一種三電平逆變器不連續(xù)pwm調(diào)制中點(diǎn)平衡方法
【專利摘要】一種三電平逆變器不連續(xù)PWM調(diào)制中點(diǎn)平衡方法，屬于電力、電子技術(shù)及其相關(guān)的控制【技術(shù)領(lǐng)域】。通過兩種DPWM算法交替調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓的平衡的。在常用的60°不連續(xù)PWM調(diào)制過程中，有兩種調(diào)制算法，DPWM2和DPWM3，兩者的鉗位狀態(tài)分別是：在第一扇區(qū)分別鉗位在A＝P和C＝N；在第二扇區(qū)分別鉗位在C＝N和B＝P；在第三扇區(qū)分別鉗位在B＝P和A＝N；在第四扇區(qū)分別鉗位在A＝N和C＝P；在第五扇區(qū)分別鉗位在C＝P和B＝N；在第六扇區(qū)分別鉗位在B＝N和A＝P。通過改變P和N型不連續(xù)區(qū)域的寬度，來平衡中點(diǎn)電壓。實(shí)現(xiàn)了對中點(diǎn)電壓的有效控制。
【專利說明】-種三電平逆變器不連續(xù)PWM調(diào)制中點(diǎn)平衡方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力、電子技術(shù)及其相關(guān)的控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種三電平 逆變器不連續(xù)PWM調(diào)制中點(diǎn)平衡方法，適用于大功率中低壓、低頻AC-DC-AC電壓源型逆變 器和電網(wǎng)側(cè)整流器的中點(diǎn)電壓的平衡控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子、智能電網(wǎng)、新能源等技術(shù)的發(fā)展，為了降低對電網(wǎng)側(cè)注入的諧波以 及提高對電機(jī)側(cè)的控制質(zhì)量，對變頻器技術(shù)的控制要求越來越嚴(yán)格。
[0003] 在傳統(tǒng)的PWM和SVPWM控制算法中，變頻器控制性能的提高受限于開關(guān)器件的開 關(guān)頻率，進(jìn)而受限于作為開關(guān)器件的IGCT或IGBT等開關(guān)管子在調(diào)制過程中由于開關(guān)的開 通、關(guān)斷動作帶來的開關(guān)損耗。因此，如何降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗，成為變頻器控制性能 提高的一個很重要因素。
[0004] 對于電壓源型逆變器（VSI)的PWM調(diào)制而言，連續(xù)PWM調(diào)制最為簡便易行，容易操 作。但是隨著逆變器輸出電壓的電平數(shù)目的增加，其較高的開關(guān)損耗，對提高開關(guān)器件的開 關(guān)頻率，影響很大。
[0005] 而通過合理分配各個參與調(diào)制的電壓矢量的作用順序和作用時間，DPWM調(diào)制（不 連續(xù)PWM調(diào)制）不僅具有連續(xù)PWM調(diào)制下較寬的線性調(diào)制區(qū)，較小的諧波畸變率，易于實(shí) 施，而且其可以在相當(dāng)一段時間內(nèi)，控制部分開關(guān)器件不做開/關(guān)動作。這樣，可以很大程 度地減少開關(guān)器件的開關(guān)頻率。但，同時DPWM調(diào)制也存在中點(diǎn)電壓的平衡問題。
[0006] 針對三電平DPWM調(diào)制所存在的中點(diǎn)電壓不平衡的共性問題，文中設(shè)計(jì)出了一種 新型三電平逆變器不連續(xù)PWM調(diào)制的中點(diǎn)電壓平衡方法。該算法可以不用添加額外的硬件 電路，通過對檢測到的兩個直流側(cè)電容電壓的差值大小，合理選擇相應(yīng)的控制算法，即可以 實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)電壓的有效控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種三電平逆變器不連續(xù)PWM調(diào)制中點(diǎn)平衡方法?？梢?在不連續(xù)PWM算法下，實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)電壓的有效控制（即可以控制中點(diǎn)電壓在有效范圍內(nèi)波 動）。
[0008] 該平衡方法主要是通過兩種DPWM算法（DPWM2和DPWM3)交替調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電 壓的平衡的。在常用的60°不連續(xù)PWM調(diào)制過程中，有兩種調(diào)制算法，DPWM2和DPWM3,兩 者的鉗位狀態(tài)分別是：
[0009] 在第一扇區(qū)分別鉗位在A=P和C=N;
[0010] 在第二扇區(qū)分別鉗位在C=N和B=P;
[0011] 在第三扇區(qū)分別鉗位在B=P和A=N;
[0012] 在第四扇區(qū)分別鉗位在A=N和C=P;
[0013] 在第五扇區(qū)分別鉗位在C=P和B=N;
[0014] 在第六扇區(qū)分別鉗位在B=N和A=P。
[0015] 如果采用兩者任何一種算法，由于要考慮到鉗位狀態(tài)，都不能如連續(xù)PWM調(diào)制那 樣，可以通過調(diào)節(jié)P型或N型小矢量的作用時間來平衡中點(diǎn)電壓。在此，本方法選擇了將兩 者相結(jié)合，根據(jù)兩個電容電壓差值大小，來作為更新調(diào)節(jié)P或N型不連續(xù)區(qū)域的寬度的參數(shù) 0的輸入控制量。
[0016] 1、設(shè)定一個電壓限值Um，米樣兩個電容電壓得到uel (k)，ue2 (k);
[0017] 2、計(jì)算兩個電容電壓差值為uel(k)_ue2(k) =delt_u(k);
[0018] 3、比較電容電壓差值，若|delt_u(k) |〈仏，認(rèn)為中點(diǎn)電壓穩(wěn)定，此時0 = 〇，S卩，不做 中點(diǎn)電壓平衡；此時，DPWM2和DPWM3交替使用，各工作30°角度，P和N各鉗位60°區(qū)域： 在第一扇區(qū)，0?小于30°區(qū)間內(nèi)使用DPWM2，A相鉗位在P電平，30°?小于60°區(qū)間內(nèi)采 用DPWM3方法，C相鉗位在N電平；同樣，第二扇區(qū)內(nèi)，60°?小于90°區(qū)間內(nèi)，采用DPWM2 方法，C相鉗位在N電平，90°?小于120°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，B相鉗位在P電平；第三 扇區(qū)內(nèi)120°?小于150°區(qū)間內(nèi)，采用DPWM2方法，B相鉗位在P電平，150°?小于180° 區(qū)間內(nèi)，采用DPWM3方法，A相鉗位在N電平；第四扇區(qū)內(nèi)，180°?小于210°區(qū)間內(nèi)，采用 DPWM2方法，A相鉗位在N電平，210°?小于240°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，C相鉗位在P電 平；第五扇區(qū)內(nèi)，240°?小于270°區(qū)間內(nèi)采用DPWM2方法，C相鉗位在P電平，270°?小 于300°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，B相鉗位在N電平；第六扇區(qū)內(nèi)，300°?小于330°區(qū)間 內(nèi)采用DPWM2方法，B相鉗位在N電平，330°?360°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，A相鉗位在 P電平。
[0019] 如此，DPWM2和DPWM3交替使用，使得P和N電平交替鉗位在以A,B，C三個坐標(biāo)軸 為中心的60°區(qū)域內(nèi)，但A，B，C三相的P和N電平不連續(xù)區(qū)間均有120°的可調(diào)節(jié)作用范 圍。
[0020] 4、比較電壓差，當(dāng)deltjKk-l)〉^，在兩個電容電壓不平衡時，此時 ucl(k)-Uc;2(k)>0,即上面電容電壓（直流母線正極偵^電容）大于下面電容電壓（直流母線 負(fù)極側(cè)電容）時，可適當(dāng)增大P型不連續(xù)區(qū)的寬度，以增大P型電壓小矢量的作用時間，使 流入n點(diǎn)電流增加；并等量減小N型不連續(xù)區(qū)的寬度，來減少N型電壓小矢量的作用時間， 使流出n點(diǎn)電流減小。此時應(yīng)有0 > 〇,相應(yīng)的六個扇區(qū)內(nèi)，每個扇區(qū)內(nèi)，P型區(qū)間均增大0角 度，而如此相應(yīng)的N型扇區(qū)減少0角度，使得P型矢量作用時間增加了。那么n點(diǎn)電壓會逐 漸升高，11。2逐漸變大，Uc;1逐漸變小，直到兩者基本平衡。
[0021] 5、比較電壓差，deltjKk-lX-Um時，在兩個電容電壓不平衡時，上面電容電壓小 于下面電容電壓時，此時，0值應(yīng)為負(fù)，六個扇區(qū)內(nèi)，P型區(qū)間均減小0角度，N型區(qū)間均增大0 角度。如此，可適當(dāng)減小P型不連續(xù)區(qū)寬度，使流入n點(diǎn)電流減小，增大N型不連續(xù)區(qū)寬度， 使流出n點(diǎn)電流增大，從而調(diào)節(jié)兩個電容兩側(cè)的電壓大小，直到兩者基本平衡為止。
[0022] 這樣，根據(jù)實(shí)時采樣得到的兩個電容電壓的偏差，通過實(shí)時調(diào)節(jié)P型和N型不連續(xù) 區(qū)間的寬度，來調(diào)節(jié)P型和N型小矢量的作用時間，以控制流入和流出電容中點(diǎn)的電流總 量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電容中點(diǎn)電壓的平衡控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為NPC型三電平逆變器逆變電路。
[0024] 圖2為P和N型小矢量對電容中點(diǎn)電壓的影響。
[0025] 圖3為DPWM2和DPWM3在單獨(dú)作用時，ABC三相的鉗位區(qū)域。
[0026] 圖4為DPWM2和DPWM3共同調(diào)制下，當(dāng)兩個電容電壓差值在允許范圍內(nèi)，不做中點(diǎn) 電壓平衡時，ABC三相的鉗位區(qū)域。
[0027] 圖5為兩種不連續(xù)調(diào)制方法共同作用下，ABC三相鉗位區(qū)域的可調(diào)節(jié)范圍。
[0028] 圖6為根據(jù)兩個電容電壓差值，調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓的流程圖。
[0029] 圖7為P和N型不連續(xù)區(qū)域的調(diào)節(jié)控制量0的作用圖。
[0030] 圖8為處理PN型跳變時，1，2小三角形區(qū)域鉗位在0電平效果圖。
[0031] 圖9為兩種方法切換下，可能存在的PN型跳變類型。
[0032] 圖10為根據(jù)0的不同取值，兩種方法在第1，6扇區(qū)的作用范圍。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了更為具體地描述本方法，下面結(jié)合附圖及實(shí)施過程對本方法的技術(shù)方案及其 相關(guān)原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034] 如圖1所示，為本方法所適用的NPC型三電平逆變器逆變電路。其中，Udc為610V， Cl=C2 = 56mF，T1?T12為IGBT開關(guān)管，D1?D6為普通二極管（作為鉗位二極管）。圖 中兩個電容中點(diǎn)n即為所要調(diào)節(jié)的電壓節(jié)點(diǎn)。ABC三相橋臂分別有四個IGBT開關(guān)器件作為 開關(guān)管，在每相橋臂的中間兩個開關(guān)器件間輸出對應(yīng)的三電平P，0,N相電壓Uan，Ubn，Ucn。
[0035] 如圖2所示，為27種開關(guān)狀態(tài)所對應(yīng)的27種基本電壓矢量中的P型和N型小矢 量對n點(diǎn)電壓的影響。其中，P型小矢量，經(jīng)負(fù)載向n點(diǎn)注入電流，使得C2電容電壓升高， C1電壓降低，而N型小矢量對n點(diǎn)作用剛好相反。
[0036] 如圖3所示，為兩種不連續(xù)PWM調(diào)制DPWM2和DPWM3單獨(dú)作用時，ABC三相的鉗位 區(qū)域。把DPWM2順時針旋轉(zhuǎn)60°，剛好可以得到DPWM3。正由于兩種調(diào)制方法的鉗位區(qū)域 是固定的，而其相應(yīng)扇區(qū)的小矢量類型也是固定的，因此不可能通過改變小矢量的類型及 其作用時間來控制中點(diǎn)電壓的平衡。
[0037] 如圖4所示，為同時使用DPWM2和DPWM3,在不做中點(diǎn)電壓平衡時的輸出三相相電 壓的鉗位區(qū)域?？梢钥吹?，每一相仍然是鉗位60°的區(qū)間，但跟單獨(dú)使用兩種方法比，其鉗 位區(qū)域均向中間靠攏--即，鉗位在兩種方法所鉗位區(qū)域的中間。因此，其鉗位區(qū)間要跨越 兩個扇區(qū)。
[0038] 如圖5所示，為同時使用DPWM2和DPWM3時，ABC三相的鉗位區(qū)域的可調(diào)節(jié)區(qū)間。 在此，由于同時使用了兩種方法，每一相的P或N型鉗位電平均有120°的調(diào)節(jié)范圍。而實(shí) 際只用到了 60°的鉗位區(qū)域。因此，正是這120°的可調(diào)范圍，為中點(diǎn)電壓的平衡提供了可 能。
[0039] 如圖6所示，為應(yīng)用本方法做中點(diǎn)平衡的控制流程圖。先由初始化設(shè)定，電壓不調(diào) 制區(qū)Um，基波頻率fc，采樣頻率（開關(guān)頻率）fs，直流母線電壓Udc，調(diào)制度m等。然后采 樣獲得Ucl，Uc2電壓，比較得到其差值delt-Uc，再取絕對值，與Um比較判斷。
[0040] 如圖7所示，為P和N型不連續(xù)區(qū)域的調(diào)節(jié)控制量0的作用圖。如圖所示，為 delt-Uc>Um時，Ucl>Uc2,此時應(yīng)增大P型不連續(xù)區(qū)域的寬度，并對應(yīng)減小N型不連續(xù)區(qū)域 的寬度。從圖中可以看到，此時P型區(qū)域?qū)挾染蓤D4所示區(qū)域，向兩邊拓寬了 20角度。而 相應(yīng)的N型區(qū)域?qū)挾葎t從圖4的兩邊向中間收縮了 20:角度。
[0041 ] 但是，這樣兩種方法來回切換很容易使輸出的相電壓產(chǎn)生PN或NP電平跳變，而危 害電器設(shè)備，尤其是在電機(jī)的電動和制動的動態(tài)過程中和中點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)過程中。此時，PN跳變問題是必須要解決的。
[0042] 從根本來說，PN跳變主要是由于參考電壓矢量的變化產(chǎn)生的，而參考矢量的變化 主要有3種情況：僅幅值跳變，僅相角跳變，幅值相角同時跳變，這三種跳變還包括了DPWM2 和DPWM3調(diào)制方法之間的跳變。對于幅值跳變（僅指幅值跳出其所屬的三角區(qū)域，同一三角 區(qū)域內(nèi)參考矢量的幅值或相角的跳變并不會產(chǎn)生PN跳變，此處不予分析），包括幅值由大 到小和由小到大的跳變，我們采取了在小三角區(qū)域內(nèi)把相應(yīng)的相位鉗位在〇電平來解決， 如圖8所示。
[0043] 如圖8所示，為調(diào)制算法在第一扇區(qū)和六個扇區(qū)的1，2小三角區(qū)域內(nèi)的鉗位狀態(tài)。 此時對于DPWM2和DPWM3算法的各扇區(qū)相應(yīng)相均鉗位在0電平。從而解決了在幅值大小跳 變可能產(chǎn)生的PN跳變問題。
[0044] 然而，即使參考矢量的幅值不變，其在一個周期內(nèi)規(guī)律性地變化，由于各扇區(qū)發(fā)波 序列不同，在扇區(qū)切換和DPWM2與DPWM3切換時依然有可能產(chǎn)生PN跳變，此時的PN跳變?nèi)?然需要處理，其類型如圖9所示。
[0045] 如圖9所示，為在做中點(diǎn)平衡過程中，扇區(qū)切換和DPWM2與DPWM3方法切換時，各 個小三角形區(qū)域之間，可能存在的PN跳變類型。
[0046] 如圖10所示，為在做中點(diǎn)電壓平衡過程中，0?值為負(fù)，為正，為零，為+30 ° , 為-30°時的DPWM2 (DSVP2)和DPWM3 (DSVP3)，兩種方法的作用區(qū)間。
[0047] 對于上述圖9,提到的可能存在的PN跳變問題，本方法通過調(diào)整發(fā)波序列，可以完 全避免。比如在第一扇區(qū)，其6個扇區(qū)的發(fā)波序列可以為：
[0048] DPWM2在第一扇區(qū)（其他扇區(qū)類似）6個小三角形區(qū)域的發(fā)波序列：
[0049]

【權(quán)利要求】
1. 一種三電平逆變器不連續(xù)PWM調(diào)制中點(diǎn)平衡方法，其特征在于，通過兩種DPWM算法 中DPWM2和DPWM3交替調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓的平衡的；在60°不連續(xù)PWM調(diào)制過程中，有 兩種調(diào)制算法，DPWM2和DPWM3,兩者的鉗位狀態(tài)分別是： 在第一扇區(qū)分別鉗位在A=P和C=N; 在第二扇區(qū)分別鉗位在C=N和B=P; 在第三扇區(qū)分別鉗位在B=P和A=N; 在第四扇區(qū)分別鉗位在A=N和C=P; 在第五扇區(qū)分別鉗位在C=P和B=N; 在第六扇區(qū)分別鉗位在B=N和A=P; 將兩者相結(jié)合，根據(jù)兩個電容電壓差值大小，作為更新調(diào)節(jié)P或N型不連續(xù)區(qū)域的寬度 的參數(shù):0的輸入控制量： (1) 設(shè)定一個電壓限值Um，采樣兩個電容電壓得到Uc;1，Uc;2; (2) 計(jì)算兩個電容電壓差值為UdGO-u^GO=delt_u(k); ⑶比較電容電壓差值，若|delt_u(k) |〈Um，認(rèn)為中點(diǎn)電壓穩(wěn)定，此時0 = 0,即，不做中 點(diǎn)電壓平衡；此時，DPWM2和DPWM3交替使用，各工作30°角度，P和N各鉗位60°區(qū)域：在 第一扇區(qū)，0?小于30°區(qū)間內(nèi)使用DPWM2，A相鉗位在P電平，30°?小于60°區(qū)間內(nèi)采用 DPWM3方法，C相鉗位在N電平；同樣，第二扇區(qū)內(nèi)，60°?小于90°區(qū)間內(nèi)，采用DPWM2方 法，C相鉗位在N電平，90°?小于120°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，B相鉗位在P電平；第三 扇區(qū)內(nèi)120°?小于150°區(qū)間內(nèi)，采用DPWM2方法，B相鉗位在P電平，150°?小于180° 區(qū)間內(nèi)，采用DPWM3方法，A相鉗位在N電平；第四扇區(qū)內(nèi)，180°?小于210°區(qū)間內(nèi)，采用 DPWM2方法，A相鉗位在N電平，210°?小于240°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，C相鉗位在P電 平；第五扇區(qū)內(nèi)，240°?小于270°區(qū)間內(nèi)采用DPWM2方法，C相鉗位在P電平，270°?小 于300°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，B相鉗位在N電平；第六扇區(qū)內(nèi)，300°?小于330°區(qū)間 內(nèi)采用DPWM2方法，B相鉗位在N電平，330°?360°區(qū)間內(nèi)采用DPWM3方法，A相鉗位在 P電平； 如此，DPWM2和DPWM3交替使用，使得P和N電平交替鉗位在以A,B，C三個坐標(biāo)軸為中 心的60°區(qū)域內(nèi)，但A，B，C三相的P和N電平不連續(xù)區(qū)間均有120°的可調(diào)節(jié)作用范圍； (4) 比較電壓差，當(dāng)delt_u(k-l)>Um，在兩個電容電壓不平衡時，此時UdOO-UdGOX)， 即上面電容電壓（直流母線正極側(cè)電容）大于下面電容電壓，即直流母線負(fù)極側(cè)電容時，增 大P型不連續(xù)區(qū)的寬度，以增大P型電壓小矢量的作用時間，使流入n點(diǎn)電流增加；并等量 減小N型不連續(xù)區(qū)的寬度，來減少N型電壓小矢量的作用時間，使流出n點(diǎn)電流減小；此時 應(yīng)有'0 > 0,相應(yīng)的六個扇區(qū)內(nèi)，每個扇區(qū)內(nèi)，P型區(qū)間均增大0:角度，而如此相應(yīng)的N型扇區(qū) 減少0角度，使得P型矢量作用時間增加了；那么n點(diǎn)電壓會逐漸升高，11。2逐漸變大，Uc;1逐 漸變小，直到兩者平衡； (5) 比較電壓差，delt_u(k_l) <_Um時，在兩個電容電壓不平衡時，上面電容電壓小于下 面電容電壓時，此時，0值應(yīng)為負(fù)，六個扇區(qū)內(nèi)，P型區(qū)間均減小必角度，N型區(qū)間均增大:0角 度。如此，減小P型不連續(xù)區(qū)寬度，使流入n點(diǎn)電流減小，增大N型不連續(xù)區(qū)寬度，使流出n 點(diǎn)電流增大，從而調(diào)節(jié)兩個電容兩側(cè)的電壓大小，直到兩者平衡為止。
【文檔編號】H02M7/487GK104410311SQ201410827314
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】羅曉飛, 石志學(xué), 金傳付, 陳可, 宋克儉 申請人:冶金自動化研究設(shè)計(jì)院