[发明专利]一种基于零序电压注入的三电平中点电位平衡控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于零序电压注入的三电平中点电位平衡控制方法，用 于对大功率二极管箝位三电平变频器的中点电位的平衡控制，特别适用于开 关频率低、计算要求简单的高压大功率应用场合，该控制方法同样适用于相 同主电路结构的PWM整流器、有源电力滤波器的中点电位平衡控制。

背景技术

三电平逆变器由于拓扑结构成熟，输出电压谐波含量低，在高电压大功率 场合获得了广泛的应用。相对于两电平逆变器而言，三电平逆变器具有：在 直流母线电压一定的情况下，开关器件的耐压等级减小一半；在同等开关频 率下，三电平逆变器输出电压的谐波含量降低50％；采用相同功率等级的开 关器件，输出功率可以提高一倍等优点。三电平变流器分为飞跨电容和二极 管箝位型。图2是二极管箝位型拓扑结构，这种电路通过多个功率器件串联， 按一定的开关逻辑产生所需要的电平数，在输出端合成相应的正弦波形。其 中箝位二极管的作用是：在中间两个开关管导通时把相电压电平箝在零电位， 保证每个开关器件的耐压箝位到直流母线的电压的一半。飞跨电容型直流侧 电容不变，用飞跨电容取代箝位二极管。其中最常用的是二极管箝位结构三 电平变流器，而中点电位波动是二极管箝位结构三电平变流器的一个固有问 题。如果中点电位波动过大，就会使输出电容C₁、C₂的电压不相同，从而对 功率器件阻断耐压提出了更高的要求，并增大电机线电压谐波含量，对整个 系统工作不利，造成系统工作不稳定，阻断耐压的提高使开关器件容易过早 的损害。

产生中点电位波动的因素是多方面的，传统的三电平载波调制PWM和空 间矢量调制(Space-Vector PWM，SVPWM)都会在直流侧产生基波频率为3倍 电网电压频率的中线电流，从而导致直流母线上、下电容(C₁、C₂)传输功率的 不平衡，造成中点7电位的交流波动(如图2所示)，另外，开关器件和直流侧 电容特性的不一致，以及扰动输入的存在，还会导致直流侧中点7电位出现 直流偏差，造成中点电位不平衡。

现有两种通过设计特殊电路控制中点电位不平衡的硬件设计方法，一种方 法是通过增加直流侧滤波电容的容量，另一种方法是设置专门的中点电位控 制电路来减小和抑制中点电位的波动，但是这两种方法都存在一定的缺陷。 对于第一种方法来说，增加滤波电容容量会造成电容器的体积以及成本的增 加，而对于第二种方法，设置中点电位控制电路需要配备专用的移相变压器 来分别为两电容提供电源，这也会造成成本和体积的增加。因此，针对上述 两种情况，如何采取有效的控制手段对直流侧电容电压的波动进行抑制，开 发高性能的中点电位平衡控制技术便显得非常重要。

如何实现中点电位平衡控制使得直流侧电容电压相等一直是人们研究的 热点，而且已有大量的中点电位平衡控制方法被报道。目前大多数的中点电 位平衡控制方法是基于SVPWM调制方式提出的，即利用冗余小矢量对直流 侧电容电压波动具有相反作用效果的原理，通过调整冗余小矢量的作用时间 来实现中点电位的平衡控制，这是一种算法解决方法，虽然取得了很好的效 果，但空间矢量调制要根据将空间图分成24个扇区，且需要判断每个扇区的 判断需要运算，实现起来比较复杂。在采用载波调制PWM方式下，有的通过 加入零序电压来控制中点电位波动的方法，现有的零序注入法，是根据采得 的实际电容电压和三相电流值和三相正序调制电压的大小，实时计算出需要 注入零序电压的大小。运用这种方法就需要精度较高的采样值，在某一相调 制电压发生符号变换后，需要重新计算零序电压。对于现在以DSP为控制核 心的控制系统来说，大大加大了DSP的运算量，鲁棒性差，不能保证逆变器 全范围工作稳定。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服了现有的SVPWM中点电位平衡控制方法 的复杂性，以及现有基于零序电压注入的点电位平衡控制方法需要复杂的计 算和高精度采集电路，在多载波调制方式下，提出了一种新颖、简单的基于 零序电压注入的中点电位平衡控制方法。实现了在单电源供电系统工作时， 三电平逆变器上、下两电容电压的平衡。

本发明的技术解决方案为：一种基于零序电压注入的三电平中点电位平 衡控制方法，其步骤为：

①计算相位角ωt并根据相位角ωt计算三相正序调制电压，计算表达式 为：