背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法技术

本发明专利技术公开了一种背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，通过数学坐标旋转变换将位于其它扇区的电压空间矢量归一到第一扇区统一计算，因此不需要针对每个扇区进行区别计算处理，从而简化了算法的复杂程度。同时，本发明专利技术充分利用网侧变换器或者机侧变换器的中点电压控制能力，当其中一侧控制能力不足可由另一侧变换器来提供，避免了传统方法中两侧变换器独立控制中点电压可能带来的中点电压控制作用相互削弱的缺点，从而降低了背靠背双PWM变换器的中点电压波动，实现了对中点电压的有效平衡控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术与三电平变换器有关，具体属于一种背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，三电平变换器以其较高的输出效率以及较低的输出电流谐波畸变率等优点，在大功率变频器、三相并网逆变器以及三相不间断电源等领域得到了广泛的应用。目前，在大功率电机驱动领域和风力发电领域出现了以三电平拓扑为基础的背靠背三电平双PWM变换器，该变换器包括连接电网的网侧变换器以及连接电机的机侧变换器，且网侧变换器和机侧变换器都具有平衡中点电压的能力。目前，公开的技术文献中多采用单独一侧变换器来控制中点电压，例如只采用网侧变换器来控制中点电压，虽然这种方法能够实现中点电压的平衡控制，但是由于网侧变换器的调制度较高，因此其平衡中点电压的能力比较有限。此外，还有一条技术路线是将两侧变换器对中点电压的控制能力综合利用起来，虽然网侧变换器和机侧变换器分别采用独立的中点电压控制策略能够增强对中点电压的控制能力，但是由于没有具体区分每个开关周期内两侧变换器对中点电压控制的大小和方向，因此该方法存在着两侧变换器对中点电压的控制作用可能出现过补偿和相互抵消的问题。参见《三电平双PWM变换器电容电压平衡综合控制》，范必双、谭冠政、樊绍胜，电机与控制学报，2014，18(1)：38-43，该论文提出一种网侧变换器和机侧变换器的电容中点电压平衡综合控制策略，分析了三电平变换器所有冗余小矢量对中点电压的影响，给出了电压矢量位于每个扇区时的中点平均电流计算式，通过对下一时刻各相电流和电容电压参考量的预测，得到一个目标为中点电压波动最小的品质函数，通过调整冗余矢量时间分配因子达到控制中点电压波动的目标。虽然该方法不会造成两侧变换器对中点电压的过补偿和欠补偿，但是其对两侧变换器分配相同的冗余矢量时间因子，仍然在一定程度上限制了两侧变换器对中点电压的控制能力，而且该方法需要不断地迭代运算，算法实现比较复杂。因此，针对现有技术的不足之处，本领域亟待提出在一种算法实现简单，能够有效实现背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，不但可以避免两侧变换器独立控制中点电压产生的控制作用相互削弱的缺点，而且可以克服两侧变换器无法充分控制中点电压的问题。为了解决上述问题，本专利技术提供的背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，包括以下步骤：步骤1，利用坐标变换分别将网侧变换器的电压矢量和机侧变换器的电压矢量变换到两相静止坐标系，并根据直流电压值对两个电压矢量进行标么化；步骤2，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量在两相静止坐标系中的值判断两个电压矢量所在的实际扇区号；步骤3，利用坐标变换矩阵将标么化的网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量变换至第一扇区；步骤4，根据旋转变换后的网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量判断旋转变换后的两个电压矢量所在第一扇区中的小扇区三角形编号；步骤5，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量所在的不同小扇区三角形，分别确定网侧变换器和机侧变换器的三个基本电压空间矢量和对应的中点电流；步骤6，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量所在的不同小扇区三角形，计算依次作用的三个基本电压空间矢量的作用时间；步骤7，根据直流侧中点电压的偏移值以及网侧变换器和机侧变换器各自输入的三相电流值，分别计算网侧变换器和机侧变换器侧的中点电压平衡因子；步骤8，根据网侧变换器和机侧变换器各自三个基本电压空间矢量的作用时间和计算得到的中点电压平衡因子，分别计算获得矢量位于不同小扇区三角形的输出脉冲占空比；步骤9，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量的实际扇区号，分别将网侧变换器和机侧变换器在第一扇区计算得到的占空比信息映射回网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量各自所在的实际扇区，并将占空比信息换算为相应的比较值以产生PWM脉冲分别驱动网侧变换器和机侧变换器。本专利技术的有益之处在于：1)本专利技术通过数学坐标旋转变换将位于其它扇区的电压空间矢量归一到第一扇区统一计算，因此不需要针对每个扇区进行区别计算处理，从而简化了算法的复杂程度；2)本专利技术充分利用网侧变换器或者机侧变换器的中点电压控制能力，当其中一侧控制能力不足可由另一侧变换器来提供，避免了传统方法中两侧变换器独立控制中点电压可能带来的中点电压控制作用相互削弱的缺点，从而降低了背靠背双PWM变换器的中点电压波动，实现了对中点电压的有效平衡控制。附图说明图1是本专利技术方法适用的背靠背三电平双PWM变换器的电路示意图；图2是本专利技术方法中电压空间矢量的区域划分示意图；图3是本专利技术方法中的第一扇区电压矢量关系以及三角形区间的划分示意图；图4a至图4f是本专利技术方法中第一扇区各三角形区间内的基本电压空间矢量作用示意图。图5是本专利技术方法中的算法流程示意图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术适用于背靠背三电平双PWM变换器，该变换器包括网侧变换器(以下简称为GVSC)和机侧变换器(以下简称为MVSC)，如图1所示，中点电压平衡控制方法包括以下步骤：S1：利用克拉克坐标变换分别将GVSC的三相电压矢量和MVSC的三相电压矢量变换到两相静止坐标系，并根据直流电压值对两个电压矢量进行标么化，分为：S11：将GVSC电压矢量变换到两相静止坐标系，并根据直流电压值对两相电压矢量进行标么化，具体步骤如下：(1)利用下式将电压矢量变换到两相静止坐标系下；式中，uag、ubg和ucg分别为GVSC电压矢量在abc坐标系中的分量；uαg、uβg分别为GVSC电压矢量在αβ坐标系中的分量；(2)根据直流电压值对两相电压矢量进行限幅处理；如果则如果则式中，udc为直流电压值；uαgL、uβgL分别为GVSC电压矢量经过限幅处理后在αβ坐标系中的分量；(3)根据直流电压值对两相电压矢量进行标么化；式中，vαg、vβg分别为GVSC电压矢量在αβ坐标系中的分量的标么值。S12：将MVSC电压矢量变换到两相静止坐标系，并根据直流电压值对两相电压矢量进行标么化，具体步骤如下：(1)利用下式将电压矢量变换到两相静止坐标系下；式中，uam、ubm和ucm分别为MVSC电压矢量在abc坐标系中的分量；uαm、uβm分别为MVSC电压矢量在αβ坐标系中的分量；(2)根据直流电压值对两相电压矢量进行限幅处理；如果则如果则式中，udc为直流电压值；uαmL、uβmL分别为MVSC电压矢量经过限幅处理后在αβ坐标系中的分量；(3)根据直流电压值对两相电压矢量进行标么化；式中，vαm、vβm分别为MVSC电压矢量在αβ坐标系中的分量的标么值。需要说明的是，在后续步骤中网侧变换器GVSC的相关物理量在符号中均含有下缀g，机侧变换器MVSC的相关物理量在符号中均含有下缀m，特此说明。S2：根据GVSC电压矢量和MVSC电压矢量在两相静止坐标系中的分量值判断电压矢量在图2所示的由三电平基本电压空间矢量形成的正六边形中的实际扇区编号(依顺时针方向将正六边形均分为6个扇区三角形，编号分别从1到6)，分为：S21：根据GVSC电压矢量在两相静止坐标系中的分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用坐标变换分别将网侧变换器的电压矢量和机侧变换器的电压矢量变换到两相静止坐标系，并根据直流电压值对两个电压矢量进行标么化；步骤2，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量在两相静止坐标系中的值判断两个电压矢量所在的实际扇区号；步骤3，利用坐标变换矩阵将标么化的网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量变换至第一扇区；步骤4，根据旋转变换后的网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量判断旋转变换后的两个电压矢量所在第一扇区中的小扇区三角形编号；步骤5，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量所在的不同小扇区三角形，分别确定网侧变换器和机侧变换器的三个基本电压空间矢量和对应的中点电流；步骤6，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量所在的不同小扇区三角形，计算依次作用的三个基本电压空间矢量的作用时间；步骤7，根据直流侧中点电压的偏移值以及网侧变换器和机侧变换器各自输入的三相电流值，分别计算网侧变换器和机侧变换器侧的中点电压平衡因子；步骤8，根据网侧变换器和机侧变换器各自三个基本电压空间矢量的作用时间和计算得到的中点电压平衡因子，分别计算获得矢量位于不同小扇区三角形的输出脉冲占空比；步骤9，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量的实际扇区号，分别将网侧变换器和机侧变换器在第一扇区计算得到的占空比信息映射回网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量各自所在的实际扇区，并将占空比信息换算为相应的比较值以产生PWM脉冲分别驱动网侧变换器和机侧变换器。...

【技术特征摘要】
1.一种背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用坐标变换分别将网侧变换器的电压矢量和机侧变换器的电压矢量变换到两相静止坐标系，并根据直流电压值对两个电压矢量进行标么化；步骤2，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量在两相静止坐标系中的值判断两个电压矢量所在的实际扇区号；步骤3，利用坐标变换矩阵将标么化的网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量变换至第一扇区；步骤4，根据旋转变换后的网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量判断旋转变换后的两个电压矢量所在第一扇区中的小扇区三角形编号；步骤5，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量所在的不同小扇区三角形，分别确定网侧变换器和机侧变换器的三个基本电压空间矢量和对应的中点电流；步骤6，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量所在的不同小扇区三角形，计算依次作用的三个基本电压空间矢量的作用时间；步骤7，根据直流侧中点电压的偏移值以及网侧变换器和机侧变换器各自输入的三相电流值，分别计算网侧变换器和机侧变换器侧的中点电压平衡因子；步骤8，根据网侧变换器和机侧变换器各自三个基本电压空间矢量的作用时间和计算得到的中点电压平衡因子，分别计算获得矢量位于不同小扇区三角形的输出脉冲占空比；步骤9，根据网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量的实际扇区号，分别将网侧变换器和机侧变换器在第一扇区计算得到的占空比信息映射回网侧变换器电压矢量和机侧变换器电压矢量各自所在的实际扇区，并将占空比信息换算为相应的比较值以产生PWM脉冲分别驱动网侧变换器和机侧变换器。2.根据权利要求1所述的背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，其特征在于，在步骤1中，利用克拉克变换将三相电压矢量变换到两相静止坐标系中，并根据直流电压值对电压矢量进行标么化，具体步骤为：1)利用公式(1)将电压矢量变换到两相静止坐标系下；uαuβ=231-12-12032-32uaubuc---(1)]]>上式中，ua、ub和uc分别为电压矢量在abc坐标系中的分量，uα、uβ分别为电压矢量在αβ坐标系中的分量；2)对两相电压矢量进行限幅处理，其中，如果uα2+uβ2>udc3,]]>则uαL=uαuα2+uβ2·udc3uβL=uβuα2+uβ2·udc3]]>如果uα2+uβ2≤udc3,]]>则uαL=uαuβL=uβ]]>上式中，udc为直流电压值，uαL、uβL分别为电压矢量经过限幅处理后在αβ坐标系中的分量；3)利用公式(2)对两相电压矢量进行标么化；vα=uαL.3udcvβ=uβL·3udc---(2)]]>上式中，vα、vβ分别为电压矢量在αβ坐标系中的分量的标么值。3.根据权利要求1所述的背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，其特征在于，步骤2中判断网侧变换器或机侧变换器的电压矢量所在扇区号的方法如下：1)定义变量a、b、c，其与电压矢量在αβ坐标系中的分量uα、uβ之间的关系为abc=0132-12-32-12uαuβ]]>2)定义变量P，其与变量a、b、c之间的关系为P＝sign(a)+2sign(b)+4sign(c)上式中，sign()为求数据符号函数，定义为sign(u)=1u≥00u<0;]]>3)根据变量P的值判断电压矢量所在的扇区号N，其中P与N的关系为P123456N261435其中，N的取值范围为1～6。4.根据权利要求1所述的背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，其特征在于，在步骤3中，利用坐标变换公式(3)将电压矢量变换至第一扇区；vαTvβT=TN1vαvβ---(3)]]>上式中，vαT、vβT分别为电压矢量经过坐标变换后在第一扇区的分量，TN1为第N扇区至第一扇区的坐标变换矩阵，N的取值为1～6，其中：当电压矢量位于第一扇区时，对应的坐标变换矩阵为T11=1001;]]>当电压矢量位于第二扇区时，对应的坐标变换矩阵为T21=-12323212;]]>当电压矢量位于第三扇区时，对应的坐标变换矩阵为T31=-1232-32-12;]]>当电压矢量位于第四扇区时，对应的坐标变换矩阵为T41=-12-32-3212;]]>当电压矢量位于第五扇区时，对应的坐标变换矩阵为T51=-12-3232-12;]]>当电压矢量位于第六扇区时，对应的坐标变换矩阵为T61=100-1.]]>5.根据权利要求1所述的背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，其特征在于，所述第一扇区划分为A～F六个小扇区三角形，A三角形区间由U0、U1和U6围成，B三角形区间由U0、U6和U2所围成，C三角形区间由U1、U4和U6所围成，D三角形区间由U2、U4和U6所围成，E三角形区间由U1、U3和U4所围成，F三角形区间由U2、U4和U5所围成，其中U0为零矢量000、NNN和PPP，U1为小矢量0NN和P00，U2为小矢量PP0和00N，U3为大矢量PNN，U4为中矢量P0N，U5为大矢量PPN，U6为中矢量U4的一半；在步骤4中：旋转变换后的电压矢量位于A三角形区间的判断条件为vβT≤33vαTvβT≤-3vαT+1;]]>旋转变换后的电压矢量位于B三角形区间的判断条件为vβT≤3vαTvβT>33vαTvβT≤-3vαT+1;]]>旋转变换后的电压矢量位于C三角形区间的判断条件为vβT≤33vαTvβT>-3vαT+1vβT>3vαT-1vβT≤12;]]>旋转变换后的电压矢量位于D三角形区间的判断条件为vβT>33vαTvβT>-3vαT+1vβT>3vαT-1vβT≤12;]]>旋转变换后的电压矢量位于E三角形区间的判断条件为vβT≤3vαT-1vβT≤-3vαT+2;]]>旋转变换后的电压矢量位于F三角形区间的判断条件为vβT>12vβT≤3vαTvβT≤-3vαT+2.]]>6.根据权利要求1所述的背靠背三电平双PWM变换器的中点电压平衡控制方法，其特征在于，在步骤5中网侧变换器或机侧变换器的三个基本电压空间矢量和中点电流的确定方法如下：1)设依次作用的三个基本电压空间矢量分别为v1，v2和v3，则第一扇区六个小三角形区间对应的三个基本电压空间矢量按照下表确定；ABCDEFv10NN00N0NN00N0NN00Nv200N00000NP0NPNNP0Nv3000P00P0NP00P0NPPN2)设依次作用的三个基本电压空间矢量对应的中点电流分别为i1，i2和i3，则第一扇区六个小三角形区间三个基本电压空间矢量对应的中点电流按照下表确定；ABCDEFi1ia-icia-icia-ici2-ic0-icib0ibi30-iaib-i...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晗，刘玉兵，陈玉东，
申请(专利权)人：上海三菱电梯有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31