一種基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法與流程
2023-11-04 06:45:22
本發明涉及逆變器中點電位平衡的技術領域，具體涉及一種基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法。
背景技術：
隨著分布式電源、儲能系統、電動汽車等領域的迅速發展，對電能質量和系統效率的要求也越來越高。三電平逆變器相比於傳統的兩電平逆變器具有諧波少、開關管電壓應力小、耐壓高、電磁幹擾小等優點。T型三電平逆變器相比於二極體鉗位型三電平逆變器，有兩個主要的優點：當輸出相電壓為正或負的時候，只有一個開關管被導通，減少了開通損耗；一個工頻周期內每一個開關管的流過的電流有效值相等，不存在熱量分布不均問題。因此，近年來T型三電平逆變器受到企業和高校的廣泛關注，前景十分廣闊。
然而，與二極體鉗位型三電平逆變器一樣，T型三電平逆變器一樣存在中點電位不平衡問題，導致直流母線電容和開關器件承受電壓不均衡，輸出電壓電流諧波含量大，縮短電容壽命。
因此，研究一種高效及性能優越的中點電位平衡方法至關重要。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法，該方法通過減小T型三電平逆變器的中點電壓波動，改善逆變器性能。
本發明的目的可以通過採取如下技術方案達到：
一種基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法，包含以下四個步驟：S1、根據傳統最近三矢量空間矢量調製方法，由參考電壓矢量選擇相應的初始合成矢量並確定各初始合成矢量作用佔空比；S2、採用兩個大矢量合成中矢量的方法消去中矢量，得到新的合成矢量及其作用佔空比；S3、選擇基礎開關矢量並確定所選基礎開關矢量調製順序；S4、採用無差拍控制方法調整兩個冗餘小矢量的作用佔空比。
進一步地，所述基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法中的步驟S1具體方法如下：
T型三電平逆變器每一相的輸出電平都有三種狀態：輸出電壓等於直流母線電壓、輸出電壓等於直流母線電壓的一半、輸出電壓等於零，分別設為P、O、N；因此共有27種基礎矢量分別為：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；
進一步地，27個基礎矢量構成的矢量圖分為六個大扇區，每個大扇區分為四個小區，每個大扇區有五種合成矢量，根據參考電壓矢量所在扇區選擇相應的合成矢量並確定各合成矢量作用佔空比，具體如下：
(1)當參考矢量位於第一小區時，合成矢量選擇零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2，作用佔空比分別為
(2)當參考矢量位於第二小區時，合成矢量選擇小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3，作用佔空比分別為
(3)當參考矢量位於第三小區時，合成矢量選擇小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4，作用佔空比分別為
(4)當參考矢量位於第四小區時，合成矢量選擇小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5，作用佔空比分別為
進一步地，所述基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法中的步驟S2具體如下：
(1)當參考矢量位於第一小區時，合成矢量中無中矢量，合成矢量不變，為v0、v1、v2，作用佔空比不變，為
(2)當參考矢量位於第二小區時，採用大矢量v3和v5合成中矢量v4，合成矢量變為v1、v3、v5，作用佔空比分別為
(3)當參考矢量位於第三小區時，採用大矢量v3和v5合成中矢量v4，合成矢量變為v1、v2、v3、v5，作用佔空比分別為
(4)當參考矢量位於第四小區時，採用大矢量v3和v5合成中矢量v4，合成矢量變為v2、v3、v5，作用佔空比分別為
進一步地，所述基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法中的步驟S3具體方法如下：
對於第一個大扇區：
(1)第一種情況：當參考矢量處於第二小區和第四小區的時候，合成矢量中只有一個小矢量，直接選擇和確定基礎矢量作用順序，分別為：
當參考矢量處於第二小區時：基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PPN-POO；各基礎矢量作用佔空比關係分別為：所述dONN、dPNN、dPPN、dPOO分別為基礎矢量ONN、PNN、PPN、POO的作用佔空比；
當參考矢量處於第四小區時：基礎矢量作用順序為OON-PNN-PPN-PPO；各基礎矢量作用佔空比關係分別為：所述dOON、dPPO分別為基礎矢量OON、PPO的作用佔空比；
(2)第二種情況：當參考矢量處於第一小區和第三小區的時候，合成矢量中含有兩個小矢量，從每個小矢量中選擇合成基礎矢量，並確定矢量順序為：
參考矢量處於第一小區且Q1>Q2：基礎矢量作用順序為ONN-OON-OOO-POO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：所述dOOO為基礎矢量OOO的作用佔空比；
參考矢量處於第一小區且Q1≤Q2：基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：
參考矢量處於第三小區且Q1>Q2：基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PPN-PPO-POO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：
參考矢量處於第三小區且Q1≤Q2：基礎矢量作用順序為OON-ONN-PNN-PPN-PPO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：
對於其他五個大扇區，以此類推；
所述Q1和Q2定義如下：
其中，ia、ic為T型三電平逆變器的A相、C相的相電流瞬時值。
進一步地，所述基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法的步驟S4具體方法為：
對於第一大扇區：
當參考電壓矢量位於第一小區且Q1>Q2時，基礎矢量作用順序ONN-OON-OOO-POO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第一小區且Q1≤Q2時，基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第二小區，基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PPN-POO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第三小區且Q1>Q2時，基礎矢量順序ONN-PNN-PPN-PPO-POO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第三小區且Q1≤Q2時，基礎矢量順序OON-ONN-PNN-PPN-PPO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第四小區，基礎矢量作用順序為OON-PNN-PPN-PPO時基礎小矢量作用佔空比為：
其中，Ts為開關序列周期，C為電容值，上、下電容值相等C＝C1＝C2，Vdc為直流母線電壓，v(k)為中點電壓採樣值，ib為B相的相電流瞬時值；
對於其他五個大扇區，以此類推。
本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果：
本發明的方法計算量小，實現簡單；本發明的方法不需要增加額外的硬體電路，節省成本；本發明的方法幾乎可以完全消除中點電壓波動，減小輸出電流總畸變率，具有良好的實用性。
當逆變器功率因數較低時，在傳統三矢量空間矢量調製方法中，中矢量對中點電位的影響較大，無法通過調節小矢量的兩個冗餘矢量的佔空比實現中點電位平衡，本發明通過採用大矢量合成中矢量進而消去中矢量的方法解決了此問題，採用無差拍控制調整冗餘小矢量的作用佔空比可以快速實現中點電位平衡。
附圖說明
圖1是T型三電平逆變器結構圖；
圖2是T型三電平逆變器的空間矢量圖；
圖3是第一大扇區分區及矢量圖；
圖4(a)是小矢量POO的開關狀態圖；
圖4(b)是小矢量ONN的開關狀態圖；
圖5是中矢量PON的開關狀態圖；
圖6(a)是採用中點平衡方法的A相電流的仿真波形圖；
圖6(b)是採用中點平衡方法的A、B間相電壓的仿真波形圖；
圖6(c)是採用中點平衡方法的直流母線上電容與下電容電壓的仿真波形圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例
圖1給出了T型三電平逆變器結構圖，包括並聯的三個橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的IGBT開關管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的IGBT管，另一側與負載連接；在並聯的各橋臂端接入同一臺直流電壓源；輸入電壓源並聯的兩個中點箝位電容的中點連接各相橋臂的兩個方向不同的IGBT管的一端；各個IGBT管均由控制電路驅動。
基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法，具體實施方式包括四個步驟：S1、根據傳統最近三矢量空間矢量調製方法，由參考電壓矢量選擇相應的初始合成矢量並確定各初始合成矢量作用佔空比；S2、採用兩個大矢量合成中矢量的方法消去中矢量，得到新的合成矢量及其作用佔空比；S3、選擇基礎開關矢量並確定所選基礎開關矢量調製順序；S4、採用無差拍控制方法調整兩個冗餘小矢量的作用佔空比。
所述步驟S1中傳統最近三矢量空間矢量調製方法的實施過程為：T型三電平逆變器每一相的輸出電平都有三種狀態：第一種狀態是輸出電壓等於母線直流電壓，設為P；第二種狀態是輸出電壓等於母線直流電壓的一半，設為O；第三種狀態是輸出電壓等於0，設為N；因此共有27種工作狀態，即有27種基礎矢量分別為：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP，根據矢量大小的不同可分為12個基礎小矢量，6個基礎中矢量，6個基礎大矢量和3個基礎零矢量，其中，12個基礎小矢量為六對冗餘小矢量；三個零矢量重合。
圖2為27個基礎矢量構成的矢量圖，分為六個大扇區，每個大扇區又可分為四個小區，每個大扇區有五種合成矢量：兩對冗餘小矢量，一個中矢量，兩個大矢量，三個冗餘零矢量，圖3為第一大扇區的矢量圖。首先經過坐標變換得到參考電壓矢量，並根據參考電壓矢量所在扇區從5種合成矢量中選擇相應的合成矢量並確定各合成矢量作用佔空比(以第一大扇區為例，其他大扇區類似)，具體如下：
(1)當參考矢量位於第一小區時，合成矢量選擇零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2，作用佔空比分別為
(2)當參考矢量位於第二小區時，合成矢量選擇小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3，作用佔空比分別為
(3)當參考矢量位於第三小區時，合成矢量選擇小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4，作用佔空比分別為
(4)當參考矢量位於第四小區時，合成矢量選擇小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5，作用佔空比分別為
所述步驟S2中合成中矢量的實施過程為，分為兩種情況討論(以第一個大扇區為例，其他大扇區類似)，具體如下：
(1)當參考矢量位於第一小區時，合成矢量中無中矢量，合成矢量不變，為v0、v1、v2，作用佔空比不變，為
(2)當參考矢量位於第二小區時，採用大矢量v3和v5合成中矢量v4，合成矢量變為v1、v3、v5，作用佔空比分別為
(3)當參考矢量位於第三小區時，採用大矢量v3和v5合成中矢量v4，合成矢量變為v1、v2、v3、v5，作用佔空比分別為
(4)當參考矢量位於第四小區時，採用大矢量v3和v5合成中矢量v4，合成矢量變為v2、v3、v5，作用佔空比分別為
所述步驟S3中選擇基礎開關矢量並確定所選基礎開關矢量調製順序的實施過程為，分為兩種情況討論(以第一個大扇區為例，其他大扇區類似)，具體如下：
(1)第一種情況：當參考矢量處於第二小區和第四小區的時候，合成矢量中只有一個小矢量，直接選擇和確定基礎矢量作用順序，分別為：
當參考矢量處於第二小區時：基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PPN-POO；各基礎矢量作用佔空比關係分別為：所述dONN、dPNN、dPPN、dPOO分別為基礎矢量ONN、PNN、PPN、POO的作用佔空比；
當參考矢量處於第四小區時：基礎矢量作用順序為OON-PNN-PPN-PPO；各基礎矢量作用佔空比關係分別為：所述dOON、dPPO分別為基礎矢量OON、PPO的作用佔空比；
(2)第二種情況：當參考矢量處於第一小區和第三小區的時候，合成矢量中含有兩個小矢量，從每個小矢量中選擇合成基礎矢量，並確定矢量順序為：
參考矢量處於第一小區且Q1>Q2：基礎矢量作用順序為ONN-OON-OOO-POO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：所述dOOO為基礎矢量OOO的作用佔空比；
參考矢量處於第一小區且Q1≤Q2：基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：
參考矢量處於第三小區且Q1>Q2：基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PPN-PPO-POO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：
參考矢量處於第三小區且Q1≤Q2：基礎矢量作用順序為OON-ONN-PNN-PPN-PPO，各基礎矢量作用佔空比關係分別為：
其中，Q1和Q2定義步驟如下：
圖4(a)、4(b)分別給出了當基礎矢量為POO和ONN時的開關電路圖，圖5給出了基礎中矢量PON的開關電路圖。
當POO或ONN作用時，中點電壓變化ΔV1和ΔV2分別如下：
當PON作用時，中點電壓變化ΔV3為：
首先假設第一小區的基礎矢量順序為：ONN-OON-OOO-POO，則中點電位變化：
由ΔV表達式定義：
其中，Ts為開關序列周期，C為電容值，上、下電容值相等C＝C1＝C2，ia、ib、ic為A、B、C相的相電流瞬時值。
則
又在無差拍控制中
ΔV＝0.5Vdc-v(k)
所以有
所述步驟S4中的採用無差拍控制方法調整兩個冗餘小矢量的作用佔空比的實施過程為(以第一大扇區為例，其他大扇區的計算方法類似)：
當參考電壓矢量位於第一小區且Q1>Q2時，基礎矢量作用順序ONN-OON-OOO-POO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第一小區且Q1≤Q2時，基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第二小區，基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PPN-POO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第三小區且Q1>Q2時，基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PPN-PPO-POO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第三小區且Q1≤Q2時，基礎矢量作用順序為OON-ONN-PNN-PPN-PPO時基礎小矢量作用佔空比為：
當參考電壓矢量位於第四小區，基礎矢量作用順序為OON-PNN-PPN-PPO時基礎小矢量作用佔空比為：
其中，Vdc為直流母線電壓，v(k)為中點電壓採樣值。
圖6(a)、6(b)、6(c)為當功率因數為0.7，採用本發明的基於合成中矢量的T型三電平逆變器中點電位平衡方法時的仿真波形圖，其中圖6(a)為A相輸出電流，圖6(b)為A、B相間輸出線電壓，圖6(c)為直流母線上電容和下電容兩端的電壓值，仿真結果：中點電壓波動幾乎為零，輸出電流諧波總畸變率小，充分證明了本發明的實用性。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。