[发明专利]一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及电力电子技术领域；特别涉及一种五电平二极管钳位型变换器的直流电容电压平衡控制方法。

【背景技术】

在当前情况下，功率器件无法在短期内取得电压和功率上的突破，基于这种原因，提升变换器电压和功率等级的研究点主要在拓扑和控制方法上，多电平拓扑就是高压大功率变换器的一种很重要的实现方案。而在多电平拓扑中，二极管钳位型（NPC）型拓扑因其结构简单、性价比高而应用最为广泛。

在多电平NPC电路的相关研究内容中，直流电容电压平衡控制问题具有突出的重要性。如果直流电容电压出现不平衡，不仅会影响电路的输出电压波形，还会破坏多电平电路的安全稳定运行。传统三电平NPC变换器的直流电容电压平衡控制已经有很多研究成果，但是五电平NPC变换器的直流电容电压平衡控制问题相比于三电平难度增加了许多：对于三电平NPC变换器，在总电压稳定的情况下，只需要控制一个电容电压的平衡，而对于五电平电路，需要控制三个电容电压的平衡；三电平电路的两个直流电容电压是可以独立控制的，之间不存在耦合性，但五电平电路的四个直流电容电压之间具有耦合性，增加了控制难度。

目前，有关五电平NPC变换器的直流电容电压平衡控制的研究已经取得一定的研究成果，现阶段的直流电容电压平衡方案基本上分为三种类型：外加辅助电路平衡法、背靠背拓扑平衡法和软件平衡法。在这三种方法中，外加辅助电路法需要额外的平衡回路，这会增加系统成本；背靠背拓扑法采用的是双变换器对称控制，不适用于单个变换器；软件平衡算法虽然会增加系统的控制复杂性，但该方法不需要增加系统的硬件成本，随着高性能DSP的快速发展，复杂的控制算法变得越来越容易实现，因此，软件平衡法也获得越来越多的关注。

当前应用的多电平NPC型变换器直流电容电压软件平衡方法可以分为零序电压注入法、虚拟矢量SVM法、舍弃不平衡矢量法和目标函数优化法等多种。其中，零序电压注入法广泛应用于三电平NPC变换器的直流电容电压控制中，而五电平NPC变换器共有三个中点，因此这种方法将变得复杂且难以控制；虚拟矢量SVM可以从理论上保证在每个控制周期的直流电压平衡，但它增加了开关损耗和控制的复杂性；舍弃不平衡矢量法虽然可以实现直流电容电压的平衡控制，但它减少了输出电平数，输出波形质量差；目标函数优化法的实现简单，更加适用于五电平NPC拓扑，但是它并不适用于全调制度。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种全调制度、全数字化、简单高效的五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种五电平二极管钳位型变换器电容电压平衡控制方法，包括以下步骤：

1）、计算空间矢量调制的调制度m_SV；

2）、判断m_SV与0.5的关系，若m_SV≤0.5，则转入低调制度直流电容电压平衡控制方法；若m_SV>0.5，则转入高调制度直流电容电压平衡控制方法；

3）、当采用低调制度直流电容电压平衡控制方法时，采用参考电压分解法与目标函数优化法相结合的方法实现五电平二极管钳位型变换器直流电容电压的平衡控制；

4）、当采用高调制度直流电容电压平衡控制方法时，采用优化的平衡矢量甄选法实现五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压的平衡控制。

本发明进一步的改进在于：步骤3）具体包括以下步骤：

3.1）、计算参考电压矢量；

3.2）、应用参考电压分解法得到候选开关序列；

3.3）、计算各候选开关序列的目标函数值；

3.4）、选择目标函数值最小的开关序列作为实际输出的开关序列，对五电平二极管钳位型变换器直流侧电容电压进行平衡控制。

本发明进一步的改进在于：步骤3）具体包括以下步骤：

3.1）、计算参考电压矢量V_ref

V_ref=[V_ra V_rb V_rc]^T       (3)

V_ra、V_rb和V_rc为三相参考电压；

3.2）、应用参考电压分解法得到候选开关序列

参考电压分解法步骤为：