CN2014100111466A 基于载波偏置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 103746584 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103746584 A (21)申请号 201410011146.6 (22)申请日 2014.01.10 H02M 7/483(2007.01) H02M 7/487(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 吴馥云 胡文斌 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 基于载波偏置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载波偏置的多电平逆 变器中点电压平衡控制方法。该方法步骤为 ： 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， 经过载波偏置控 制调节单元对当前时刻的载波偏置量进行调节， 载波偏置控制调节单元的控制调节信号输出给 SVPWM矢量控制单元， 经驱动电路输出PWM信号控 制多电平逆变器的工作状态， 同时控制多电平逆 变器的中点电压平衡。本发明在保持原有 SVPWM 控制方法的基础上， 不增加控制方法复杂度， 只通 过改变载波偏置来控制中点电压的平衡， 能够减 少输出电压、 电流谐波， 提高输出波形质量， 具有 实时性好、 处理过程简单且易于实现的优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 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2页 说明书8页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103746584 A CN 103746584 A 1/2 页 2 1. 一种基于载波偏置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 其特征在于， 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， 经过载波偏 置控制调节单元对当前时刻的载波偏置量进行调节， 载波偏置控制调节单元的控制调节信 号输出给SVPWM矢量控制单元， 经驱动电路输出PWM信号控制多电平逆变器的工作状态， 同 时控制多电平逆变器的中点电压平衡， 具体包括以下步骤 ： 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、 载波偏置控制调节单元根据步骤 1 中所述两个电容瞬时电压的偏差信号， 通过 载波偏置控制方法确定当前时刻的载波偏置量 Toffset； 步骤3、 SVPWM矢量控制单元根据步骤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中所得当前时刻的载波偏置量Toffset， 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 ； 步骤 4、 驱动电路将 SVPWM 矢量控制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 所述的基于载波偏置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 中所述通过载波偏置控制方法确定当前时刻的载波偏置量 Toffset， 包括以 下步骤 ： 第 1 步， 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， 则不对载波进行任何操作 ； 否则， 进入第 2 步， 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 为小于 0.05 倍的直流母线电压 ； 第2步， 判断直流母线中点电压变化量VNP是否小于0 ： 如果VNP0则进入第3步， 否则转至第 4 步 ； 第 3 步， 判断本次中点电压变化量 VNP(K)与上次中点电压变化量 VNP(K-1)的大小 ： 若 |VNP(K)| |VNP(K-1)|， 则在当前载波基础上叠加一个正的载波偏置量 Toffset； 否则不对 载波进行操作 ； 第 4 步， 判断本次中点电压变化量 VNP(K)与上次中点电压变化量 VNP(K-1)的大小 ： 若 |VNP(K)| |VNP(K-1)|， 则在当前载波基础上叠加一个负的载波偏置量 Toffset； 否则不对 载波进行操作。 3. 根据权利要求 1 所述的基于载波偏置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为 STM32F407 芯片。 4. 根据权利要求 2 所述的基于载波偏置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 其特 征在于， 第 3 步和第 4 步中所述的载波偏置量 Toffset的范围为 ： 权 利 要 求 书 CN 103746584 A 2 2/2 页 3 式中， Ts为多电平逆变器的开关周期。 5. 根据权利要求 2 所述的基于载波偏置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 其特 征在于， 第 3 步和第 4 步中所述叠加载波偏置量 Toffset后的载波上峰值 Thpp和下峰值 Tlpp 分别满足以下条件 ： Thpp maxtaon,tbon,tcon Tlpp mintaon,tbon,tcon 式中， taon、 tbon、 tcon分别为多电平逆变器的 a、 b、 c 三相开关动作时刻。 权 利 要 求 书 CN 103746584 A 3 1/8 页 4 基于载波偏置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， 特别是一种基于载波偏置的多 电平逆变器中点电压平衡控制方法。 背景技术 0002 多电平逆变器具有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场合中得到广泛应用。无论是中点箝位型逆变器还是 T 型 逆变器都存在中点电压不平衡的问题， 这是一个共性问题。多电平逆变器中点电压不平衡 将会增加系统输出电压的谐波， 影响输出波形质量。 目前， 中点电压平衡的软件控制策略主 要有两种， 一种是基于载波的正弦脉宽调制 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 中点电压平衡。在 SPWM 方式下， 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 ； 但是零序分量的计算需要技巧， 一般是通过 “预估 - 校验 - 修正” 的方法， 计算量大， 计 算方法复杂。在 SVPWM 方式下常用的方法是计算分配因子， 分配因子 k 的计算公式如下 ： 0003 0004 其中 Ij(j a,b,c) 为一个控制周期内的三相负载电流， Tj(j a,b,c) 为小三角 形三个顶点矢量的作用时间， QNPO为一个控制周期内流入中点的平均电荷。 由分配因子决定 每对冗余小矢量的相对作用时间。当合成空间矢量处于矢量分布图中不同的扇区， 不同的 三角形区域内， 分配因子计算的公式不一样 ； 该计算方法需要用到的参数较多， 计算比较复 杂， 运算量大且不利于数字化的实现。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种处理过程简单、 运算量小且便于数字化的基于载波偏 置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法。 0006 实现本发明目的的技术解决方案为 ： 一种基于载波偏置的多电平逆变器中点电压 平衡控制方法， 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， 经过载波偏置控制调节单元对当前时刻的载波偏置量进行调节， 载波偏置控 制调节单元的控制调节信号输出给 SVPWM 矢量控制单元， 经驱动电路输出 PWM 信号控制多 电平逆变器的工作状态， 同时控制多电平逆变器的中点电压平衡， 具体包括以下步骤 ： 0007 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 ； 0008 步骤 2、 载波偏置控制调节单元根据步骤 1 中所述两个电容瞬时电压的偏差信号， 通过载波偏置控制方法确定当前时刻的载波偏置量 Toffset； 说 明 书 CN 103746584 A 4 2/8 页 5 0009 步骤3、 SVPWM矢量控制单元根据步骤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中所得当前时刻的载波偏置量Toffset， 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 ； 0010 步骤 4、 驱动电路将 SVPWM 矢量控制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。 0011 与现有技术相比， 本发明的显著优点在于 ：（1） 在保持原有 SVPWM 控制方法的基础 上， 不增加控制方法复杂度， 只通过变载波偏置来控制中点电压的平衡 ；（2） 能够减少输出 电压、 电流谐波， 提高输出波形质量 ；（3） 具有实时性好、 处理过程简单且易数字化实现等 优点。 附图说明 0012 图 1 是本发明基于载波偏置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法的装置结构 图。 0013 图 2 是 T 型三电平的拓扑结构图和 NPC 型三电平的拓扑结构图。 0014 图 3 是三电平空间矢量分布图中第一扇区的局部空间矢量分布图。 0015 图 4 是图 3 中第一扇区第二小三角形叠加载波偏置量前后的三相输出电平变化 图。 0016 图 5 是本发明基于载波偏置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法的流程图。 0017 图6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 0018 本发明采用变载波偏置的 SVPWM 控制方法， 实现了在每个开关周期内对逆变器输 出 a、 b、 c 三相电压高、 低电平状态持续时间的动态调节， 即对中点电压闭环调节， 确保中点 电压工作在误差范围内的平衡状态。 载波偏置控制调节单元根据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， 通过闭环控制方法确定当前开关周期的载波偏置量， 最后叠加到载波上， 调整 当前开关周期内 a、 b、 c 三相输出电压高、 低电平状态持续时间， 实现中点电压稳定状态。 0019 结合图 1， 本发明基于载波偏置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 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， 经过载波偏 置控制调节单元对当前时刻的载波偏置量进行调节， 载波偏置控制调节单元的控制调节信 号输出给SVPWM矢量控制单元， 经驱动电路输出PWM信号控制多电平逆变器的工作状态， 同 时控制多电平逆变器的中点电压平衡， 具体包括以下步骤 ： 0020 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 ； 0021 步骤 2、 载波偏置控制调节单元根据步骤 1 中所述两个电容瞬时电压的偏差信号， 通过载波偏置控制方法确定当前时刻的载波偏置量 Toffset； 包括以下步骤 ： 说 明 书 CN 103746584 A 5 3/8 页 6 0022 第 1 步， 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， 则不对载波进行任何操作 ； 否则， 进入第2步， 其中直流母线中点电压变化量VNP 为 ： 0023 0024 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 为小于 0.05 倍的直流母线电压 ； 0025 第 2 步， 判断直流母线中点电压变化量 VNP是否小于 0 ： 如果 VNP 0 则进入第 3 步， 否则转至第 4 步 ； 0026 第 3 步， 判断本次中点电压变化量 VNP(K)与上次中点电压变化量 VNP(K-1)的大 小 ： 若 |VNP(K)| |VNP(K-1)|， 则在当前载波基础上叠加一个正的载波偏置量 Toffset； 否 则不对载波进行操作 ； 0027 第 4 步， 判断本次中点电压变化量 VNP(K)与上次中点电压变化量 VNP(K-1)的大 小 ： 若 |VNP(K)| |VNP(K-1)|， 则在当前载波基础上叠加一个负的载波偏置量 Toffset； 否 则不对载波进行操作。 0028 所述的载波偏置量 Toffset的范围为 ： 0029 0030 式中， Ts为多电平逆变器的开关周期。 0031 所述叠加载波偏置量 Toffset后的载波上峰值 Thpp和下峰值 Tlpp分别满足以下条 件 ： 0032 Thpp maxtaon,tbon,tcon 0033 Tlpp mintaon,tbon,tcon 0034 式中， taon、 tbon、 tcon分别为多电平逆变器的 A、 B、 C 三相输出电压动作时刻。 0035 步骤3、 SVPWM矢量控制单元根据步骤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中所得当前时刻的载波偏置量Toffset， 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 ； 0036 步骤 4、 驱动电路将 SVPWM 矢量控制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 理控制模块为 STM32F407 芯片。 0037 下面以三电平逆变器为例， 结合附图来说明本发明的具体实施方式过程。 0038 表 1 详细表述了三电平逆变器开关状态与输出三相电压电平的关系， P 表示正母 线电压电平， N 表示负母线电压电平， 直流母线中点 0 表示参考零电位。 0039 表 1 三电平逆变器开关状态与输出三相电压电平的关系参考表 0040 说 明 书 CN 103746584 A 6 4/8 页 7 0041 在理想条件下， 当中点电压平衡 （即相对于零电位中点电压变化量 VNP=0） 时， 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 0042 如图 2 所示， 中点电流 io与流经上下直流母线电容 C1、 C2的电流 i1、 i2的关系如 下 ： 令直流母线 C1、 C2的容值相等， 即 C1 C2 C。 0043 0044 由上式可得中点电压变化量 VNP的表达式为 0045 0046 式中 Vc1、 Vc2满足 Vc1+Vc2=Vdc， 可得中点电压变化量 VNP与中点电流直接相关。 0047 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 ： 0048 0049 对于三相三线制逆变器系统， 三相输出电流满足表达式 ： ia+ib+ic=0 0050 所以 io -(|Sa|ia+|Sb|ib+|Sc|ic)， 代入式 （1） 可得中点电压变化量 VNP 的表达式为 ： 0051 0052 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 说 明 书 CN 103746584 A 7 5/8 页 8 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。若以图 3 所示的 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- PPN-PON-OON。其中， 当开关状态为正小矢量 （PPO） ， 由于开关频率通常选取的很高 （20kHZ-200kHZ） ， 所以可以认为在该开关周期内三相电流 ia、 ib、 ic恒定不变 , 并规定电流 流出方向为正。中点电压变化量 VNP的表达式为 0053 0054 此开关状态时间段内 ic0,PPO 作用的这段时间内， 由上述分析可知 中点电压的变化量为正值， 所以正小矢量可以使得中点电压升高。 0055 同理当开关状态为正小矢量 （OON） ： 中点电压变化量 VNP的公式可表述为 0056 0057 VNP0,tbon-taon 0，由 （3） 式可知 ： VNP0, 又因为 Toffset的选取一般比 taon tbon tcon小一至三个数量级， 所以由 （3） 、（4）可知 VNPV NP0。因此， 在叠加一个小的正偏置量后， 中点电压升高了， 则下一开关周期仍 按该步长继续叠加载波偏置量， 经过几个开关周期后随着不断叠加 Toffset， 中点电压变化 量 |VNP| Verro（中点电压偏差达到预期设定值以内， 则停止叠加偏置量） ， 最终实现中 点电压平衡。 载波偏置量调节过程约束条件是叠加偏置量后的载波上峰值Thpp和下峰值Tlpp 分别满足以下条件 ： 0071 Thpp maxtaon,tbon,tcon 0072 Tlpp mintaon,tbon,tcon 0073 式中， taon、 tbon、 tcon分别为多电平逆变器的 a、 b、 c 三相动作时刻。 0074 冗余正小矢量与负小矢量在图 3 所示的三电平空间矢量分布图上代表的是同一 矢量， 在叠加偏置量之前该矢量的作用时间为叠加偏置 量之后该矢量的作用时间为 ： 0075 0076 根据伏秒平衡原理， 叠加偏置量之前合成参考矢量 Vref在 Ts时间的作用效果可以 用以下表达式表示 ： 0077 0078 叠加偏置量之后合成参考矢量 V ref在 Ts时间的作用效果可以用以下表达式表 示 ： 说 明 书 CN 103746584 A 9 7/8 页 10 0079 0080 比较 （5） 、（6） 式， 可知叠加载波偏置前后， 合成参考矢量的作用效果一致， 所以三 电平逆变器输出的三相电压波形不会改变。 可见叠加载波偏置量， 并不影响输出电压、 电流 波形， 却能够达到平衡中点电压的目的。 0081 本发明提出基于变载波偏置的多电平逆变器中点电压平衡控制方法， 可以有效地 实现中点电压平衡控制。图 5 是本发明的基于载波偏置多电平逆变器中点电压平衡控制方 法的流程图， 具体实施过程如下 ： 0082 (1) 采样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， 多电平逆变器的直流母线电压信号， 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） ； 0083 (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， 则不对载波进行任何操作， 跳转至 （6） ； 若 不满足， 则进入 （3） ； 否则跳转至 （5） ； 0084 (4)判断本次中点电压变化量VNP(K)与上次中点电压变化量VNP(K-1)的大小。 若 |VNP(K)| |VNP(K-1)|, 则在当前载波基础上叠加一个正载波偏置量 Toffset否则不对载 波进行任何操作。执行完后， 跳转至 （6） ； 0085 (5)判断本次中点电压变化量VNP(K)与上次中点电压变化量VNP(K-1)的大小。 若 |VNP(K)|VNP(K-1)|,则在当前载波基础上叠加一个负载波偏置量Toffset;否则不对载 波进行任何操作。执行完后， 跳转至 （6） ； 0086 (6)SVPWM 矢量控制单元根据 （1） 中采样所得多电平逆变器的直流母线电压信号， 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， 并根据 （4） 和 （5） 确定的更新后的载波， 调节过程中如果载波上峰值 Thpp和下峰值 Tlpp不满足条件 ： Thpp maxtaon,tbon,tcon 和 Tlpp mintaon,tbon,tcon， 则令 Thpp maxtaon,tbon,tcon 或者 Tlpp mintaon,tbon,tcon， 根据七段式矢量对称输出形式的工作顺序， 确定当前开关周期内 多电平逆变器每相桥臂开关管的控制信号， 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 ； 处理结束后返回至 （1） ， 进入下一个 开关周期的循环。 0087 实施例 1 0088 本实施例利用 MATLA