要通过向三相调制波中注入零序分量来维持中点电压平衡。但是零序电压 的运算需要技巧， 一般是通过 “预估 - 校验 - 修正” 的方法， 运算量大且方法复杂。在 SVPWM 方式中常用的方法是计算分配因子， 由分配因子决定每对冗余小矢量的相对作用时间。不 同的扇区， 不同的三角形内， 分配因子计算的公式不一样 ； 该方式处理复杂， 运算量大。 发明内容 0008 本发明的目的在于提供一种实时性好、 处理过程简单且易实现数字化的基于混合 调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法。 0009 实现本发明目的的技术解决方案为 ： 一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压 平衡控制方法， 在每个控制周期内， 数字处理控制模块的采样单元检测多电平逆变器直流 母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压， 并 确定该两个电容瞬时电压的偏差， 经脉宽调制策略切换单元选择SVPWM或DPWM控制方式工 作， 由 SVPWM/DPWM 控制处理单元输出控制信号， 经驱动电路输出 PWM 信号控制多电平逆变 器每相桥臂开关管的工作状态， 同时控制多电平逆变器中点电压平衡， 具体方法包括以下 步骤 ： 0010 步骤 1、 采样单元分别采样多电平逆变器的直流母线电压、 直流母线的中点与正极 说 明 书 CN 103746585 A 3 2/9 页 4 之间的电容瞬时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压、 多电平逆变器输出的 三相电压信号以及多电平逆变器输出的三相电流信号 ； 0011 步骤 2、 脉宽调制策略切换单元根据步骤 1 中所述两个电容瞬时电压的偏差信号， 选择 SVPWM 控制方式或者 DPWM 控制方式工作 ； 0012 步骤 3、 SVPWM/DPWM 控制处理单元根据步骤 1 中采样单元输出的三相电压信号与 三相电流信号、 直流母线电压信号、 以及步骤 2 中选择的控制方式， 确定当前开关周期内多 电平逆变器的每相桥臂开关管的控制信号 ； 0013 步骤 4、 驱动电路将 SVPWM/DPWM 控制处理单元输出的开关管控制信号分配给多电 平逆变器的每相桥臂各个开关管， 控制多电平逆变器的工作状态和中点电压平衡。 0014 与现有技术相比， 本发明的显著优点在于 ：（1） 采用空间矢量调制 (SVPWM) 与不连 续调制 （DPWM） 方式相结合的混合调制策略实现多电平逆变器的中点电压平衡， 能够发挥传 统 SVPWM 稳定控制和输出电压电流谐波小的优势， 又能够在中点电压出现不平衡的时候， 体现 DPWM 控制有效实现中点电压平衡控制、 降低系统等效开关频率从而减少开关损耗的 功效 ；（2） 电感电流纹波减小， 谐波小、 输出波形质量较高 ；（3） 具有实现逆变器中点电压平 衡控制的功能， 且能够降低开关损耗来提高变换效率。 附图说明 0015 图 1 是本发明基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法的装置结构 图。 0016 图 2 是 T 型和 NPC 型三电平逆变器拓扑结构图。 0017 图 3 是三电平空间矢量分布图。 0018 图 4 是以图 3 中第一扇区第二小三角形为例矢量序列与三相负载连接状态电路 图。 0019 图 5 是以图 3 中第一扇区第二小三角形为例的中点电压不平衡时传统 SVPWM 方法 与本发明方法的矢量对应图， 其中 （a） 为传统 SVPWM 方法，（b） 为本发明方法。 0020 图 6 是本发明基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法的流程图。 0021 图7是实施例中在0.02s时加入本发明的控制方式前后的上下直流母线电压波形 图。 具体实施方式 0022 本发明采用结合空间矢量调制 (SVPWM) 和不连续调制 （DPWM） 控制方式实现中点 电压平衡， 闭环控制方法根据电容瞬时电压是否偏差选择脉宽调制控制方式， 即在中点电 压平衡时， 选择 SVPWM 控制方式工作 ； 中点电压不平衡时， 选择 DPWM 控制方式工作。在相应 的脉宽调制控制方式下确定当前控制周期内多电平逆变器的每相开关管的控制信号。 经驱 动电路控制多电平逆变器的每相的工作状态从而实现通过控制输出高低电平的时间实现 中点电压平衡。 0023 结合图 1， 本发明基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 在每个控 制周期内， 数字处理控制模块的采样单元检测多电平逆变器直流母线的中点与正极之间的 电容瞬时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压， 并确定该两个电容瞬时电压 说 明 书 CN 103746585 A 4 3/9 页 5 的偏差， 经脉宽调制策略切换单元选择 SVPWM 或 DPWM 控制方式工作， 由 SVPWM/DPWM 控制处 理单元输出控制信号， 经驱动电路输出 PWM 信号控制多电平逆变器每相桥臂开关管的工作 状态， 同时控制多电平逆变器中点电压平衡， 具体方法包括以下步骤 ： 0024 步骤 1、 采样单元分别采样多电平逆变器的直流母线电压、 直流母线的中点与正极 之间的电容瞬时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压、 多电平逆变器输出的 三相电压信号以及多电平逆变器输出的三相电流信号。 0025 步骤 2、 脉宽调制策略切换单元根据步骤 1 中所述两个电容瞬时电压的偏差信号， 选择 SVPWM 控制方式或者 DPWM 控制方式工作。所述选择 SVPWM 控制方式或者 DPWM 控制方 式工作的标准为 ： 0026 判断直流母线中点电压变化量VNP是否在误差范围内 ： 若|VNP|Verro， 则选 择 SVPWM 控制方式工作 ； 否则选择 DPWM 控制方式工作， 其中直流母线中点电压变化量 VNP 为 ： 0027 0028 式中， Vc1为直流母线的正极与中点之间的电容瞬时电压、 Vc2为直流母线的中点与 负极之间的电容瞬时电压， Verro 小于 0.05 倍的直流母线电压。 0029 所述 DPWM 控制方式工作具体包括以下步骤 ： 0030 确定多电平逆变器的 a、 b、 c 三相动作时刻 taon、 tbon、 tcon， 并判断直流母线中点电 压变化量 VNP是否小于 0 ： 0031 如果 VNP 0， 将所得每相的动作时刻均减去三相中动作时刻最小值 ton min； 0032 如果 VNP 0， 将所得每相的动作时刻均加上其中 Ts表示多电平逆变 器的开关周期， ton max=maxtaon,tbon,tcon， ton min=mintaon,tbon,tcon。 0033 步骤 3、 SVPWM/DPWM 控制处理单元根据步骤 1 中采样单元输出的三相电压信号与 三相电流信号、 直流母线电压信号、 以及步骤 2 中选择的控制方式， 确定当前开关周期内多 电平逆变器的每相桥臂各个开关管的控制信号 ； 0034 步骤 4、 驱动电路将 SVPWM/DPWM 控制处理单元输出的开关管控制信号分配给多电 平逆变器的每相桥臂各个开关管， 控制多电平逆变器的工作状态和中点电压平衡。所述数 字处理控制模块由 STM32F407 芯片实现。 0035 下面以三电平逆变器为例， 详细阐述本发明具体实施方式。 0036 图 2（a） 、（b） 为 T 型和 NPC 型三电平逆变器拓扑结构图， 从图中可得出中点电流 io与流经上下直流母线电容的电流 i1、 i2的关系如表达式 （1） ， 以图中标注方向为正方向。 0037 io i1-i2 （1） 0038 由电容电流与其两端电压关系， 可将 i1、 i2表示为 ： 0039 0040 令上下直流母线电容 C1、 C2容值相等， 即 C1 C2 C， 将 （2） 式代入 （1） 式， 可得 说 明 书 CN 103746585 A 5 4/9 页 6 中点电流表达式为 ： 0041 0042 表 1 三电平逆变器开关状态对照表 0043 0044 表 1 为理想情况下即中点电压平衡时三电平逆变器开关状态对照表 ； 每种开关状 态对应一种输出电压。其中 SXn(X a,b,c;n 1,2,3,4) 分别对应图 2 中的逆变桥臂的开 关管， Vdc表示直流母线电压， 直流母线中点 O 即为参考零电位点， 当中点电压平衡时， 中点 O的电压变化量VNP=0， 直流母线电容C1、 C2的电压当中点电压不平衡时即偏 离零电位， 直流母线电容 C1、 C2的电压不相等时， 中点电压变化量 VNP的表达式为 0045 0046 由式 （3） 、（4） ， 可得出中点电流与中点电压变化量的关系可表述为 ： 0047 0048 当中点电流方向为正方向即流出中点， 中点电压变化量 VNP0， 所以中点电压升高。 而中点电流 io又与连接至中点的负载相电流 ia、 ib、 ic有关。三电平逆变器每相有三种电 平状态， 令每相电压的输出电平状态由表示， 1 代表 P 状态， 0 代表 O 状 态， -1 代表 N 状态。中点电流的表达式为 ： 0049 io (1-|Sa|) ia+(1-|Sb|) ib+(1-|Sc|) ic=ia+ib+ic-(|Sa| ia+|Sb| ib+|Sc| i c) （6） 0050 对于三相三线制逆变器系统， 三相输出电流满足表达式 ： 0051 ia+ib+ic=0 （7） 0052 将 （7） 式带入 (6) 式可得中点电流 io与三相负载电流 ia、 ib、 ic的关系可用如下 表达式表示 ： 0053 io=-(|Sa|ia+|Sb|ib+|Sc|ic) （8） 说 明 书 CN 103746585 A 6 5/9 页 7 0054 在 27 种矢量状态下， 中点电流 io与三相负载电流 ia、 ib、 ic的具体关系可见表 2。 0055 表 2 27 种矢量状态下中点电流与负载电流关系对照表 0056 0057 0058 将 （8） 式代入 （5） 式， 可得中点电压变化量与负载相电流的关系为 ： 说 明 书 CN 103746585 A 7 6/9 页 8 0059 0060 如图 3 所示， 在三电平逆变器中， SVPWM 矢量控制通常采用的是七段式矢量序列， 每个序列以负小矢量 （正小矢量） 为始发矢量， 以负小矢量 （正小矢量） 为终结矢量。若以第 一大扇区第二小三角形矢量区为例， 其七段式矢量序列为 ： OON-PON-PPN-PPO-PP N-PON-OON.每个矢量对应的三相负载连接状态如图4所示。 图4 （c） 为矢量序列PPO 对应的负载连接状态， a、 b 相负载连接至正母线端， c 相连接至中点， 此序列状态下， 中点电 流为流入中点的 c 相电流， 上母校电容充电， 由上述分析可知中点电压变化量 VNP0， 所以 中点电压升高 ； 图 4（d） 为矢量序列 OON 对应的负载连接状态， a、 b 相负载连接至中点， c 相连接至负母线端， 此序列状态下， 中点电流为流出中点的 a、 b 相电流之和， 下母线电容放 电， 由上述分析可知中点电压变化量VNP0,tbon-taon0，所以VNP0,tbon-taon 0，(-ib)(tbon-taon)0, 中点电压偏高， 则下一个控制周期仍需 说 明 书 CN 103746585 A 9 8/9 页 10 采用 DPWM 方式对中点电压进行调节， 需按下式重新确定三相动作时刻 ： 0077 0078 0079 0080 式中 ton max=max(taon,tbon,tcon)， 确定新的每相动作时刻， 产生每相开关管的控制信 号， 从而实现调节中点电压的目的， 具体实现过程与中点电压偏低情况一致， 不再赘述。 0081 冗余正负小矢量代表的是同一矢量， 无论是采用 DPWM 方式还是 SVPWM 方式， 该矢 量的作用时间不变， 大矢量、 中矢量的作用时间也不变， 所以合成矢量在该控制周期内的作 用效果也不变， 即三相输出电压不变。所以在中点电压不平衡时采用 DPWM 方式， 在不影响 三相输出电压质量的情况下， 却能达到实现中点电压平衡的目的。 0082 综上， 无论采用SVPWM方式还是DPWM方式， 并不影响输出电压， 却能够达到平衡中 点电压的目的。如果中点电压偏低， 则将每相的动作时刻均减去三相中动作时刻最小值 ton min， 反之， 则将每相的动作时刻加上 直到中点电压平衡。 0083 本发明提出一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 图 6 为闭 环控制方法具体实施的流程图， 详细步骤如下 ： 0084 （1） 采样单元分别采样多电平逆变器的直流母线电压、 直流母线的中点与正极之 间的电容瞬时电压、 直流母线的中点与负极之间的电容瞬时电压、 多电平逆变器输出的三 相电压信号以及多电平逆变器输出的三相电流信号， 进入 （2） ； 0085 （2） 判断直流母线中点电压变化量 VNP是否满足 |VNP| Verro， 即接近平衡 点， 其中 Verro 是定值， 如果满足上述判断条件， 则进入 （3） ， 否则进入 （4） ； 0086 （3） SVPWM 控制处理单元， 确定多电平逆变器的 a、 b、 c 三相动作时刻 taon、 tbon、 tcon， 跳转至 （5） ； 0087 （4） DPWM 控制处理单元， 确定多电平逆变器的 a、 b、 c 三相动作时刻 taon、 tbon、 tcon 判断直流母线中点电压变化量是否满足 VNP0 ； 如果满足判断条件， 将所得每相的动作时 刻均减去三相中动作时刻最小值 ton min； 否则将所得每相的动作时刻均加上 其中 Ts表示多电平逆变器的开关周期， ton max=maxtaon,tbon,tcon， ton min=mintaon,tbon,tcon， 进入 （5） ； 0088 （5） 由每相的动作时刻， 确定每相开关管控制信号， 经驱动电路分配给多电平逆变 器每相桥臂各开关管， 控制多电平逆变器的工作状态和中点电压平衡 ； 之后返回至 （1） ， 进 入下一个开关周期的循环。 0089 实施例 1 0090 为验证本发明提出一种基于混合调制的多电平逆变器中点电压平衡控制方法的 可行性， 利用MATLAB中的Simulink工具搭建了三电平逆变电路， 直流电经箝位电容后由三 电平电路逆变输出三相电压， 经 EMI 滤波电路输出光滑的正弦电压波形。仿真过程中的电 说 明 书 CN 103746585 A 10 9/9 页 11 气参数设置如下表 ： 0091 0092 图 7 为在上述电气参数设置下的直流母线电容 C1、 C2的电压 Vc1、 Vc2仿真波形。在 0.02s 时刻加入本发