[发明专利]二极管箝位型三电平变换器的中点电位预测控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及多电平电力电子变换器领域的调制技术，具体涉及二极管箝位型三电平变换器的中点电位预测控制方法。

背景技术

近年来，二极管箝位型三电平变换器由于具有容量大、电压高、电流谐波含量小的优点，在矿山、机车牵引、轧钢等领域得到了广泛的应用。

传统的两电平变换器，由于两电平变换器固有的缺点，如dv/dt大，EMI大，开关频率高，逆变效率低，不适合高压大容量大功率应用。二极管箝位型三电平电力电子变换器相对传统两电平拓扑具有明显优势：1)各功率器件承压只为直流电压的一半，从而允许具有更高的电压等级，同时大大降低装置的体积和成本；2)dv/dt较小、输出电流畸变率小、变换器容量大。

对于二极管箝位型三电平变换器，中点平衡问题是其存在的固有问题。两串联电容的连接点就是其电位终点，当该点的电位发生波动时，就出现了中点电位不平衡现象。中点电位的失衡，不仅会导致交流侧输出电压与电流的畸变，还会造成开关器件关断时承受的电压不一致，一旦超过功率器件的承压范围，就会造成器件击穿，严重影响系统运行性能。

二极管箝位型三电平变换器的中点电位控制方法主要有：一是通过调节冗余小矢量的作用时间来实现中点电位控制，如平衡因子法、虚拟矢量中点控制等；二是根据中点电流方向，注入或抽取零序电压，实现中点电流变向从而完成控制。以上两种方法在中点电位不平衡问题较严重，或者中点电流存在较大谐波时可能出现错误。

发明内容

本发明的目的是针对二极管箝位型三电平变换器这种拓扑结构，对现有的中点电位控制策略进行改进，在保证中点电位平衡的前提下降低对中点电流的依赖、提高中点电位控制的鲁棒性。

本发明采用如下技术方案：

二极管箝位型三电平变换器的中点电位预测方法，包括以下步骤，

步骤1：建立变换器中各开关工作状态的的空间矢量平面图，并将空间矢量平面图划分为12个子区间，每个子区间都有四种开关顺序；

步骤2：根据输出电压矢量的位置，将输出电压矢量对应到12个子区间之一，测量直流侧两电容电压差值Δu，并计算对应的实际不平衡函数f(x_act)，结合子区间对应值和实际不平衡函数确定中矢量位置；

步骤3：确定子区间内四种开关顺序，计算子区间内四个开关顺序中各矢量的作用时间，若单个作用顺序内所有矢量的作用时间总和大于脉宽调制周期，则对各矢量作用时间进行调整；

步骤4：利用步骤3中获取的开关作用顺序及各作用顺序中矢量的作用时间，结合各矢量作用时对应的中点电流i_k，计算预测不平衡函数f(x_pred)；

步骤5：根据不平衡电压最小化原则，即不平衡评估函数f(x)最小，选择适当的开关作用顺序；

其中，不平衡评估函数f(x)＝f(x_pred)+f(x_act)，式中f(x_pred)为预测不平衡函数，f(x_act)为实际不平衡函数；且其中式中i_k为所选择作用顺序中，第k个矢量作用时的中点电流值，t_k为该矢量作用的时间；f(x_act)＝2·C·Δu，式中C为直流侧电容值，Δu为直流侧两电容电压差值。

进一步的，步骤3中对单个作用顺序内所有矢量的作用时间总和大于脉宽调制周期，调整方法为将各矢量作用时间调整为t'＝t/t_PWM。

进一步的，步骤4中对包含中矢量及大矢量的作用顺序，选择添加冗余矢量及其作用时间并重新计算作用顺序中其他矢量的作用时间，随后再次计算预测不平衡函数f(x_pred)。

本发明提出了二极管箝位型三电平变换器的中点电位预测控制方法，首先将空间矢量分成12个子区间；引入预测不平衡评估函数，该函数将各个子区间的所有作用顺序在作用过程中可能产生的不平衡电压考虑在内，结合实际不平衡电压综合考虑，选择最优的开关作用顺序，达到平衡中点电位的目的。

本发明提出的方法无需设计平衡因子，可以保证中点电位控制效果的最优化；具有良好的鲁棒性，且易于移植至更高电平，不受电平数量的限制；控制算法精确度高，易于工程实现，节省软件和硬件资源，可以保证任意时刻的中点电位平衡。

附图说明

图1是二极管箝位型三电平变换器的拓扑结构；

图2是二极管箝位型三电平变换器的空间矢量划分子区间；