基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括多電平逆變器和數(shù)字處理控制模塊，其中數(shù)字處理控制模塊包括采樣單元、閉環(huán)控制單元、數(shù)字鎖相環(huán)單元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調(diào)制單元。采樣單元采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(jīng)閉環(huán)控制單元處理得到三相調(diào)制波、經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)單元運算得到功率因數(shù)角；三相調(diào)制波、功率因數(shù)角和直流母線中點電壓信號經(jīng)中點電壓控制單元處理得到新的三相調(diào)制波，然后經(jīng)SPWM脈寬調(diào)制單元處理得到脈寬調(diào)制控制信號，該信號經(jīng)驅(qū)動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態(tài)。本發(fā)明方法能夠降低中點電壓的低頻脈動幅值、實現(xiàn)中點電壓平衡。
【專利說明】基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子變換技術中的控制【技術領域】，特別是一種基于功率因數(shù)角的 中點電壓平衡控制系統(tǒng)及方法。

【背景技術】
[0002] 近年來，多電平逆變器已經(jīng)廣泛地應用在高壓中大功率變換場合；其電路拓撲結(jié) 構(gòu)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(shù)多， 所得到的階梯波平臺階數(shù)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：二極管箝位型、級聯(lián)型、飛跨電容型，其 中應用最廣泛的為二極管箝位型逆變器。以三電平逆變器為例，三電平二極管箝位型逆變 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，由于各種原因使得上下直流母線電容電壓出 現(xiàn)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(xiàn)象會 導致功率開關管不安全運行，輸出電壓波形質(zhì)量降低，嚴重時影響系統(tǒng)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(nèi)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)基于空間矢量調(diào)制進行中點 電壓平衡的研究；（2)基于載波調(diào)制進行中點電壓平衡的研究。第一種方法的實現(xiàn)主要是 通過重新分配冗余正負小矢量的作用時間實現(xiàn)中點電壓平衡。第二種方法的實現(xiàn)主要是通 過在調(diào)制波中加入零序分量實現(xiàn)中點電壓平衡。例如：文獻1(龔博，程善美，秦憶.基于 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.一種基于載波幅移的NPC型三電平逆變器中點電壓控 制方法：中國，CN201210140269. 0.2012-09-19.)提出了一種基于載波變幅的SPWM控制方 案，通過采樣中點電壓實時改變載波幅值實現(xiàn)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，因此對于中點電壓的低頻脈動無控制效果，且 調(diào)節(jié)周期長、調(diào)節(jié)精度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種控制方法簡單、易于數(shù)字實現(xiàn)的基于功率因數(shù)角的中 點電壓平衡控制系統(tǒng)及方法。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系 統(tǒng)，包括多電平逆變器和數(shù)字處理控制模塊，其中數(shù)字處理控制模塊包括采樣單元、閉環(huán)控 制單元、數(shù)字鎖相環(huán)單元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調(diào)制單元；所述采樣單元分別采 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(diào)制單元的輸出端經(jīng)驅(qū)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(nèi)，數(shù)字處理控制模塊的采樣單元分別采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；采集到的信號經(jīng)閉環(huán)控制單元處理得到三相調(diào)制波va、Vb、V。；采樣 單元采集到的相電壓、相電流信號經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)單元處理得到相電壓、相電流的相角差即 功率因數(shù)角；閉環(huán)控制單元得到的三相調(diào)制波、數(shù)字鎖相環(huán)單元得到的功率因數(shù)角、采樣單 元得到的直流母線中點電壓信號經(jīng)中點電壓控制單元處理得到新的三相調(diào)制波v' a、v'b、 V'。，該三相調(diào)制波經(jīng)SPWM脈寬調(diào)制單元處理得到脈寬調(diào)制控制信號，所述脈寬調(diào)制控制信 號經(jīng)驅(qū)動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態(tài)，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(xiàn)中點電壓平衡。
[0007] -種基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制方法，該方法根據(jù)當前直流母線中點電 壓信號、調(diào)制比、功率因數(shù)角動態(tài)選取合適的調(diào)制波偏置量實時調(diào)節(jié)三相調(diào)制波，從而達到 調(diào)節(jié)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(nèi)，數(shù)字處理控制模塊的采樣單元分別采集多電平逆變器 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(huán)控制單元根據(jù)步驟1中采集到的信號以及參考基準信號進行比例積 分微分調(diào)節(jié)，輸出三相調(diào)制波V a、Vb、V。；
[0010] 步驟3、數(shù)字鎖相環(huán)單元對步驟1中采集到的相電壓、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(shù)角；
[0011] 步驟4、中點電壓控制單元對步驟1中采集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中 得到的三相調(diào)制波v a、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數(shù)角進行動態(tài)選取調(diào)制波偏置調(diào)節(jié) 量，并將該偏置調(diào)節(jié)量疊加到三相調(diào)制波V a、Vb、V。上，得到新的三相調(diào)制波V' a、V' b、V'。；
[0012] 步驟5、SPWM脈寬調(diào)制單元將步驟4中得到的三相調(diào)制波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(xiàn)中點電壓平衡 的脈寬調(diào)制控制信號；
[0013] 步驟6、驅(qū)動電路將步驟5中所得脈寬調(diào)制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(tài)，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(diào)節(jié)中點電壓平衡。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于：（1)該控制方法的動態(tài)響應快，只需 增加一路采樣電路，能夠準確根據(jù)功率因數(shù)角有效控制中點電壓平衡，當出現(xiàn)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(xiàn)了多電平 逆變器的中點電壓平衡，并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(zhì) 量，且控制方法簡單、實時性好，便于數(shù)字化實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖2是三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖，其中（a)為NPC型，（b)為T型。
[0017] 圖3是傳統(tǒng)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于時間t的波形，（b)上下電 容電壓差變化量脈動幅值(?ν_χ關于調(diào)制比m、功率因數(shù)角Φ的波形。
[0018] 圖4是本發(fā)明控制方法中調(diào)節(jié)量k值的包絡曲線。
[0019] 圖5是不同功率因數(shù)角時dV。隨時間t的波形，其中（a)為m = 0. 8、Φ =0時本 發(fā)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(fā) 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(fā)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(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0022] 本發(fā)明基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)及方法，實時采集直流母線中點 電壓信號乘以調(diào)節(jié)量k作為三相調(diào)制波V a、Vb、V。的偏置量；疊加偏置量后的新的三相調(diào)制 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(xiàn)中點電壓平衡的脈寬調(diào)制控制信號。
[0023] 結(jié)合圖1，本發(fā)明基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)，包括多電平逆變器 和數(shù)字處理控制模塊，其中數(shù)字處理控制模塊包括采樣單元、閉環(huán)控制單元、數(shù)字鎖相環(huán)單 元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調(diào)制單元；所述采樣單元分別采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(diào)制單元的輸出端經(jīng)驅(qū)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(nèi)，數(shù)字處理控制模塊的采樣單元分別采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；采集到的信號經(jīng)閉環(huán)控制單元處理得到三相調(diào)制波V a、Vb、V。；采樣 單元采集到的相電壓、相電流信號經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)單元處理得到相電壓、相電流的相角差即 功率因數(shù)角；閉環(huán)控制單元得到的三相調(diào)制波、數(shù)字鎖相環(huán)單元得到的功率因數(shù)角、采樣單 元得到的直流母線中點電壓信號經(jīng)中點電壓控制單元處理得到新的三相調(diào)制波V' a、V'b、 V'。，該三相調(diào)制波經(jīng)SPWM脈寬調(diào)制單元處理得到脈寬調(diào)制控制信號，所述脈寬調(diào)制控制信 號經(jīng)驅(qū)動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態(tài)，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(xiàn)中點電壓平衡。
[0025] 優(yōu)選的，所述數(shù)字處理控制模塊為STM32F407芯片。
[0026] -種基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制方法，該方法根據(jù)當前直流母線中點電 壓信號、調(diào)制比、功率因數(shù)角動態(tài)選取合適的調(diào)制波偏置量實時調(diào)節(jié)三相調(diào)制波，從而達到 調(diào)節(jié)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(nèi)，數(shù)字處理控制模塊的采樣單元分別采集多電平逆變器 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(huán)控制單元根據(jù)步驟1中采集到的信號以及參考基準信號進行比例積 分微分調(diào)節(jié)，輸出三相調(diào)制波V a、Vb、V。；
[0029] 步驟3、數(shù)字鎖相環(huán)單元對步驟1中采集到的相電壓、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(shù)角；
[0030] 步驟4、中點電壓控制單元對步驟1中采集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中 得到的三相調(diào)制波V a、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數(shù)角進行動態(tài)選取調(diào)制波偏置調(diào)節(jié) 量，并將該偏置調(diào)節(jié)量疊加到三相調(diào)制波V a、Vb、V。上，得到新的三相調(diào)制波V' a、V' b、V'。，具 體步驟為：
[0031] (4.1)根據(jù)步驟3中得到的功率因數(shù)角，確定調(diào)節(jié)量k的取值范圍，k取其取值范 圍的最小值；所述調(diào)節(jié)量k的取值范圍，具體如下：
[0032]

【權利要求】
1. 一種基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，包括多電平逆變器和 數(shù)字處理控制模塊，其中數(shù)字處理控制模塊包括采樣單元、閉環(huán)控制單元、數(shù)字鎖相環(huán)單 元、中點電壓控制單元和SPWM脈寬調(diào)制單元；所述采樣單元分別采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(diào)制單元的輸出端經(jīng)驅(qū)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(nèi)，數(shù)字處理控制模塊的采樣單元分別采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；采集到的信號經(jīng)閉環(huán)控制單元處理得到三相調(diào)制波V a、Vb、V。；采樣單元 采集到的相電壓、相電流信號經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)單元處理得到相電壓、相電流的相角差即功率 因數(shù)角；閉環(huán)控制單元得到的三相調(diào)制波、數(shù)字鎖相環(huán)單元得到的功率因數(shù)角、采樣單元得 到的直流母線中點電壓信號經(jīng)中點電壓控制單元處理得到新的三相調(diào)制波V' a、V'b、V'。，該 三相調(diào)制波經(jīng)SPWM脈寬調(diào)制單元處理得到脈寬調(diào)制控制信號，所述脈寬調(diào)制控制信號經(jīng) 驅(qū)動電路控制多電平逆變器每相開關管的工作狀態(tài)，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(xiàn)中點電壓平衡。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述數(shù)字處理控制模塊為STM32F407芯片。
3. -種基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，該方法根據(jù)當前直流 母線中點電壓信號、調(diào)制比、功率因數(shù)角動態(tài)選取合適的調(diào)制波偏置量實時調(diào)節(jié)三相調(diào)制 波，從而達到調(diào)節(jié)中點電壓的目的，包括以下步驟： 步驟1、在每個開關周期內(nèi)，數(shù)字處理控制模塊的采樣單元分別采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(huán)控制單元根據(jù)步驟1中采集到的信號以及參考基準信號進行比例積分微 分調(diào)節(jié)，輸出三相調(diào)制波Va、Vb、V。； 步驟3、數(shù)字鎖相環(huán)單元對步驟1中采集到的相電壓、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(shù)角； 步驟4、中點電壓控制單元對步驟1中采集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中得到 的三相調(diào)制波Va、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數(shù)角進行動態(tài)選取調(diào)制波偏置調(diào)節(jié)量，并 將該偏置調(diào)節(jié)量疊加到三相調(diào)制波V a、Vb、V。上，得到新的三相調(diào)制波V' a、V' b、V'。； 步驟5、SPWM脈寬調(diào)制單元將步驟4中得到的三相調(diào)制波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(xiàn)中點電壓平衡的脈 寬調(diào)制控制信號； 步驟6、驅(qū)動電路將步驟5中所得脈寬調(diào)制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(tài)，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(diào)節(jié)中點電壓平衡。
4. 根據(jù)權利要求3所述的基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，步 驟4中所述中點電壓控制單元對步驟1中采集到的直流母線中點電壓信號、步驟2中得到 的三相調(diào)制波V a、Vb、V。和步驟3中得到的功率因數(shù)角進行動態(tài)選取調(diào)制波偏置調(diào)節(jié)量，并 將該偏置調(diào)節(jié)量疊加到三相調(diào)制波va、Vb、V。上，得到新的三相調(diào)制波V' a、V' b、V'。，具體步 驟為： (4. 1)根據(jù)步驟3中得到的功率因數(shù)角，確定調(diào)節(jié)量k的取值范圍，k取其取值范圍的 最小值； (4. 2)根據(jù)步驟1中采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(diào)節(jié)量k作為偏置量； (4. 3)步驟2中得到的三相調(diào)制波Va、Vb、V。疊加第（4. 2)步中所得偏置量獲得調(diào)節(jié)后 新的三相調(diào)制波V'a、V'b、V'。，確定調(diào)節(jié)后的上下電容電壓差變化量并得到上下電容電壓差 變化量的幅值； (4. 4)判斷k是否滿足其取值范圍：若滿足，k以固定步長δ遞增，并重復第（4. 2)步； 若不滿足，執(zhí)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(yōu)調(diào)節(jié)量； (4. 6)將步驟1中采集到的直流母線中點電壓信號乘以最優(yōu)調(diào)節(jié)量k作為偏置量疊加 至步驟2中得到的三相調(diào)制波Va、Vb、V。獲得新的三相調(diào)制波V' a、V' b、V' c。
5. 根據(jù)權利要求4所述的基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制方法，其特征在于， (4. 1)中所述根據(jù)步驟3中得到的功率因數(shù)角，確定調(diào)節(jié)量k的取值范圍，具體如下：
式中，m為調(diào)制比，Φ為功率因數(shù)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(jù)權利要求4所述的基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制方法，其特征在于， (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(jù)權利要求4所述的基于功率因數(shù)角的中點電壓平衡控制方法，其特征在于， (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取值范圍上下限差值的 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(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】呂建國, 胡文斌, 吳馥云, 哈進兵, 姚凱, 吳軍基 申請人:南京理工大學