一種二極體箝位三電平逆變器共模電壓抑制方法與流程
2024-03-02 08:32:15
本發明涉及一種適用於二極體箝位三電平逆變器的共模電壓抑制方法。
背景技術：
：隨著能源和環境問題的突出，世界各國正在把更多目光投向可再生能源，其中風力發電已經成為目前最具規模化開發條件和商業化發展前景的可再生能源發電方式。在風力發電中，需要PWM變頻器對電能進行處理，其中由二極體箝位三電平逆變器組成的四象限變流器具有能量轉換效率高、控制相對簡單、du/dt低等優點被廣泛採用，但是在其應用過程中存在一些負面效應，典型問題為逆變器產生的高頻共模電壓。高頻共模電壓會在發電機轉軸上感應出高頻軸電壓，進而形成軸電流，腐蝕發電機軸承。高頻共模電壓與發電機繞組寄生電容相互作用，降低繞組對地絕緣；同時高頻共模電壓產生很強的電磁幹擾，影響其它控制系統和電子設備的正常運行。隨著電壓的升高，電力設備可供設計的電壓裕量越來越小，考慮到多電平結構是實現高電壓的典型途徑，研究多電平PWM逆變器輸出共模電壓抑制技術具有重要的理論意義和實用價值。文獻《多電平SPWM變頻器中共模電壓抑制技術的研究》姜豔姝,徐殿國等.、《多電平逆變器共模電壓的抑制》趙莉,宋平崗等，提出採用軟體方式抑制逆變器共模電壓輸出，但均未考慮中點電壓平衡控制。而中點電壓平衡是二極體箝位三電平逆變器穩定運行的基礎。技術實現要素：本發明的目的是克服現有共模電壓抑制方法不能控制中點電壓平衡的缺點，提出一種降低二極體箝位三電平逆變器輸出共模電壓的抑制方法，在達到共模電壓抑制的同時能控制中點電壓平衡。本發明將二極體箝位三電平逆變器的矢量空間分為6個扇區，每個扇區細分為2個小區，根據小矢量作用時中點電流與對應相電流方向，將小矢量分為正小矢量和負小矢量，採用不含正小矢量的PWM(NPSVPWM)矢量合成策略，在輸出電壓合成的矢量中去除正小矢量，同時維持中點電壓平衡；將參與輸出電壓合成的負小矢量按照矢量合成關係分為過渡小矢量、第一附加小矢量和第二附加小矢量，並根據不同小矢量作用時對中點電壓的控制能力推導出最優工況選擇標準，實現對中點電壓有效控制。本發明可將逆變器輸出共模電壓幅值由原來的1/3直流母線電壓降低到1/6直流母線電壓。對於二極體箝位三電平逆變器，由12個IGBT和6個箝位二極體組成。用開關變量Sa、Sb、Sc分別表示三電平逆變器各橋臂開關狀態，0、1、2三個狀態分別對應橋臂三個電壓輸出。定義三電平逆變器的開關狀態為SaSbSc，則三電平逆變器共有27個開關狀態，分別對應19個空間狀態。將整個矢量空間分成6個扇區，每個扇區分成2個小區，用(xy)表示，x代表扇區號，y代表小區號，比如(12)區表示第1扇區第2小區。矢量根據長短分為4類：零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，位於0點的為零矢量，長度位於小矢量圓的為小矢量，長度位於中矢量圓的為中矢量，長度位於大矢量圓的為大矢量。小矢量有1個冗餘狀態，零矢量有2個冗餘狀態。定義三相電流Iabc和中點電流Im均以輸出為正，如果小矢量作用時對應中點電流與相電流方向相同，稱為正小矢量，如100,122；如果小矢量作用時對應中點電流與相電流相反，則稱為負小矢量，如011、211。不同矢量對應不同共模電壓幅值|VN0|，如表1所示。其中，Udc為逆變器直流母線電壓。表1其中，中矢量對應共模電壓幅值|VN0|＝0，大矢量對應共模電壓幅值正小矢量對應共模電壓幅值負小矢量對應共模電壓幅值零矢量111對應共模電壓幅值|VN0|＝0，零矢量000、222對應共模電壓幅值如果參與合成輸出電壓的矢量狀態不包含000、222兩個零矢量，逆變器輸出共模電壓幅值將從降低到如果再去掉正小矢量，則逆變器輸出共模電壓幅值將從降低到去除000、222兩個零矢量，去除6個正小矢量，剩餘的19個矢量位置唯一對應19個空間狀態。為了實現抑制共模電壓輸出的目的，參與輸出電壓合成的矢量去除兩個零矢量000和222，去除6個正小矢量。對於各小區採用零矢量111，負小矢量、中矢量和大矢量4個基礎矢量參與輸出電壓合成。各小區參與輸出電壓合成的基礎矢量如表2所示。表2選擇合成輸出電壓所用的矢量，求取每個矢量作用時間。對於每個開關序列，為了控制中點電壓平衡，優先採用中矢量和大矢量；負小矢量用於狀態過渡分配最小作用時間Tmin，稱為過渡小矢量；零矢量用於剩餘時間填充。設過渡小矢量Vst作間為Tst，中矢量Vm作用時間為Tm，大矢量Vl作用時間為Tl，零矢量V0作用時間為T0，扇區號為n。定義逆變器需要輸出電壓Uoαβ在α軸分量為Uα，在β軸分量為Uβ，設最大矢量長度為對各矢量根據直流母線電壓Udc進行標么化，中矢量大矢量各扇區第1小區時過渡小矢量計算第1小區各矢量作用時間如式(1)所示。各扇區第2小區時，小矢量計算第2小區各矢量作用時間如式(2)所示。公式(1)和公式(2)中，T0為零矢量V0的作用時間，Tst為過渡小矢量Vst的作用時間、Tm為中矢量Vm的作用時間，Tl為大矢量Vl的作用時間，n為扇區號，Tmin為過渡小矢量分配的最小作用時間，Vα和Vβ分別為逆變器需要輸出電壓U0αβ在α軸和β軸分量。每個開關序列包含一個負小矢量用於狀態過渡，單一負小矢量累積作用將使中點電壓失去失衡，必須引入其它的負小矢量作為附加小矢量，引入互差120度的其它兩個負小矢量是合適的，一方面過渡小矢量和引入的兩個負小矢量作用分別對應不同的三相電流，可以滿足中點電壓的實時控制需求，另一方面保證一個PWM周期內各橋臂器件最多動作一次。本發明將引入的其它兩個負小矢量分別稱為第一附加小矢量和第二附加小矢量。其中，與大矢量一起合成中矢量的附加小矢量命名為第一附加小矢量，與中矢量一起合成0.5倍大矢量的附加小矢量命名為第二附加小矢量。本發明關於過渡小矢量、第一附加小矢量、第二附加小矢量的定義以及對中點電壓的控制作用，以第(11)小區為例進行詳細說明。第(11)小區參與輸出電壓合成基礎矢量包含大矢量200，中矢量210，過渡小矢量211和零矢量111。另外，根據中點電壓控制需要，引入121作為第一附加小矢量或引入112作為第二附加小矢量參與輸出電壓合成，附加小矢量121與大矢量200可以合成中矢量210，附加小矢量112與中矢量210可以合成0.5倍大矢量200。引入附加小矢量後，依據過渡小矢量Vst、第一附加小矢量Vsa1和第二附加小矢量Vsa2作用對應中點電流符號和中點電壓調整方向將對中點電壓的控制分為3種工況，，過渡小矢量調整中點電壓對應工況1，第一附加小矢量調整中點電壓對應工況2，第二附加小矢量調整中點電壓對應工況3。以第(11)小區為例對工況1、工況2、工況3進行詳細描述。工況1：過渡小矢量作用對應中點電流符號滿足中點電壓控制要求，調整過渡小矢量作用時間控制中點電壓。對於第(11)小區，大矢量200與過渡小矢量211相位相同，長度相差1倍，過渡小矢量211作用對應中點電流Im＝-Ia，A相電流為輸出時211作用使中點電壓升高，A相電流為輸入時211作用使中點電壓降低。過渡小矢量211對中點電壓調整最直接，但是半個基波周期內只能朝著一個方向控制。工況2：第一附加小矢量作用對應電流符號滿足中點電壓控制要求，增加第一附加小矢量參與輸出電壓合成。對於第(11)小區，第一附加小矢量121作用對應中點電流Im＝-Ib，B相電流為輸出時第一附加小矢量121作用使中點電壓升高，B相電流為輸入時第一附加小矢量121作用使中點電壓降低。同時，121與200等時間作用合成中矢量210，減少210作用時間，210作用對應中點電流Im＝Ib。通過增加-Ib作用時間，減少Ib作用時間，實現對中點電壓雙重調節效果。工況3：第二附加小矢量作用對應電流符號滿足中點電壓控制要求，增加第二附加小矢量參與輸出電壓合成。對於第(11)小區，第二附加小矢量112作用對應中點電流Im＝-Ic，C相電流為輸出時第二附加小矢量112作用使中點電壓升高，C相電流為輸入時第二附加小矢量112作用使中點電壓降低。同時，112與中矢量210等時間作用可以合成0.5倍大矢量200，增加中矢量210作用時間，210作用對應中點電流Im＝Ib。通過增加-Ic作用時間，增加Ib作用時間實現對中點電壓雙重調節效果。對於第(11)小區，工況1對應增加過渡小矢量211作用時間，實現A相電流對中點電壓控制作用；工況2對應增加第一附加小矢量121作用時間，減少中矢量210作用時間，實現B相電流對中點電壓雙重調節作用；工況3對應增加第二附加小矢量112作用時間，增加中矢量210作用時間，實現C、B兩相電流對中點電壓雙重調節作用。3種工況分別對應3相電流，通過調整負小矢量、中矢量作用時間，實現三相電流對中點電壓的實時控制。其它小區依此類推，總結如表3所示,括號中電流為矢量作用時對應的中點電流情況。表3小區過渡小矢量第一附加小矢量第二附加小矢量中矢量11211(-Ia)121(-Ib)112(-Ic)210(Ib)12110(-Ic)101(-Ib)011(-Ia)210(Ib)21110(-Ic)011(-Ia)101(-Ib)120(Ia)22121(-Ib)211(-Ia)112(-Ic)120(Ia)31121(-Ib)112(-Ic)211(-Ia)021(Ic)32011(-Ia)110(-Ic)101(-Ib)021(Ic)41011(-Ia)101(-Ib)110(-Ic)012(Ib)42112(-Ic)121(-Ib)211(-Ia)012(Ib)51112(-Ic)211(-Ia)121(-Ib)102(Ia)52101(-Ib)011(-Ia)110(-Ic)102(Ia)61101(-Ib)110(-Ic)011(-Ia)201(Ic)62211(-Ia)112(-Ic)121(-Ib)201(Ic)增加中點電壓控制策略後，各矢量作用時間在式(1)和式(2)基礎上將發生變化，定義Tsa'、T0'、Tst'、Tm'、Tl'分別為附加小矢量Vsa、零矢量V0、過渡小矢量Vst、中矢量Vm、大矢量Vl最終作用時間。採用過渡小矢量控制中點電壓時，各矢量最終作用時間如式(3)所示：採用第一附加小矢量控制中點電壓時，各矢量最終作用時間如式(4)所示：採用第二附加小矢量控制中點電壓時，各矢量最終作用時間如式(5)所示。式(3)、式(4)、式(5)中，Tsa』、T0』、Tst』、Tm』、Tl』分別為考慮中點電壓平衡控制後附加小矢量Vsa、零矢量V0、過渡小矢量Vst、中矢量Vm、大矢Vl量最終作用時間,其中工況2時附加小矢量Vsa對應第一附加小矢量Vsa1，工況3時附加小矢量Vsa對應第二附加小矢量Vsa2；T0、Tst、Tm、Tl分別為採用中點電壓控制前由式(1)或式(2)計算得到的零矢量V0、過渡小矢量Vst、中矢量Vm、大矢量Vl作用時間，Tmin為過渡小矢量分配的最小作用時間，K為根據中點電壓偏差PI閉環調節輸出量。分析式(3)、式(4)、式(5)可以看出，選擇三種工況中的不同工況作用時，各矢量作用時間將發生變化，不同合成矢量的調整通過佔用零矢量作用時間T0來實現。工況1、工況2、工況3作用對零矢量的佔用時間分別為和K(T0-Tmin)。單從對零矢量佔用時間角度考慮，採用工況2或工況3調整中點電壓的代價是工況1的2倍。同時，小矢量或中矢量對中點電壓的控制能力，與矢量作用對應的電流大小成正比。同樣以第(11)小區為例分析選擇最佳運行工況的標準。在第(11)小區，過渡小矢量、第一附加小矢量和第二附加小矢量的作用對象分別對應為A相電流ia、B相電流ib和C相電流ic，結合不同工況作用時對中點電壓的調整特性與零矢量時間佔用關係，定義不同工況對中點電壓的控制能力為e，如式(6)所示：式(6)中，e1、e2、e3分別為工況1、工況2、工況3對中點電壓的控制能力，其中工況1對中點電壓的控制能力e1取2倍係數是因為工況1對零矢量佔用時間是工況2或工況3的工況2對中點電壓的控制能力e2中出現兩個電流ib是因為工況2時增加第一附加小矢量作用和減小中矢量作用都對應B相電流，sign(ΔUneut)為中點電壓符號。式(6)的含義為根據中點電壓符號和矢量作用特性得到不同工況作用時對中點電壓控制能力e，控制能力e包含e1、e2和e3，e1對應工況1，e2對應工況2，e3對應工況3。其中控制能力e最大者對中點電壓控制能力最強，為調整中點電壓的最佳工況。本發明具體步驟如下：步驟1：將二極體箝位三電平逆變器的整個360度矢量空間按照角度進行劃分，每60度為一個扇區，共分為6個扇區，編號依次為1～6；每個扇區60度空間按照角度再進行細分，前30度空間為第1小區，後30度空間為第2小區。整個矢量空間共分為12個小區。根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ識別扇區與小區編號。具體方法：對逆變器需要輸出電壓Uoαβ在α軸和β軸分量Uα和Uβ求取反正切得到矢量空間角度θ，矢量空間角度θ除以60向上取整即為扇區號；同時餘數小於30度為第1小區，餘數大於等於30度為第2小區。例如當矢量空間角度θ為70度時，除以60向上取整為2，扇區號為2，餘數10小於30，小區號為1。步驟2：根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ所在扇區小區編號，選擇參與輸出電壓合成的基礎空間矢量，所述的基礎空間矢量包含零矢量V0、過渡小矢量Vst、中矢量Vm和大矢量Vl。以第(11)小區為例，基礎空間矢量包含零矢量111、過渡小矢量211、中矢量210和大矢量200；步驟3：根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ所在扇區小區編號，根據式(1)和式(2)計算零矢量V0、過渡小矢量Vst、中矢量Vm、大矢量Vl的作用時間，分別記為T0、Tst、Tm和Tl；步驟4：為了實現中點電壓Uneut平衡控制，根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ所在扇區小區編號，將與過渡小矢量Vst空間位置相差120度的兩個負小矢量作為第一附加小矢量Vsa1和第二附加小矢量Vsa2。其中，與基礎矢量中的大矢量Vl共同合成中矢量Vm的附加小矢量命名為第一附加小矢量Vsa1，與基礎矢量中的中矢量Vm共同合成0.5倍大矢量Vl的附加小矢量命名為第二附加小矢量Vsa2。以第(11)小區為例，121與大矢量200可以合成中矢量210，稱為第一附加小矢量Vsa1，112與中矢量210可以合成0.5倍大矢量200，稱為第二附加小矢量Vsa2。步驟5：根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ所在扇區小區編號，參照過渡小矢量Vst、第一附加小矢量Vsa1和第二附加小矢量Vsa2對應的三相電流Iabc和中點電壓Uneut偏差，根據式(6)計算3種工況對中點電壓的控制能力e，控制能力e包含e1、e2和e3，e1對應工況1，e2對應工況2，e3對應工況3。選擇控制能力e最大者為最優運行工況。步驟6：根據步驟2選擇的基礎空間矢量，步驟4選擇的附加小矢量，步驟5選擇的最優運行工況，步驟3計算的各基礎矢量作用時間，代入式(3)、式(4)或式(5)計算各矢量最終作用時間，生成開關序列，控制對應電力電子器件通斷，實現最終電壓控制。本發明的優點在於採用軟體優化輸出電壓合成空間矢量作用時間的方式，將二極體箝位三電平逆變器輸出共模電壓幅值由原來的1/3直流母線電壓降低到1/6直流母線電壓，在不增加設備硬體成本的前提下實現抑制逆變器共模電壓輸出，降低共模電壓對其它設備的危害。附圖說明圖1二極體箝位三電平拓撲；圖2三電平逆變器空間矢量劃分；圖3第(11)小區附加小矢量和其它矢量相互合成關係；圖4二極體箝位三電平逆變器共模電壓抑制策略框圖。具體實施方式以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。二極體箝位三電平逆變器拓撲如圖1所示。逆變器採集正負直流母線電壓，分別記為UdcP和UdcN；採集三相交流電流，記為Iabc，其中A相、B相、C相分別對應Ia、Ib和Ic；對正直流母線電壓UdcP和負直流母線電壓UdcN求和，得到直流母線電壓Udc；對正母線電壓UdcP和負直流母線電壓UdcN做差，得到中點電壓偏差ΔUneut。逆變器採用矢量控制方法，圖1中10所示矢量控制模塊輸出逆變器需要輸出電壓Uoαβ。本發明對於二極體箝位三電平逆變器共模電壓抑制方法如圖4所示：步驟1：將整個矢量空間360度按照角度進行劃分，每60度為一個扇區，共分為6個扇區，編號依此為1～6；每個扇區60度空間按照角度再進行細分，前30度空間為第1小區，後30度空間為第2小區，整個矢量空間共分為12個小區，如圖2所示。根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ，識別扇區與小區編號，如圖4中110所示。具體方法：對逆變器輸出電壓Uoαβ在α軸和β軸分量Uα和Uβ求取反正切得到矢量空間角度θ，矢量空間角度θ除以60向上取整即為扇區號；同時餘數小於30度為第1小區，餘數大於等於30度為第2小區。例如當矢量空間角度θ為70度時，向上求整為2，扇區號為2，餘數10小於30，小區號為1。步驟2：根據圖4中110部分根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ識別的扇區小區編號，選擇參與輸出電壓合成的基礎空間矢量，所述的基礎空間矢量包含零矢量V0、過渡小矢量Vst、中矢量Vm和大矢量Vl，如圖4中120所示。以第(11)小區為例，基礎空間矢量包含零矢量111、過渡小矢量211、中矢量210和大矢量200；步驟3：根據圖4中110部分根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ識別的扇區小區編號，將直流電壓Udc、逆變器需要輸出電壓Uoαβ帶入公式(1)(2)計算零矢量V0、過渡小矢量Vst、中矢量Vm和大矢量Vl作用時間，分別記為T0、Tst、Tm和Tl，如圖4中150所示；步驟4：為了實現中點電壓Uneut平衡控制，根據圖4中110部分根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ識別的扇區小區編號，選擇第一附加小矢量Va1和第二附加小矢量2Va2，如圖4中130所示。其中，與基礎矢量中的大矢量一起合成中矢量的附加小矢量命名為第一附加小矢量Va1，與基礎矢量中的中矢量一起合成0.5倍大矢量的附加小矢量命名為第二附加小矢量Va2。以第(11)小區為例，121與大矢量200可以合成中矢量210，稱為第一附加小矢量Vsa1，112與中矢量210可以合成0.5倍大矢量200，稱為第二附加小矢量Vsa2，合成關係如圖3所示。步驟5：根據圖4中110部分根據逆變器需要輸出電壓Uoαβ識別的扇區小區編號，參照過渡小矢量Vst、第一附加小矢量Va1和第二附加小矢量Va2對應的三相電流Iabc和中點電壓Uneut偏差，根據式(6)計算3種工況對中點電壓的控制能力e，控制能力e包含e1、e2和e3，e1對應工況1，e2對應工況2，e3對應工況3。選擇控制能力e最大者為最優運行工況，如圖4中140所示。步驟6：根據步驟2中120部分選擇的基礎矢量，步驟4中130部分選擇的附加小矢量，步驟5中140部分選擇的最優運行工況，步驟3中150部分計算的各基礎矢量作用時間，帶入式(3)、(4)或(5)計算各矢量最終作用時間，生產開關序列，控制對應電力電子器件通斷，實現需要的逆變器電壓輸出，如圖4中160所示。當前第1頁1 2 3