一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法
2023-05-11 18:09:31
一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法
【專利摘要】本發明公開了一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，以二極體鉗位型五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點為中心，將五電平矢量圖分解為12個兩電平矢量圖，並通過區域劃分得到18個三角形區域。通過在每個三角形區域構造12個矢量序列，綜合目標函數優化和內六邊形矢量分解兩種方法控制直流側電容電壓平衡，並通過設置電壓誤差滯環進行算法切換，當電壓誤差在滯環內時採用目標函數優化均壓算法，而當電壓誤差超出滯環時，選擇內六邊形矢量分解均壓算法實現快速電壓平衡。該方法實現了二極體鉗位型五電平逆變器在高調製比下的直流側電容電壓平衡控制，逆變器具有良好的諧波特性。
【專利說明】一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種二極體鉗位型五電平逆變器直流側電容電壓的平衡控制方法，尤其涉及一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，屬於多電平逆變器技術。
【背景技術】
[0002]多電平變換器以耐壓較低的功率器件實現高壓輸出，並且輸出波形總諧波畸變率低、系統電磁幹擾小、開關損耗小等優點，受到新能源併網發電、HVDC、高壓SVG以及高壓交流電機調速等領域的極大關注。基本的多電平拓撲結構歸納起來有3種:H橋級聯型、二極體鉗位型和飛跨電容性。其中二極體鉗位型多電平逆變器由於結構簡單，無需複雜移相變壓器而更具有應用前景。
[0003]對鉗位型多電平的研究多集中在其直流側分壓電容的電壓平衡，這個問題對三電平的研究最為充分且目前有成熟的解決方法，利用冗餘小矢量對中點電壓的互補作用以及構造虛擬空間矢量等。雖然5L-DCC相對三電平可以輸出更高的電壓、具備更好的諧波特性等優點，但是為保證逆變器正常工作，需要對直流側4個分壓電容均壓，在高調製比時電壓平衡難度大，目前還沒有成熟的解決方案。
[0004]三相二極體鉗位型五電平逆變器矢量圖由4個六邊形由內到外中心嵌套構成，越外層六邊形冗餘矢量個數越少，其中5個為零矢量，第一層內層六邊形含有6個有效矢量，每個矢量有4種冗餘狀態，而越外層六邊形冗餘矢量個數越少，其中最外層六邊形的冗餘矢量個數為零。傳統基於目標函數優化最近三矢量SVM均壓方法以冗餘矢量為基礎，當調製比較小時，冗餘矢量較多，相應的矢量序列豐富，算法的均壓能力較強，而隨著調製比的增大，冗餘矢量個數減少，算法對直流側電容電壓的控制變差，表現為調製比越高，功率因數越小，當調製比接近I時，逆變器幾乎不能進行有功功率的輸出，極大地限制了二極體鉗位型五電平逆變器的應用。
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，實現二極體鉗位型五電平在高調製比高功率因數下的直流側電容電壓平衡控制，改善了逆變器輸出的諧波特性。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0007]—種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，利用第2層12個頂點為中心將五電平矢量圖分解為12個兩電平矢量圖，通過區域劃分得到18個三角形區域，並在每個三角形構造12個矢量序列，最後綜合目標函數優化和內層六邊形矢量分解兩種均壓方法，控制直流側電容電壓平衡，並通過設置電壓誤差滯環進行算法切換，當電壓誤差在滯環內時採用目標函數優化算法，而當電壓誤差超出滯環時，選擇內六邊形矢量分解均壓算法實現快速電壓平衡；具體包括如下步驟:
[0008](I)矢量圖分解:[0009](11)以三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點為中心，將其分解為12個兩電平矢量圖；
[0010](12)通過對兩電平矢量圖重疊區域的對稱劃分，得到18個三角形區域；
[0011](2)矢量序列的構造:
[0012](21)對18個三角形區域的每個三角形，根據二極體鉗位型五電平逆變器輸出電壓切換要求，在每兩個矢量的中點取中間矢量進行狀態過渡；
[0013](22)對18個三角形區域的每個三角形，構造12個矢量序列，要求相電平不能越級跳躍且所構造的矢量序列在一個開關周期內最多動作兩次；
[0014](3)矢量序列的選擇:
[0015](31)設置電壓誤差滯環，並判斷當前採樣電壓的誤差；
[0016](32)當電壓誤差在滯環內時，以第二層六邊形矢量分解矢量序列為基礎，採用基於目標函數優化均壓算法進行均壓；
[0017](33)當電壓誤差在滯環外時，採用內六邊形矢量分解均壓算法進行均壓。
[0018]所述12個兩電平矢量圖均為正六邊形，所述三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點分別為12個正六邊形的中心；三相五電平逆變器矢量圖的中心點位於正六邊形的一個頂點上或位於正六邊形一條邊的中點上，且正六邊形至少有一條邊位於三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的邊上。
[0019]所述18個三角形區域的每個三角形均為正三角形，其一個頂點為三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點中的一個，其另兩個頂點為三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的24個頂點中的兩個。
[0020]有益效果:本發明提供的二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，實現了二極體鉗位型五電平逆變器在高調製比時直流側電容電壓的平衡控制，且算法不受功率因數的影響；採用本發明提供的均勻方法，能夠使得直流側電容電壓紋波小，電壓平衡速度快；採用本發明提供的均勻方法的逆變器具有良好的諧波特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為二極體鉗位型五電平主電路拓撲；
[0022]圖2為三相五電平逆變器矢量圖；
[0023]圖3為第I扇區矢量分解圖；其中圖3(a)給出了頂點編號，圖3 (b)給出了以頂點I為中心兩電平矢量圖在扇區I形成的三角形(I)，圖3(c)給出了以頂點2為中心兩電平矢量圖在扇區I形成的三角形⑵，圖3(d)給出了以頂點3為中心兩電平矢量圖在扇區I形成的三角形⑶；
[0024]圖4為區間劃分與三角形分布；其中圖4(a)為區間劃分圖，圖4(b)為三角形分布圖；
[0025]圖5為扇區I矢量分布；
[0026]圖6為M=0.93內六邊形矢量分解算法仿真波形；其中圖6(a)為線電壓，圖6(b)為相電壓，圖6(c)為線電流，圖6(d)為電容電壓；
[0027]圖7為M=0.93本發明算法仿真波形；其中圖7(a)為線電壓，圖7(b)為相電壓，圖7(c)為線電流，圖7(d)為電容電壓；[0028]圖8為M=0.93內六邊形矢量分解算法實驗波形；其中圖8 (a)為線電壓，圖8 (b)為電容電壓穩態，圖8(c)為線電流，圖8(d)為電流THD;
[0029]圖9為M=0.93本發明算法實驗波形；其中圖9(a)為線電壓，圖9 (b)為電容電壓穩態，圖9 (c)為線電流，圖9⑷為電流THD ；。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0031 ] 一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法包括如下步驟:
[0032](I)矢量圖分解:
[0033](11)以三相五電平逆變器矢量圖第2層正六邊形的12個頂點為中心，將其分解為12個兩電平矢量圖；
[0034](12)通過對兩電平矢量圖重疊區域的對稱劃分，得到18個三角形區域；
[0035](2)矢量序列的構造:
[0036](21)對18個三角形區域的每個三角形，根據二極體鉗位型五電平逆變器輸出電壓切換要求，在每兩個矢量的中點取中間矢量進行狀態過渡；
[0037](22)對18個三角形區域的每個三角形，構造12個矢量序列，要求相電平不能越級跳躍且所構造的矢量序列在一個開關周期內最多動作兩次；
[0038]( 3 )矢量序列的選擇:
[0039](31)設置電壓誤差滯環，並判斷當前採樣電壓的誤差；
[0040](32)當電壓誤差在滯環內時，以第二層六邊形矢量分解矢量序列為基礎，採用基於目標函數優化均壓算法進行均壓；
[0041](33)當電壓誤差在滯環外時，採用內六邊形矢量分解均壓算法進行均壓。
[0042]所述12個兩電平矢量圖均為正六邊形，所述三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點分別為12個正六邊形的中心；三相五電平逆變器矢量圖的中心點位於正六邊形的一個頂點上或位於正六邊形一條邊的中點上，且正六邊形至少有一條邊位於三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的邊上。
[0043]所述18個三角形區域的每個三角形均為正三角形，其一個頂點為三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點中的一個，其另兩個頂點為三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的24個頂點中的兩個。
[0044]下面結合實例進一步說明。
[0045]二極體鉗位型五電平主電路拓撲如圖1所示，直流側由四組電容器Cl?C4串聯構成5級電平，其中Rp為輔助均壓電阻，電阻Rs、二極體Ds和電容Cs構成RCD吸收電路。逆變器的輸出Vxo (x=a，b，c)可以有5種電平(-2E，E，0，E，2E)，對應5種不同的工作狀態(0,1,2,3,4) 0三相五電平逆變器有125個矢量，如圖2所示，其中61個有效矢量，剩餘的為冗餘矢量。
[0046]新算法以五電平矢量圖第二層六邊形的12個頂點為中心，將五電平矢量圖分解為12個兩電平矢量圖，以圖2中帶圈的頂點標記為頂點1，逆時針旋轉依次為頂點2?頂點
12,如圖3 (a)所示。
[0047]5L-DCC扇區I分解過程如圖3所示，以頂點I為中心兩電平矢量圖在扇區I形成三角形(I)，見如3(b)，同樣以頂點2和頂點3為中心兩點平矢量圖在扇區I分別形成三角形⑵和(3)。此時三角形(I)、(2)、(3)在扇區I存在相互重疊部分，如圖4(a)所示ADF和BHl區域，使用對稱性對重疊部分進行劃分，以OlE對三角形(I)和三角形(2)劃分後，區域03CEA歸為三角形(1)，同樣以02G對三角形(2)和三角形(3)劃分，區域04AEGB歸為三角形(2)，而區域05KGB歸為三角形(3)。同樣對扇區II~扇區VI進行分解和區域劃分後，得到18個三角形區域分布，如圖4(b)所示。
[0048]基於目標函數優化均壓算法以冗餘矢量序列為基礎，冗餘矢量序列越充足，算法的均壓能力越強。以三角形(I)為例進行，其矢量分布如圖5所示，以合成三矢量(200)、(400)、(420)進行分析，如果5L-DCC從狀態(200)直接切換到(400)，則a相電平輸出電平存在越級跳變，而從(420)到(200)時a、b兩相均存在越級跳變。為減小逆變器輸出du/dt，考慮插入中間矢量進行狀態過渡，且假設過渡矢量的作用時間為AT，其取值與主電路功率器件的開關速度有關，最後得到插入過渡矢量後的矢量序列為200-300-400-410-420-310-200，應用同樣的方法構造三角形(I)其餘矢量序列，如表1所
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[0049]表1三角形(I)冗餘矢量序列
【權利要求】
1.一種二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，其特徵在於:包括如下步驟: (1)矢量圖分解: (11)以三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點為中心，將其分解為12個兩電平矢量圖； (12)通過對兩電平矢量圖重疊區域的對稱劃分，得到18個三角形區域； (2)矢量序列的構造: (21)對18個三角形區域的每個三角形，根據二極體鉗位型五電平逆變器輸出電壓切換要求，在每兩個矢量的中點取中間矢量進行狀態過渡； (22)對18個三角形區域的每個三角形，構造12個矢量序列，要求相電平不能越級跳躍且所構造的矢量序列在一個開關周期內最多動作兩次； (3)矢量序列的選擇: (31)設置電壓誤差滯環，並判斷當前採樣電壓的誤差； (32)當電壓誤差在滯環內時，以第二層六邊形矢量分解矢量序列為基礎，採用基於目標函數優化均壓算法進行均壓； (33 )當電壓誤差在滯環外時，採用內六邊形矢量分解均壓算法進行均壓。
2.根據權利要求1所述的二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，其特徵在於:所述12個兩電平矢量圖均為正六邊形，所述三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點分別為12個正六邊形的中心；三相五電平逆變器矢量圖的中心點位於正六邊形的一個頂點上或位於正六邊形一條邊的中點上，且正六邊形至少有一條邊位於三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的邊上。
3.根據權利要求1所述的二極體鉗位型五電平逆變器高調製比均壓方法，其特徵在於:所述18個三角形區域的每個三角形均為正三角形，其一個頂點為三相五電平逆變器矢量圖第2層六邊形的12個頂點中的一個，其另兩個頂點為三相五電平逆變器矢量圖第4層六邊形的24個頂點中的兩個。
【文檔編號】H02M7/487GK103475251SQ201310431044
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】趙劍鋒, 趙志宏 申請人:東南大學