基於svpwm的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法

2023-09-14 22:01:25 2

基於svpwm的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法
【專利摘要】一種基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法，屬於電力系統電力電子【技術領域】。本發明的目的在於提供一種採用取消中矢量，利用小矢量和大矢量合成參考電壓矢量的基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法。本發明步驟：分析SVPWM控制機理及開關狀態對中點電位影響；空間電壓矢量分區判斷；確定各空間矢量作用時間；確定矢量發送順序。本發明提出的方法，減少了功率器件開關狀態變化，減少變流器損耗，且無需均壓電路，提高了三電平變流器直流側電壓平衡的動態性能，不需要增加硬體電路，控制方法簡單，為工程應用提供了極好的參考價值。
【專利說明】基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力系統電力電子【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的不斷發展，大容量、高效率、高性能成為發展主流。傳統的二電平變流器在高壓大容量應用中，需要經過中間變壓器進行升壓或降壓，這樣不僅增加了設備投資，而且引起系統效率下降。為克服這些缺點，要求變流器開關器件具備更高的電壓應力，但這種方法存在靜態和動態均壓問題，由此多電平變流器應用而生。
[0003]多電平變流器由於增加了輸出電壓電平數，因此變換器輸出波形更接近於正弦波，且降低了器件所承受開關應力，無需動態均壓電路，避免了開關過程中大的dv/dt所導致的各種問題，在高電壓、大功率電力電子裝置中得到廣泛應用，其中二極體箝位三電平變流器由於控制結構簡單、容易實現，已經成為多電平變流器的主要拓撲結構。
[0004]目前，針對二極體箝位型三電平變流器研究中電壓SVPWM (Space Vector PulseWidth Modulat1n空間矢量脈寬調製)方式因直流側電壓利用率高、易於實現數字控制等優點而被廣泛採用。但中點電壓偏移是中點箝位型三電平變流器的主要缺點，由當前的研究可知空間矢量中小矢量和中矢量對中點電位有影響，但目前研究並沒有完全解決整個空間矢量中點電位平衡以及小矢量對中點電位的影響。因此，中點電位平衡問題一直是研究的重點。尋求一種既能夠解決中矢量和小矢量對中點電位的影響，又能保證變流器直流側中點電壓平衡技術方案，具有實際應用的價值。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種採用取消中矢量，利用小矢量和大矢量合成參考電壓矢量的基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法。
[0006]本發明包括如下步驟:
1)、分析SVPWM控制機理及開關狀態對中點電位影響:通過對三電平變流器各種開關狀態進行分析可知，中矢量和小矢量對中點電流有影響，零矢量和大矢量對中點電流無影響；
2)、空間電壓矢量分區判斷:針對每一個小矢量對應兩種開關狀體下負載電流對中性點電流的作用正好相反的問題，提出了一種取消中矢量，利用小矢量和大矢量合成參加矢量以及扇區劃分方法；
3)、確定各空間矢量作用時間:當參考矢量位於小矢量和大矢量組成的某一個區域時，採取小矢量作用產生的合成矢量與大矢量作用合成的矢量相位一致的原則進行矢量作用時間分配；
4)、確定矢量發送順序:採取小矢量對應的兩種開關狀態作用相同時間的方法，進行脈寬調製，保證矢量發送順序儘量減少功率器件的狀態變化，進而保證直流側中點電壓平衡。
[0007]本發明步驟I)中的三電平變流器為二極體箝位型三電平變流器，其控制方法為:設橋臂為A相，當開關功率器件Sal、Sa2導通，Sa3> Sa4截止時，A點電壓為UJl ;當開關功率器件Sal、Sa2截止，Sa3、Sa4導通時，A點電壓為-UJl ;當開關功率器件Sa2、Sa3導通，Sal, Sa4截止時，經箝位二極體VD1、Vd2作用，A點電壓與中點電壓同為O ;因此二極體箝位型三電平變流器每相輸出電平狀態有_%。/2、0和UJl三種狀態，電壓斜率變化di//dt小，減小了線路諧波含量，同時每個開關所承受的電壓應力小，提高了開關的器件的應用電壓等級；二極體箝位型三電平變流器的三相輸出共有27種開關狀態，分別對應19個基本空間電壓矢量，其中大矢量6個，中矢量6個，小矢量6個，每個小矢量對應2種開關狀態，零矢量I個，對上述開關狀態分析可知，零矢量和大矢量對中點電流無影響，小矢量和中矢量對中點電流有影響；三相電壓經公式(I)Clark變換後得到的參考電壓矢量如公式(2)所示:
【權利要求】
1.一種基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法，其特徵在於:包括如下步驟: 1)、分析SVPWM控制機理及開關狀態對中點電位影響:通過對三電平變流器各種開關狀態進行分析可知，中矢量和小矢量對中點電流有影響，零矢量和大矢量對中點電流無影響； 2)、空間電壓矢量分區判斷:針對每一個小矢量對應兩種開關狀體下負載電流對中性點電流的作用正好相反的問題，提出了一種取消中矢量，利用小矢量和大矢量合成參加矢量以及扇區劃分方法； 3)、確定各 空間矢量作用時間:當參考矢量位於小矢量和大矢量組成的某一個區域時，採取小矢量作用產生的合成矢量與大矢量作用合成的矢量相位一致的原則進行矢量作用時間分配； 4)、確定矢量發送順序:採取小矢量對應的兩種開關狀態作用相同時間的方法，進行脈寬調製，保證矢量發送順序儘量減少功率器件的狀態變化，進而保證直流側中點電壓平衡。
2.根據權利要求1所述的基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法，其特徵在於:所述步驟I)中的三電平變流器為二極體箝位型三電平變流器，其控制方法為:設橋臂為A相，當開關功率器件Sal、Sa2導通，Sa3, Sa4截止時，A點電壓為UJl ;當開關功率器件Sal、Sa2截止，Sa3>Sa4導通時，A點電壓為-UJl ;當開關功率器件Sa2、Sa3導通，Sal,Sa4截止時，經箝位二極體VD1、VD2作用，A點電壓與中點電壓同為O;因此二極體箝位型三電平變流器每相輸出電平狀態有-仏。/2、0和UJ2三種狀態，電壓斜率變化di//dt小，減小了線路諧波含量，同時每個開關所承受的電壓應力小，提高了開關的器件的應用電壓等級；二極體箝位型三電平變流器的三相輸出共有27種開關狀態，分別對應19個基本空間電壓矢量，其中大矢量6個,中矢量6個,小矢量6個,每個小矢量對應2種開關狀態，零矢量I個，對上述開關狀態分析可知，零矢量和大矢量對中點電流無影響，小矢量和中矢量對中點電流有影響；三相電壓經公式(I)Clark變換後得到的參考電壓矢量如公式(2)所示:
3.根據權利要求1所述的基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法，其特徵在於:所述步驟2)中空間電壓矢量及分區判斷方法是，首先將整個矢量空間以每60°為區間分為6個扇區，當參考矢量位於零矢量和小矢量組成的區域1-6時，用零矢量和小矢量合成參考矢量；當參考矢量位於小矢量和大矢量組成的區域7-12時，用小矢量和大矢量合成該參考矢量，同時保證每個載波周期內小矢量對中點電壓作用相反的兩種開關狀態作用相同時間，以此抵消小矢量對中點電壓的影響。
4.根據權利要求1所述的基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法，其特徵在於:所述步驟3)中的空間矢量作用時間計算方法如下=SVPWM控制方法中，根據電壓矢量的不同，大矢量的幅值為2Udc/3、中矢量的幅值為2Udc/sqrt(3)、小矢量的幅值為Udc/3，當參考矢量位於小矢量和大矢量組成的區域7-12時，為了保證各基本空間電壓矢量作用時間的確定性，採用小矢量作用合成的矢量與大矢量作用合成的矢量相位一致的矢量作用時間分配方法進行；設區域為7，假定參考電壓矢量由小矢量U01、U02與大矢量U」 U2分別作用時間T3、T2、T4、T1時間合成，則四個矢量作用時間須滿足公式(3-4)要求，在一個載波周期內，小矢量U01、U02共同作用合成的矢量為Urefl，大矢量U1、U2共同作用合成的矢量為Uref2，公式(3)、(4)保證了各矢量作用效果與參考電壓矢量作用效果相同，計算公式如個(5)所示；同時將公式(5)實部和虛部進行分解，聯立公式(3)、(4)可得區域7各基本空間矢量的作用時間如公式(6)所示:
5.根據權利要求1或4所述的基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法，其特徵在於:所述步驟3)中為得到基本空間矢量作用時間計算通用表達式，現假定以逆時針方向為正，在一個載波周期內相位滯後的小矢量作用時間為T1，相位超前的小矢量作用時間為T2，相位滯後的大矢量作用時間為T3，相位超前的大矢量作用時間為T4,將大、小矢量的長度帶入公式(5)得到通用表達式如(7)所示，同理，將公式(3)、(4)、(7)聯立，並定義如公式(8)的變量，可以求得區域8-12各基本空間矢量作用時間；當參考矢量位於小矢量和大矢量組成的區域1-6時，參考書矢量由小矢量和零矢量共同作用合成，在一個載波周期內相位超前的小矢量作用時間為h，相位滯後的小矢量作用時間為t2，零矢量的作用時間為t3，利用公式(6)定義的變量，可計算得到不同區域各基本空間矢量的作用時間；
6.根據權利要求1所述的基於SVPWM的三電平變流器直流側中點電壓平衡控制方法，其特徵在於:所述步驟4)中的各空間矢量發送順序是:確定了各區域的空間電壓矢量作用時間之後，在開關頻率確定的情況下，為了保證在一個載波周期內消除小矢量對中點電壓影響，採取小矢量對應的兩種開光狀態作用相同時間的方法；同時，為了減少開關損耗，使矢量發送順序儘量減少功率器件狀態變化，要求三相橋臂從一個開關狀態轉變到另一個開關狀態時，只允許其中一相橋臂動作，因此採用七段式SVPWM矢量合成方法，在一個開關周期內，開關矢量的選擇是對稱的來確定矢量發送順序。
【文檔編號】H02M7/487GK104038091SQ201410314653
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】李衛, 李衛國, 王吉, 陳厚合, 辛業春, 邵剛, 陳雪松 申請人:國家電網公司, 國網吉林省電力有限公司吉林供電公司, 東北電力大學