一种分区域调制的NPC逆变器中点电位平衡控制方法与流程

本发明涉及一种分区域调制的NPC逆变器中点电位平衡控制方法，属光伏发电技术领域。

背景技术：

随着电力电子技术的成熟，应用于高压大功率领域的多电平逆变器引起了电力电子行业的极大关注。而10KV以下的中压大功率多电平逆变器大多数已经使用二极管钳位式三电平结构来实现。三电平逆变器中点电位的平衡是保证电机安全高效运行的一个重要标志，若中点电位不平衡，不仅会增大输出电流的谐波畸变，产生低次及偶次谐波，而且还会增加开关器件所承受的电压，甚至会损坏开关器件和分压电容，使系统崩溃。因此能够在现有的电力电子器件上实现变换器的高压大功率和低谐波含量等功能的三电平逆变器成为研究重点。

目前，针对三电平逆变器中点电压控制有以下两个方向：一是改进硬件控制电路部分实现中点电压平衡的方法；二是通过改进逆变器空间矢量调制策略实现中点电位波动的抑制从而间接的实现电压平衡。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了解决中点箝位型三电平逆变器拓扑结构会引起中点电位的波动，会导致交流输出电压畸变，甚至使系统崩溃的问题，本发明提出一种分区域调制的NPC逆变器中点电位平衡控制方法。

实现本发明的技术方案是，一种分区域调制的NPC逆变器中点电位平衡控制算法，包括以下步骤：

(1)将三电平矢量空间分成圆Z₁区域和圆Z₂区域；

(2)圆Z₁区域不附加中矢量，利用冗余小矢量的特性进行调制；

(3)圆Z₂区域由于中矢量的参与，不能仅考虑控制冗余小矢量来达到目的，而引入虚拟矢量进行算法控制，以平衡中点电位。

所述步骤(2)包括以下子步骤：

(2-1)在圆Z₁区域内，z＝1；考虑最近三矢量合成原则，将整个六边形分成六个扇区；在圆Z₁内，我们利用冗余小矢量的特性，对冗余小矢量的作用时间进行控制，进而达到平衡中点电位的效果。

在圆Z₁区域(z＝1)内，考虑最近三矢量合成原则，我们将整个六边形分成六个扇区，并对第一个扇区进行分析。

根据伏秒平衡原理，有：

U_refT_s＝U₁₀₀T₁+U₂₁₁T₂+U₁₁₀T₃

T₁+T₂+T₃＝T_s

T₁＝T₂

在状态切换时，应尽可能的减少开关管的开关动作，并在整个调制周期内的开关状态采用中心对称的脉冲序列，从而我们可以得到开关序列如附图4所示。

在这个调制周期内，100、211是一对冗余小矢量，110是非冗余小矢量。将100、211设定为作用时间一样，使得这对冗余小矢量对中点电流的作用相互抵消。对于非冗余小矢量110，参照表1，知其为负小矢量，会拉低中点电位。从而在下个周期，我们对非冗余小矢量的选择就限定在了正小矢量，适当抬高中点电位来平衡中点电位。

在整个圆Z₁区域内，参考矢量由三个小矢量和一个零矢量合成，这时对中点电位产生影响的只有非冗余小矢量。参照表1，可以根据在上一调制周期所选择的非冗余小矢量，分析对中点电位的影响，来确定本调制周期的非冗余小矢量，达到相互抵消的目的，使得中点电位基本在一个很小的范围内波动。

表1中小矢量与中点电流的关系

(2-2)在整个调制周期内的开关状态采用中心对称的脉冲序列；

(2-3)设置冗余小矢量作用时间相同，对非冗余小矢量的选择就限定在了正小矢量，适当抬高中点电位来平衡中点电位。

所述步骤(3)包括以下子步骤：

(3-1)定义虚拟中矢量：

(3-2)将U′₂₁₀的作用时间平均分配给电压矢量210、221、100；

(3-3)构造虚拟小矢量：

其中，U₁₀₀表示圆Z₁区域的电压矢量100；U₁₁₀表示圆Z₁区域的电压矢量110；U₂₁₁表示圆Z₂区域的电压矢量211；U₂₂₁表示圆Z₂区域的电压矢量221；U₂₁₀表示圆Z₂区域的电压矢量210。

(3-4)重新确定各个矢量的作用时序，基于最近三矢量原则，我们将圆Z₂区域划分为若干小三角形；

在圆Z₂内，我们考虑到中矢量的影响，并且在中点电位不平衡时，中矢量方向和大小也将发生改变，所以在这里我们利用冗余小矢量和三相电流平衡的性质，重新构造中矢量。

这里我们定义虚拟中矢量：

由表1知，电压矢量210、221、100与中点电流的关系分别为：i_b、i_c、i_a，如果将U′₂₁₀的作用时间平均分配给这三个矢量，并且作用时间足够短时，因三相平衡系统任意时刻存在i_a+i_b+i_c＝0的性质，可以得到在虚拟中矢量U′₂₁₀作用时间内中点电流为零，即整个虚拟中矢量作用时对中点电位无影响。

(3-5)再由式(1)(2)(3)得到各个基本矢量的作用时间，在状态切换时，尽可能的减少开关管的开关动作，并在整个调制周期内的开关状态采用中心对称的脉冲序列。

本发明的有益效果是，本发明算法对三电平空间向量图进行分区域调控：在区域Ⅰ范围内，充分利用冗余小矢量的特性以及非冗余小矢量对中点电流的影响来选择；在区域Ⅱ范围内，由于中矢量的影响，引入虚拟中矢量以及虚拟小矢量，使虚拟中矢量和虚拟小矢量在作用时的中点平均电流为零。本发明对中点电位的平衡控制具有较好的效果。

附图说明

图1为三电平空间电压矢量划分区域示意图；

图2为区域圆Z₁的控制算法核心图；

图3为区域圆Z₂的控制算法核心图；

图4为圆Z₁范围开关序列示意图；

图5为圆Z₂范围开关序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1所示为三电平空间电压矢量划分区域示意图。

图2为区域圆Z₁的控制算法核心图；图3为区域圆Z₂的控制算法核心图。如图2和图3可知，本实施例的控制方法包括如下步骤：

(1)参考传统SVPWM算法判定参考矢量的位置，定义：

其中，S₁表示参考矢量1、S₂表示参考矢量2、S₃表示参考矢量3、S₄表示参考矢量4；U_dc表示直流侧电压大小；U_ref表示交流侧参考电压大小；θ表示交流侧参考电压与电流的相位差角度。

(2)通过对S₁、S₂、S₃、S₄的正负进行判断，可以得出参考矢量所在的区域以及具体的扇区。

(3)在整个圆Z₁区域内，参照公式(8)、(9)、(10)，即可求出对应的T₁、T₂、T₃。

U_refT_s＝U₁₀₀T₁+U₂₁₁T₂+U₁₁₀T₃ (8)

T₁+T₂+T₃＝T_s (9)

T₁＝T₂ (10)

其中，T₁表示圆Z₁区域内对应的开关矢量作用时间；T₂表示圆Z₁区域内对应的开关矢量作用时间；T₃表示圆Z₁区域内对应的开关矢量作用时间；T_S表示圆Z₁区域内开关矢量作用总时间。

(4)根据上一调制周期选择的非冗余小矢量，通过反馈来调控下一调制周期非冗余小矢量的选择，确保正负小矢量的作用时间相当，对中点电位的影响相互抵消，平衡中点电位。

(5)在区域圆Z₂内，利用冗余小矢量以及三相平衡系统任意时刻存在i_a+i_b+i_c＝0的性质，构造虚拟矢量。

(6)参照公式(11)～(15)求出对应的T_a、T_b、T_c。

U_refT_s＝U′₂₁₀T_a+U₁T_b+U₂T_c (14)

T_a+T_b+T_c＝T_s (15)。

其中，T_a表示对应a相的开关矢量作用时间；T_b表示对应b相的开关矢量作用时间；T_c表示对应c相的开关矢量作用时间。