基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統及方法
2023-09-14 22:25:30
基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統及方法。該系統包括多電平逆變器和數字處理控制模塊，其中數字處理控制模塊包括採樣單元、閉環控制單元、數字鎖相環單元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調製單元。採樣單元採集多電平逆變器的直流母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓和三相電流信號，經閉環控制單元處理得到三相調製波、經數字鎖相環單元運算得到功率因數角；三相調製波、功率因數角和直流母線中點電壓信號經中點電壓控制單元處理得到新的三相調製波，然後經SPWM脈寬調製單元處理得到脈寬調製控制信號，該信號經驅動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態。本發明方法能夠降低中點電壓的低頻脈動幅值、實現中點電壓平衡。
【專利說明】基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於電力電子變換技術中的控制【技術領域】，特別是一種基於功率因數角的 中點電壓平衡控制系統及方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，多電平逆變器已經廣泛地應用在高壓中大功率變換場合；其電路拓撲結 構與控制方法成為了當今的研究熱點。與兩電平逆變器相比，多電平逆變器輸出電平數多， 所得到的階梯波平臺階數多，從而越接近標準正弦波，其諧波成分越少。
[0003] 多電平逆變器的拓撲大體可以分為三類：二極體箝位型、級聯型、飛跨電容型，其 中應用最廣泛的為二極體箝位型逆變器。以三電平逆變器為例，三電平二極體箝位型逆變 器可分為中點箝位型（NPC)逆變器和T型逆變器。理想情況下，這兩種拓撲中直流母線電 壓被上下直流母線電容均分；但實際應用中，由於各種原因使得上下直流母線電容電壓出 現波動和上下直流母線電容電壓不相等情況，即中點電壓不平衡。中點電壓不平衡現象會 導致功率開關管不安全運行，輸出電壓波形質量降低，嚴重時影響系統正常工作。所以中點 電壓平衡控制問題一直是三電平逆變器的研究重點。針對該問題，國內外學者提出諸多解 決中點電壓平衡問題的方法，主要分為兩類主流的方法：（1)基於空間矢量調製進行中點 電壓平衡的研究；（2)基於載波調製進行中點電壓平衡的研究。第一種方法的實現主要是 通過重新分配冗餘正負小矢量的作用時間實現中點電壓平衡。第二種方法的實現主要是通 過在調製波中加入零序分量實現中點電壓平衡。例如：文獻1(龔博，程善美，秦憶.基於 載波的三電平中點電壓平衡控制策略[J].電工技術學報，2013, 28(6) :172-177.)和專利 1(程善美，龔博，寧博文，劉江.一種基於載波幅移的NPC型三電平逆變器中點電壓控 制方法：中國，CN201210140269. 0.2012-09-19.)提出了一種基於載波變幅的SPWM控制方 案，通過採樣中點電壓實時改變載波幅值實現中點電壓平衡，但該方法控制的對象為中點 電壓不平衡分量在一個工頻周期的平均值，因此對於中點電壓的低頻脈動無控制效果，且 調節周期長、調節精度不高。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在於提供一種控制方法簡單、易於數字實現的基於功率因數角的中 點電壓平衡控制系統及方法。
[0005] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種基於功率因數角的中點電壓平衡控制系 統，包括多電平逆變器和數字處理控制模塊，其中數字處理控制模塊包括採樣單元、閉環控 制單元、數字鎖相環單元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調製單元；所述採樣單元分別採 集多電平逆變器的直流母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相 電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電流信號；SPWM脈寬調製單元的輸出端經驅動電路接 入多電平逆變器每相橋臂各個開關管；
[0006] 在每個開關周期內，數字處理控制模塊的採樣單元分別採集多電平逆變器的直流 母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平逆變器 輸出的三相電流信號；採集到的信號經閉環控制單元處理得到三相調製波va、Vb、V。；採樣 單元採集到的相電壓、相電流信號經數字鎖相環單元處理得到相電壓、相電流的相角差即 功率因數角；閉環控制單元得到的三相調製波、數字鎖相環單元得到的功率因數角、採樣單 元得到的直流母線中點電壓信號經中點電壓控制單元處理得到新的三相調製波v' a、v'b、 V'。，該三相調製波經SPWM脈寬調製單元處理得到脈寬調製控制信號，所述脈寬調製控制信 號經驅動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態，從而降低多電平逆變器直流母線 中點電壓低頻脈動幅值、實現中點電壓平衡。
[0007] -種基於功率因數角的中點電壓平衡控制方法，該方法根據當前直流母線中點電 壓信號、調製比、功率因數角動態選取合適的調製波偏置量實時調節三相調製波，從而達到 調節中點電壓的目的，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、在每個開關周期內，數字處理控制模塊的採樣單元分別採集多電平逆變器 的直流母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平 逆變器輸出的三相電流信號；
[0009] 步驟2、閉環控制單元根據步驟1中採集到的信號以及參考基準信號進行比例積 分微分調節，輸出三相調製波V a、Vb、V。；
[0010] 步驟3、數字鎖相環單元對步驟1中採集到的相電壓、相電流信號進行處理得到相 電壓、相電流的相角差即功率因數角；
[0011] 步驟4、中點電壓控制單元對步驟1中採集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中 得到的三相調製波v a、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數角進行動態選取調製波偏置調節 量，並將該偏置調節量疊加到三相調製波V a、Vb、V。上，得到新的三相調製波V' a、V' b、V'。；
[0012] 步驟5、SPWM脈寬調製單元將步驟4中得到的三相調製波V' a、V' b、V'。與三角波進 行交截，獲得能夠降低多電平逆變器直流母線中點電壓低頻脈動幅值、實現中點電壓平衡 的脈寬調製控制信號；
[0013] 步驟6、驅動電路將步驟5中所得脈寬調製控制信號分配給多電平逆變器每相橋 臂各個開關管，控制多電平逆變器的工作狀態，同時降低多電平逆變器直流母線中點電壓 低頻脈動幅值、調節中點電壓平衡。
[0014] 本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：（1)該控制方法的動態響應快，只需 增加一路採樣電路，能夠準確根據功率因數角有效控制中點電壓平衡，當出現中點電壓不 平衡時，該控制方法能迅速消除中點電壓不平衡直流分量；（2)該控制方法實現了多電平 逆變器的中點電壓平衡，並降低多電平逆變器直流母線中點電壓低頻脈動幅值，克服了輸 出電感電流紋波大的缺點；（3)該控制方法減少了輸出電壓、電流諧波，提高了輸出波形質 量，且控制方法簡單、實時性好，便於數位化實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統的結構圖。
[0016] 圖2是三電平逆變器拓撲結構圖，其中（a)為NPC型，（b)為T型。
[0017] 圖3是傳統SPWM控制方法下中點電流與上下電容電壓差變化量的變化趨勢圖，其 中（a)m = 1，Φ = 0時中點電流與上下電容電壓差變化量關於時間t的波形，（b)上下電 容電壓差變化量脈動幅值(?ν_χ關於調製比m、功率因數角Φ的波形。
[0018] 圖4是本發明控制方法中調節量k值的包絡曲線。
[0019] 圖5是不同功率因數角時dV。隨時間t的波形，其中（a)為m = 0. 8、Φ =0時本 發明的控制方法在k取不同值時dV。隨時間t的波形，（b)為m = 0. 8、Φ = π/4時本發 明的控制方法在k取不同值時dV。隨時間t的波形。
[0020] 圖6是實施例中本發明的控制方法下k取不同值時上下電容電壓差變化量波形 圖，其中（a)為k = 0. 2時Ve2波形、(b)為k = 0. 3時Ve2波形、（c)為k = 0.4時ν?波形、 (d)為嚴重不平衡時ν?波形。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0022] 本發明基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統及方法，實時採集直流母線中點 電壓信號乘以調節量k作為三相調製波V a、Vb、V。的偏置量；疊加偏置量後的新的三相調製 波V' a、V' b、V'。與三角波交截，獲得能夠降低多電平逆變器直流母線中點電壓低頻脈動幅 值、實現中點電壓平衡的脈寬調製控制信號。
[0023] 結合圖1，本發明基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統，包括多電平逆變器 和數字處理控制模塊，其中數字處理控制模塊包括採樣單元、閉環控制單元、數字鎖相環單 元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調製單元；所述採樣單元分別採集多電平逆變器的直流 母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平逆變器 輸出的三相電流信號；SPWM脈寬調製單元的輸出端經驅動電路接入多電平逆變器每相橋 臂各個開關管；
[0024] 在每個開關周期內，數字處理控制模塊的採樣單元分別採集多電平逆變器的直流 母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平逆變器 輸出的三相電流信號；採集到的信號經閉環控制單元處理得到三相調製波V a、Vb、V。；採樣 單元採集到的相電壓、相電流信號經數字鎖相環單元處理得到相電壓、相電流的相角差即 功率因數角；閉環控制單元得到的三相調製波、數字鎖相環單元得到的功率因數角、採樣單 元得到的直流母線中點電壓信號經中點電壓控制單元處理得到新的三相調製波V' a、V'b、 V'。，該三相調製波經SPWM脈寬調製單元處理得到脈寬調製控制信號，所述脈寬調製控制信 號經驅動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態，從而降低多電平逆變器直流母線 中點電壓低頻脈動幅值、實現中點電壓平衡。
[0025] 優選的，所述數字處理控制模塊為STM32F407晶片。
[0026] -種基於功率因數角的中點電壓平衡控制方法，該方法根據當前直流母線中點電 壓信號、調製比、功率因數角動態選取合適的調製波偏置量實時調節三相調製波，從而達到 調節中點電壓的目的，包括以下步驟：
[0027] 步驟1、在每個開關周期內，數字處理控制模塊的採樣單元分別採集多電平逆變器 的直流母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平 逆變器輸出的三相電流信號；
[0028] 步驟2、閉環控制單元根據步驟1中採集到的信號以及參考基準信號進行比例積 分微分調節，輸出三相調製波V a、Vb、V。；
[0029] 步驟3、數字鎖相環單元對步驟1中採集到的相電壓、相電流信號進行處理得到相 電壓、相電流的相角差即功率因數角；
[0030] 步驟4、中點電壓控制單元對步驟1中採集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中 得到的三相調製波V a、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數角進行動態選取調製波偏置調節 量，並將該偏置調節量疊加到三相調製波V a、Vb、V。上，得到新的三相調製波V' a、V' b、V'。，具 體步驟為：
[0031] (4.1)根據步驟3中得到的功率因數角，確定調節量k的取值範圍，k取其取值範 圍的最小值；所述調節量k的取值範圍，具體如下：
[0032]
【權利要求】
1. 一種基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統，其特徵在於，包括多電平逆變器和 數字處理控制模塊，其中數字處理控制模塊包括採樣單元、閉環控制單元、數字鎖相環單 元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調製單元；所述採樣單元分別採集多電平逆變器的直流 母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平逆變器 輸出的三相電流信號；SPWM脈寬調製單元的輸出端經驅動電路接入多電平逆變器每相橋 臂各個開關管； 在每個開關周期內，數字處理控制模塊的採樣單元分別採集多電平逆變器的直流母線 電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平逆變器輸出 的三相電流信號；採集到的信號經閉環控制單元處理得到三相調製波V a、Vb、V。；採樣單元 採集到的相電壓、相電流信號經數字鎖相環單元處理得到相電壓、相電流的相角差即功率 因數角；閉環控制單元得到的三相調製波、數字鎖相環單元得到的功率因數角、採樣單元得 到的直流母線中點電壓信號經中點電壓控制單元處理得到新的三相調製波V' a、V'b、V'。，該 三相調製波經SPWM脈寬調製單元處理得到脈寬調製控制信號，所述脈寬調製控制信號經 驅動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態，從而降低多電平逆變器直流母線中點 電壓低頻脈動幅值、實現中點電壓平衡。
2. 根據權利要求1所述的基於功率因數角的中點電壓平衡控制系統，其特徵在於，所 述數字處理控制模塊為STM32F407晶片。
3. -種基於功率因數角的中點電壓平衡控制方法，其特徵在於，該方法根據當前直流 母線中點電壓信號、調製比、功率因數角動態選取合適的調製波偏置量實時調節三相調製 波，從而達到調節中點電壓的目的，包括以下步驟： 步驟1、在每個開關周期內，數字處理控制模塊的採樣單元分別採集多電平逆變器的直 流母線電壓信號、直流母線中點電壓信號、多電平逆變器輸出的三相電壓信號、多電平逆變 器輸出的三相電流信號； 步驟2、閉環控制單元根據步驟1中採集到的信號以及參考基準信號進行比例積分微 分調節，輸出三相調製波Va、Vb、V。； 步驟3、數字鎖相環單元對步驟1中採集到的相電壓、相電流信號進行處理得到相電 壓、相電流的相角差即功率因數角； 步驟4、中點電壓控制單元對步驟1中採集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中得到 的三相調製波Va、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數角進行動態選取調製波偏置調節量，並 將該偏置調節量疊加到三相調製波V a、Vb、V。上，得到新的三相調製波V' a、V' b、V'。； 步驟5、SPWM脈寬調製單元將步驟4中得到的三相調製波V' a、V' b、V'。與三角波進行交 截，獲得能夠降低多電平逆變器直流母線中點電壓低頻脈動幅值、實現中點電壓平衡的脈 寬調製控制信號； 步驟6、驅動電路將步驟5中所得脈寬調製控制信號分配給多電平逆變器每相橋臂各 個開關管，控制多電平逆變器的工作狀態，同時降低多電平逆變器直流母線中點電壓低頻 脈動幅值、調節中點電壓平衡。
4. 根據權利要求3所述的基於功率因數角的中點電壓平衡控制方法，其特徵在於，步 驟4中所述中點電壓控制單元對步驟1中採集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中得到 的三相調製波V a、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數角進行動態選取調製波偏置調節量，並 將該偏置調節量疊加到三相調製波va、Vb、V。上，得到新的三相調製波V' a、V' b、V'。，具體步 驟為： (4. 1)根據步驟3中得到的功率因數角，確定調節量k的取值範圍，k取其取值範圍的 最小值； (4. 2)根據步驟1中採集到的直流母線中點電壓信號和直流母線電壓信號得到上下電 容電壓差變化量，將上下電容電壓差變化量乘以調節量k作為偏置量； (4. 3)步驟2中得到的三相調製波Va、Vb、V。疊加第（4. 2)步中所得偏置量獲得調節後 新的三相調製波V'a、V'b、V'。，確定調節後的上下電容電壓差變化量並得到上下電容電壓差 變化量的幅值； (4. 4)判斷k是否滿足其取值範圍：若滿足，k以固定步長δ遞增，並重複第（4. 2)步； 若不滿足，執行第（4.5)步； (4. 5)比較不同k值時上下電容電壓差變化量的幅值，使得上下電容電壓差變化量幅 值最小時的k值即為最優調節量； (4. 6)將步驟1中採集到的直流母線中點電壓信號乘以最優調節量k作為偏置量疊加 至步驟2中得到的三相調製波Va、Vb、V。獲得新的三相調製波V' a、V' b、V' c。
5. 根據權利要求4所述的基於功率因數角的中點電壓平衡控制方法，其特徵在於， (4. 1)中所述根據步驟3中得到的功率因數角，確定調節量k的取值範圍，具體如下：
式中，m為調製比，Φ為功率因數角，^為三相負載電流幅值，c為直流母線電容的容 值，Ts為一個開關周期。
6. 根據權利要求4所述的基於功率因數角的中點電壓平衡控制方法，其特徵在於， (4. 2)中所述上下電容電壓差變化量dV。的表達式為： dVc = Vcl-Vc2 式中，L為直流母線的正極與中點之間的電容瞬時電壓、為直流母線的中點與負極 之間的電容瞬時電壓。
7. 根據權利要求4所述的基於功率因數角的中點電壓平衡控制方法，其特徵在於， (4.4)中所述k以固定步長δ遞增，其中固定步長δ的取值為：k取值範圍上下限差值的 1/10。
【文檔編號】H02M7/5387GK104052323SQ201410312139
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】呂建國, 胡文斌, 吳馥雲, 哈進兵, 姚凱, 吳軍基 申請人:南京理工大學