一種三電平ANPC變換器中點電壓平衡控制方法與流程
2023-05-05 16:30:15 1
本發明涉及三電平變換器的控制策略，尤其涉及一種三電平ANPC變換器中點電壓平衡控制方法。
背景技術：
隨著科技的進步與生活水平的提高，人們對電能質量的要求也在不斷提升，有源中點鉗位(active neutral-point-clamped，ANPC)拓撲的出現彌補了二極體鉗位型拓撲和電容鉗位型拓撲的缺點，更好的適用於6KV和10kV的高壓變頻領域。ANPC多電平變換器越來越多被使用於工業與社會生活等領域以提供更優質的電能。目前，國內外選用SVPWM調製方法作用於三電平ANPC變換器雖然常見，但是使用SVPWM調製方法作用於三電平ANPC變換器時控制其中點電壓平衡的方法卻尚未見刊。選用SVPWM控制，可以避免增加矢量分區的複雜度、避免增加開關器件的開關損耗，且輸出諧波含量較小。三電平及以上ANPC拓撲能夠正常工作的前提之一是中點電壓必須保持平衡，在SVPWM控制時，若不考慮中點電壓平衡這一關鍵問題，會使得SVPWM控制時中點電壓發生較大的波動，將會導致輸出電壓諧波提高、三相輸出不對稱，嚴重時還會損壞開關器件和濾波電容，失去實際意義。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，提供一種SVPWM調製三電平ANPC變換器時保持中點電壓平衡的控制方法，本發明提供以下技術方案：
一種三電平ANPC變換器中點電壓平衡控制方法，包括以下步驟：
(1)、根據SVPWM參考矢量在空間矢量圖中的位置，確定三相開關序列以及每個矢量的作用時間，計算出每相每個開關管的導通關斷時刻以及導通關斷時間，作用於三電平ANPC變換器；
(2)、實時檢測三電平ANPC變換器直流上下側電容電壓值，規定中點電壓Unp為直流下側電容電壓減去直流上側電容電壓，將中點電壓與其參考值進行比較，當中點電壓大於參考值時，標誌位SUnp＝1,選擇對直流下側電容進行放電；當中點電壓小於參考值時，標誌位SUnp＝-1，選擇對直流下側電容進行充電；當中點電壓等於參考值時，標誌位SUnp＝0，不需要對電容進行充放電；
(3)、實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負，規定負載電流從三電平ANPC變換器的單相橋臂流向負載的方向為正方向，負載電流為正，反之為負，實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負，當負載電流為正時，標誌位SIx＝1；當負載電流為負時，標誌位SIx＝-1；否則SIx＝0；其中x表示a相、b相或者c相；
(4)、根據步驟(2)中確定的直流上下側電容需要充放電的情況以及步驟(3)中檢測到的三相負載電流的正負，在一個開關周期內，對變換器的三相橋臂分別進行動態地調整步驟(1)中開關序列零狀態的佔空比，即動態地調整直流上下側電容的充放電時間；
當檢測到的中點電壓偏高，直流下側電容需要放電時，若檢測到x相電流為正，則增加x相的零狀態作用時間，即增加直流下側電容的放電時間，降低中點電壓；若檢測到x相電流為負，則減少x相的零狀態作用時間，即減少直流下側電容的充電時間，降低中點電壓；
反之當檢測到的中點電壓偏低，直流下側電容需要充電時，若檢測到x相電流為正，則減少x相的零狀態作用時間，即減少直流下側電容的放電時間，使中點電壓升高；若檢測到x相電流為負，則增加x相的零狀態作用時間，即增加直流下側電容的充電時間，使中點電壓升高，其中x為a、b或c相。
(5)、返回步驟(1)。
進一步的，所述步驟(1)中根據SVPWM參考矢量在空間矢量圖中的位置，確定三相開關序列以及每個矢量的作用時間的具體方法為，將三電平空間矢量圖分為六個大區，每個大區又分為4個小區，根據空間矢量圖中大小區的劃分，以及參考矢量的模長和旋轉角度，採用60°坐標系，判斷參考矢量處在空間矢量圖中對應的區域；再依據最近三矢量合成規則，選取離參考矢量最近的三個矢量合成參考矢量，即選取參考矢量所處小區的三個頂點對應矢量合成參考矢量，再通過伏秒平衡原理，以三個合成矢量作用時間為未知量，列寫伏秒平衡方程，並得出最近三矢量的作用時間t1、t2、t3，用七段式發波方式得到三相脈衝開關序列，根據三相脈衝開關序列計算得到每個開關管的導通關斷時刻以及導通關斷時間，作用於三電平ANPC變換器，輸出3個電平值分別為E，0，-E。
進一步的，步驟(4)中x相的零狀態作用時間的調整幅度Δt＝K*SUnp*SIx*TS，其中，Unp為中點電壓值，TS是開關周期，K是中點電壓調節因子，K＝0.05-0.1。
該中點電壓平衡控制方法是基於傳統的SVPWM脈衝開關序列，對三電平ANPC變換器的三相橋臂分別進行動態地調整零狀態的佔空比，所以該控制方法沒有增加空間矢量分區的複雜度以及開關器件的開關損耗，且輸出諧波含量較小；該方法還可以推廣到其他拓撲和更高電平數的多電平變換器中。
採用上述方法後，三電平ANPC變換器在整個工作空間內都可以有效地控制中點電壓平衡，降低了輸出的諧波含量，提高了輸出波形的質量，且該方法的動態性能較好，就算在變換器中點電壓偏移較大的情況下，也能根據檢測到的中點電壓大小以及三相負載電流的正負，在一個開關周期內，對變換器的三相橋臂分別進行動態地調整脈衝開關序列零狀態的佔空比，使得中點電壓能夠快速的穩定在一個很小範圍內波動。
附圖說明
圖1、本發明的三電平ANPC變換器拓撲結構圖。
圖2、本發明的控制方法的流程圖。
圖3、本發明三電平ANPC變換器空間矢量圖。
圖4、未加本發明的控制方法之前的作用於三電平ANPC變換器的矢量作用順序及作用時間。
圖5、本發明加控制策略後的作用於三電平ANPC變換器的矢量作用順序及作用時間。
具體實施方式
SVPWM是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考標準，以三相變換器不同開關模式作適當的切換，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓。傳統的SPWM方法從電源的角度出發，以生成一個可調頻調壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統和異步電機看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便於微處理器的實時控制。選用SVPWM控制，每次開關切換隻涉及一個器件，所以開關損耗小；利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡單；電壓利用率比傳統的SPWM高。三電平ANPC變換器輸出波形質量較好，能更好的應用於電機控制、電力電子及電能質量控制等場合，而調製的重點在於能否使中點電壓保持平衡。
如圖1、圖2和圖3所示，本發明涉及一種SVPWM調製的三電平ANPC變換器中點電壓平衡的控制方法，包括以下步驟：
(1)、根據SVPWM參考矢量在空間矢量圖中的位置，確定三相開關序列以及每個矢量的作用時間，計算出每相每個開關管的導通關斷時刻以及導通關斷時間，作用於三電平ANPC變換器，其中三電平ANPC變換器拓撲結構圖如圖1所示，三電平空間矢量圖如圖3所示；三電平空間矢量圖分為六個大區，每個大區又分為4個小區，根據空間矢量圖中大小區的劃分，以及參考矢量的模長和旋轉角度，採用60°坐標系，判斷參考矢量處在空間矢量圖中對應的區域；再依據最近三矢量合成規則，選取離參考矢量最近的三個矢量合成參考矢量，即選取參考矢量所處小區的三個頂點對應矢量合成參考矢量，再通過伏秒平衡原理，以三個合成矢量作用時間為未知量，列寫伏秒平衡方程，並求解最近三矢量的作用時間t1、t2、t3，再採用七段式發波方式得到三相脈衝開關序列，以A2區為例，選擇矢量V1(ONN/POO)，V2(PON)和V3(PNN)參與合成參考矢量Vref，設矢量ONN的作用時間為t1/2，POO的作用時間為t1/2，PON的作用時間為t2，PNN的作用時間為t3，則A2區的三相脈衝開關序列如圖4所示，根據三相脈衝開關序列算出每個開關管的導通關斷時刻以及導通關斷時間，作用於三電平ANPC變換器，輸出3個電平值分別為E，0，-E。而三電平ANPC有6種開關狀態，如表1中所示，
表1
P狀態和N狀態，電流不流經中點，故對中點電壓沒影響。三電平ANPC的拓撲有四種冗餘的零狀態，分別為OU1、OU2、OL1和OL2，通過合理的分配這四種冗餘零狀態的作用時間就可以平衡開關器件的損耗，這四種冗餘的零狀態隨著負載電流方向的不一致，對中點電壓的影響也不同,將由接下來的步驟動態地去調整零狀態的作用時間。
如圖1所示，三電平ANPC能正常工作，直流上下側的電容電壓必須都保持在直流母線電壓的二分之一，即E，輸出的相電壓才能正常輸出三個電平值。
(2)、實時檢測三電平ANPC變換器直流上下側電容電壓值，規定中點電壓Unp為直流下側電容電壓減去直流上側電容電壓，將中點電壓與其參考值進行比較，當中點電壓大於參考值時，標誌位SUnp＝1,選擇對直流下側電容進行放電；當中點電壓小於參考值時，標誌位SUnp＝-1，選擇對直流下側電容進行充電；當中點電壓等於參考值時，標誌位SUnp＝0，不需要對電容進行充放電。
(3)、實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負。規定負載電流從三電平ANPC變換器的單相橋臂流向負載的方向為正方向，負載電流為正，反之為負，實時檢測三電平ANPC變換器三相負載電流的正負，當負載電流為正時，標誌位SIx＝1；當負載電流為負時，標誌位SIx＝-1；否則SIx＝0；其中x表示a相、b相或者c相。
(4)、根據步驟(2)中確定的直流上下側電容需要充放電情況以及步驟(3)中檢測到的三相負載電流的正負，在一個開關周期內，對變換器的三相橋臂分別進行動態地調整步驟(1)中開關序列零狀態的佔空比，即動態地調整直流上下側電容的充放電時間，當檢測到的中點電壓偏高，直流下側電容需要放電時，若檢測到x相電流為正，則增加x相的零狀態作用時間，即增加直流下側電容的放電時間，降低中點電壓；若檢測到x相電流為負，則減少x相的零狀態作用時間，即減少直流下側電容的充電時間，降低中點電壓。反之當檢測到的中點電壓偏低，直流下側電容需要充電時，若檢測到x相電流為正，則減少x相的零狀態作用時間，即減少直流下側電容的放電時間，使中點電壓升高；若檢測到x相電流為負，則增加x相的零狀態作用時間，即增加直流下側電容的充電時間，使中點電壓升高，其中x為a、b或c相，這樣可以使得三電平ANPC變換器的中點電壓能迅速的達到平衡狀態，返回步驟(1)。
該控制方法對三電平ANPC變換器的三相橋臂分別進行控制，其中x相調整的零狀態作用時間為：Δt＝K*SUnp*SIx*TS，其中，Unp為中點電壓，由直流下側電容電壓值減去直流上側電容電壓值。TS是開關周期，K是中點電壓調節因子，根據中點電壓的波動情況動態調節，通常可取K＝0.05-0.1。加控制策略後的三電平有源中點箝位型變換器矢量的作用順序及作用時間如圖5所示。
雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域熟練技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對本實施方式作出多種變更或修改，而不背離本發明的原理和實質，本發明的保護範圍僅由所附權利要求書限定。