三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法。首先对逆变器第k相输出负载电流ik、第k相飞跨电容电压VkCf与直流母线总电压2Vdc进行采样，通过纯比例控制器得到第k相所需的飞跨电容充电电流i'kCf，同时根据飞跨电容电压与中点电位控制的解耦约束条件得到所需的零序电压标幺值V0pu，由此计算出叠加在第k相调制波mk1上的调制波上偏移量Δmk2和调制波下偏移量Δmk3。依据mk2＝mk1+Δmk2与mk3＝mk1‑Δmk3得到的开关管S5与开关管S6调制波mk2、开关管S7与开关管S8调制波mk3，再通过载波移相调制方式来控制飞跨电容的充电放电过程，最终达到灵活控制飞跨电容电压而不影响三相逆变器中点电位平衡与输出电流的目的，实现了飞跨电容电压控制与中点电位控制解耦的良好效果，保证了逆变器运行的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及并网发电用逆变器
,具体是一种三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法。
技术介绍
在高压、大容量变流领域，多电平逆变器应用备受青睐，五电平逆变器进一步提升了逆变器电压输出水平，进一步降低了输出电压谐波含量。五电平有源中点箝位逆变器与其他五电平拓扑相比，具有中点电位平衡控制简单、飞跨电容数最少提升了稳定性、可利用较多的开关状态冗余控制电压平衡问题、减少了其他拓扑中对多个电容电压进行控制的复杂性等等诸多优势。基于五电平有源中点箝位逆变器的诸多优良特点，现在已有应用此拓扑结构的逆变器产品问世，如ABB公司的ACS2000系列产品。为实现三相五电平有源中点箝位逆变器正常工作，一是保证三相飞跨电容电压的稳定：二是保证两个直流母线电容电压的稳定。国内外很多相关研究也围绕三相五电平有源中点箝位逆变器展开。文献“A Novel SVPWM Algorithm for Five-Level Active Neutral-Point-Clamped Converter”，Zhan Liu,Yu Wang,Guojun Tan,Member,IEEE,Hao Li,and Yunfeng Zhang《IEEE Transactions on Power Electronics》,2016，31(5)，3859-3866(“一种基于有源中点箝位五电平逆变器的新型SVPWM控制算法的研究”，《IEEE学报-电力电子期刊》，2016年第31卷第5期3859～3866页)，该文给出了一种改进空间矢量调制(SVPWM)策略应用于有源中点箝位五电平逆变器，是一种通过坐标变换的线电压坐标系SVPWM调制算法，减少对基本矢量的确定步骤和对应作用时间的求解过程，虽然简化了传统SVPWM调制算法，但实际应用很复杂，显然没有基于载波的调制方式简便易行。文献“张航航,刘小刚,张新涛,等.有源中点箝位式(ANPC)五电平逆变器调制方法和飞跨电容电压控制策略研究[J].电源学报,2015,13(1):67-72,100.”文中通过一种参考波与三角载波比较的SPWM方法实现五电平输出，并控制充电因子将飞跨电容电压稳定在直流母线电压的1/4。其不足是：文中只针对飞跨电容电压控制为直流母线电压的1/4的情况做了研究，而并没有考虑基于SPWM控制飞跨电容电压是否破坏了逆变器中点平衡，也没有考虑飞跨电容电压控制为任意值对逆变器输出的影响。文献“Capacitor Voltage Balancing of a Five-Level ANPC Converter Using Phase-Shifted PWM”，Kui Wang,Member,IEEE,Lie Xu,Member,IEEE,Zedong Zheng,Member,IEEE,and Yongdong Li,Member,IEEE《IEEE Transactions on PowerElectronics》,2015，30(3)，1147-1156(“基于载波移相调制方法的五电平ANPC电容电压平衡控制”，《IEEE学报-电力电子期刊》，2015年第30卷第3期1147～1156页)，本文建立了直流母线中点电压的波动模型基础上提出一种基于零序电压注入的中点电压平衡控制算法。通过一种基于移相载波的方法较好的控制了飞跨电容电压，但这个控制飞跨电容电压方法存在不足之处：1)采用文中方案可以实现飞跨电容电压的控制，但是另一方面，通过推导，从逆变器输出电压表达式可以看出，当且仅当飞跨电容电压为1/4直流母线电压时，逆变器输出的相电压才能保持不受影响，否则该方案会影响逆变器输出电压大小，影响了逆变器输出；2)此外，采用本文献方案控制飞跨电容的同时还会对中性点电流产生影响，进而影响逆变器中点电位。故该文献所提控制方案并没有实现飞跨电容电压和中性点电流控制的完全解耦，可能会影响输出电压，进而导致输出电流畸变，影响逆变器的正常工作。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为针对现有技术中存在的三相五电平有源中点箝位逆变器的调制算法复杂且不便于实际的应用、飞跨电容电压的控制过程会影响逆变器正常输出、飞跨电容电压和中性点电流控制存在耦合的问题，提供一了种能够灵活控制飞跨电容电压同时不影响逆变器中点电位平衡与输出电流大小，以提高逆变器运行局部和整体可靠性的基于载波移相调制的飞跨电容电压控制方法。为解决本专利技术技术问题，本专利技术提供了一种三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法。本控制方法所涉及的三相五电平有源中点箝位逆变器每相电路拓扑相同并为如下结构：直流母线总电压为2Vdc，直流侧设置有两只串联的电容C1和电容C2，电容C1正极连接逆变器输入正极，电容C1负极与电容C2正极连接点定义为逆变器中点，流过逆变器中点电流为i'knp，k＝a,b,c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；单相拓扑中包含8只开关管，即开关管Si，i＝1,2,3......8，其中开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S6、开关管S4相串联，开关管S1发射极连接开关管S5集电极，开关管S5发射极连接开关管S7集电极，开关管S7发射极连接开关管S8集电极，开关管S8发射极连接开关管S6集电极，开关管S6发射极连接开关管S4集电极；开关管S1集电极连接电容C1正极，开关管S4发射极连接电容C2负极，开关管S7集电极与开关管S8发射极间并联飞跨电容Cf，飞跨电容Cf正极与开关管S7集电极相连，第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流为i'kCf，k＝a，b，c，第k相飞跨电容Cf电压为VkCf，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；开关管S1发射极与逆变器中点间并联开关管S2，开关管S1发射极与开关管S2的集电极相连，开关管S4集电极与逆变器中点间并联开关管S3，开关管S3发射极与开关管S4集电极相连，开关管S2发射极与开关管S3集电极都与逆变器中点相连，将开关管S7、开关管S8间的连接点引出作为逆变器每一相的输出端，第k相输出相电流为ik，k＝a，b，c，第k相输出相电压为Vko，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；本控制方法包括对逆变器各相电压、电流、直流母线总电压及飞跨电容电压的采样，其特征在于包括以下步骤：步骤1，采集三相逆变器第k相输出相电流ik，k＝a，b，c，第k相输出相电压Vko，k＝a，b，c，第k相飞跨电容Cf电压VkCf，k＝a，b，c及直流母线总电压2Vdc,求得第k相飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu＝VkCf/Vdc，，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；步骤2，采用纯比例控制器来控制第k相飞跨电容Cf电压VkCf，k＝a，b，c，定义第k相纯比例控制器的输出量为i'kCf，k＝a，b，c，并用该输出量表示第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流，即第k相需要流过飞跨电容的充电电流为i'kCf，k＝a，b，c；步骤3，根据步骤1中得到的第k相飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu，k＝a，b，c与步骤2中得到的第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法，本控制方法所涉及的三相五电平有源中点箝位逆变器每相电路拓扑相同并为如下结构：直流母线总电压为2Vdc，直流侧设置有两只串联的电容C1和电容C2，电容C1正极连接逆变器输入正极，电容C1负极与电容C2正极连接点定义为逆变器中点，流过逆变器中点电流为i'knp，k＝a,b,c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；单相拓扑中包含8只开关管，即开关管Si，i＝1,2,3......8，其中开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S6、开关管S4相串联，开关管S1发射极连接开关管S5集电极，开关管S5发射极连接开关管S7集电极，开关管S7发射极连接开关管S8集电极，开关管S8发射极连接开关管S6集电极，开关管S6发射极连接开关管S4集电极；开关管S1集电极连接电容C1正极，开关管S4发射极连接电容C2负极，开关管S7集电极与开关管S8发射极间并联飞跨电容Cf，飞跨电容Cf正极与开关管S7集电极相连，第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流为i'kCf，k＝a，b，c，第k相飞跨电容Cf电压为VkCf，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；开关管S1发射极与逆变器中点间并联开关管S2，开关管S1发射极与开关管S2的集电极相连，开关管S4集电极与逆变器中点间并联开关管S3，开关管S3发射极与开关管S4集电极相连，开关管S2发射极与开关管S3集电极都与逆变器中点相连，将开关管S7、开关管S8间的连接点引出作为逆变器每一相的输出端，第k相输出相电流为ik，k＝a，b，c，第k相输出相电压为Vko，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；本控制方法包括对逆变器各相电压、电流、直流母线总电压及飞跨电容电压的采样，其特征在于包括以下步骤：步骤1，采集三相逆变器第k相输出相电流ik，k＝a，b，c，第k相输出相电压Vko，k＝a，b，c，第k相飞跨电容Cf电压VkCf，k＝a，b，c及直流母线总电压2Vdc,求得第k相飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu＝VkCf/Vdc，，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；步骤2，采用纯比例控制器来控制第k相飞跨电容Cf电压VkCf，k＝a，b，c，定义第k相纯比例控制器的输出量为i'kCf，k＝a，b，c，并用该输出量表示第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流，即第k相需要流过飞跨电容的充电电流为i'kCf，k＝a，b，c；步骤3，根据步骤1中得到的第k相飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu，k＝a，b，c与步骤2中得到的第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流i'kCf，k＝a，b，c，求出第k相飞跨电容Cf瞬时充电功率PkCfpu＝VkCfpu·i’kCf，k＝a，b，c；步骤4,根据步骤1中得到第k相的输出相电流ik，k＝a，b，c、输出相电压Vko，k＝a，b，c、飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu，k＝a，b，c和步骤2中得到的第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流i'kCf，k＝a，b，c，通过飞跨电容Cf电压控制且不影响逆变器中点电位的解耦约束条件，得到所需的零序电压标幺值V0pu；步骤5，根据步骤1中得到第k相的输出相电流ik，k＝a，b，c、步骤3中得到的第k相飞跨电容Cf瞬时充电功率PkCfpu，k＝a，b，c和步骤4得到的第k相所需零序电压标幺值V0pu，求得叠加在调制波mk1上的调制波上偏移量Δmk2＝PkCfpu/ik+V0pu，k＝a，b，c；步骤6，根据步骤1中得到第k相的输出相电流ik，k＝a，b，c、步骤2中得到的第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流i'kCf，k＝a，b，c和步骤5求得的调制波上偏移量Δmk2，求得调制波下偏移量为Δmk3＝i'kCf/ik‑Δmk2，k＝a，b，c；步骤7，先对第k相原始调制波mk进行如下变换得到调制波mk1，当0＜mk≤1时，得mk1＝mk；当‑1≤mk≤0时,得mk1＝mk+1，k＝a，b，c；再根据步骤5得到的调制波上偏移量Δmk2求得第k相开关管S5与开关管S6调制波mk2＝mk1+Δmk2；根据步骤5得到的调制波下偏移量Δmk3求得第k相开关管S7与开关管S8调制波mk3＝mk1‑Δmk3；原始调制波mk作为第k相开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的调制波；步骤8，定义幅值[0,1]的高频三角载波为Tr1，定义与Tr1幅值频率相同、相位相差180度的三角载波为Tr2；当0＜mk≤1时，开关管S1与开关管S3同时开通，开关管S2与开关管S4同时关断；将步骤7得到的mk2与Tr1比较，当mk2≥Tr1时，开关管S5开通、开关管S6关断；将步骤7得...

【技术特征摘要】
1.一种三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法，本控制方法所涉及的三相五电平有源中点箝位逆变器每相电路拓扑相同并为如下结构：直流母线总电压为2Vdc，直流侧设置有两只串联的电容C1和电容C2，电容C1正极连接逆变器输入正极，电容C1负极与电容C2正极连接点定义为逆变器中点，流过逆变器中点电流为i'knp，k＝a,b,c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；单相拓扑中包含8只开关管，即开关管Si，i＝1,2,3......8，其中开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S6、开关管S4相串联，开关管S1发射极连接开关管S5集电极，开关管S5发射极连接开关管S7集电极，开关管S7发射极连接开关管S8集电极，开关管S8发射极连接开关管S6集电极，开关管S6发射极连接开关管S4集电极；开关管S1集电极连接电容C1正极，开关管S4发射极连接电容C2负极，开关管S7集电极与开关管S8发射极间并联飞跨电容Cf，飞跨电容Cf正极与开关管S7集电极相连，第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流为i'kCf，k＝a，b，c，第k相飞跨电容Cf电压为VkCf，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；开关管S1发射极与逆变器中点间并联开关管S2，开关管S1发射极与开关管S2的集电极相连，开关管S4集电极与逆变器中点间并联开关管S3，开关管S3发射极与开关管S4集电极相连，开关管S2发射极与开关管S3集电极都与逆变器中点相连，将开关管S7、开关管S8间的连接点引出作为逆变器每一相的输出端，第k相输出相电流为ik，k＝a，b，c，第k相输出相电压为Vko，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；本控制方法包括对逆变器各相电压、电流、直流母线总电压及飞跨电容电压的采样，其特征在于包括以下步骤：步骤1，采集三相逆变器第k相输出相电流ik，k＝a，b，c，第k相输出相电压Vko，k＝a，b，c，第k相飞跨电容Cf电压VkCf，k＝a，b，c及直流母线总电压2Vdc,求得第k相飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu＝VkCf/Vdc，，k＝a，b，c，其中k表示逆变器的a，b，c三相电路，即a相、b相、c相；步骤2，采用纯比例控制器来控制第k相飞跨电容Cf电压VkCf，k＝a，b，c，定义第k相纯比例控制器的输出量为i'kCf，k＝a，b，c，并用该输出量表示第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流，即第k相需要流过飞跨电容的充电电流为i'kCf，k＝a，b，c；步骤3，根据步骤1中得到的第k相飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu，k＝a，b，c与步骤2中得到的第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流i'kCf，k＝a，b，c，求出第k相飞跨电容Cf瞬时充电功率PkCfpu＝VkCfpu·i’kCf，k＝a，b，c；步骤4,根据步骤1中得到第k相的输出相电流ik，k＝a，b，c、输出相电压Vko，k＝a，b，c、飞跨电容Cf电压标幺值VkCfpu，k＝a，b，c和步骤2中得到的第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流i'kCf，k＝a，b，c，通过飞跨电容Cf电压控制且不影响逆变器中点电位的解耦约束条件，得到所需的零序电压标幺值V0pu；步骤5，根据步骤1中得到第k相的输出相电流ik，k＝a，b，c、步骤3中得到的第k相飞跨电容Cf瞬时充电功率PkCfpu，k＝a，b，c和步骤4得到的第k相所需零序电压标幺值V0pu，求得叠加在调制波mk1上的调制波上偏移量Δmk2＝PkCfpu/ik+V0pu，k＝a，b，c；步骤6，根据步骤1中得到第k相的输出相电流ik，k＝a，b，c、步骤2中得到的第k相需要流过飞跨电容Cf的充电电流i'kCf，k＝a，b，c和步骤5求得的调制波上偏移量Δmk2，求得调制波下偏移量为Δmk3＝i'kCf/ik-Δmk2，k＝a，b，c；步骤7，先对第k相原始调制波mk进行如下变换得到调制波mk1，当0＜mk≤1时，得mk1＝mk；当-1≤mk≤0时,得mk1＝mk+1，k＝a，b，c；再根据步骤5得到的调制波上偏移量Δmk2求得第k相开关管S5与开关管S6调制波mk2＝mk1+Δmk2；根据步骤5得到的调制波下偏移量Δmk3求得第k相开关管S7与开关管S8调制波mk3＝mk1-Δmk3；原始调制波mk作为第k相开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的调制波；步骤8，定义幅值[0,1]的高频三角载波为Tr1，定义与Tr1幅值频率相同、相位相差180度的三角载波为Tr2；当0＜mk≤1时，开关管S1与开关管S3同时开通，开关管S2与开关管S4同时关断；将步骤7得到的mk2与Tr1比较，当mk2≥Tr1时，开关管S5开通、开关管S6关断；将步骤7得到的mk3与Tr2进行比较，当mk3≥Tr2时，开关管S7开通、开关管S8关断；当-1＜mk≤0时，开关管S1与开关管S3同时关断，开关管S2与开关管S4同时开通；将步骤7得到的mk2与Tr1比较，当mk2＜Tr1时，开关管S5关断、开关管S6开通；将步骤7得到的mk3与Tr2进行比较，当mk3＜Tr2时，开关管S7关断、开关管S8开通。2.根据权利要求1所述的一种三相五电平有源中点箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法，其特征是步骤2中所采用的纯比例控制器的输出表达式为i'kCf＝KpCf(VkCfrefpu-VkCfpu)，k＝a，b，c其中，i'kCf，k＝a，b，c为第k相飞跨电容Cf所需的充电电流；KPCf为纯比例控制器的比例参数；VkCfrefpu，k＝a，b，c为第k相给定的指令飞跨电容Cf电压值；VkCfpu，k＝a，b，c表示第k相飞跨电容Cf电压标幺值。3.根据权利1所述的一种三相五电平有源中点钳箝位逆变器的飞跨电容电压控制方法，其特征是步骤4中飞跨电容Cf电压控制且不影响逆变器中点N电位的解耦约束条件为如下方程组： ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王付胜，付航，李祯，郑德佑，张兴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34