CN103280956B - 多电平逆变器优化虚拟矢量中点电位平衡闭环控制*** - Google Patents
多电平逆变器优化虚拟矢量中点电位平衡闭环控制*** Download PDFInfo
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Abstract
多电平逆变器优化虚拟矢量中点电位平衡闭环控制***，通过信号调理、控制器设计及调制器设计，以实现对直流侧电容中点电压波动的有效控制，进而避免了由于开关管承受的电压应力不同所导致的开关管损坏，以及输出电压的谐波失真。
Description
技术领域
本发明属于高压、大功率交流变频调速领域，涉及一种适用于箝位型多电平逆变器中点电位平衡控制的闭环***方案。
背景技术
箝位型多电平逆变器由于自身拓扑结构特点，使其存在直流侧电容电压的低频振荡，进而会增加开关管承受的电压应力，并在输出电压中会包含低频谐波。另外，导致直流侧分压电容中点电位不平衡的原因还有调制策略、分压电容的制造工艺和负载情况等等因素。目前，针对如何来解决直流侧中点电位平衡问题，呈现出两种方式：硬件方式和软件方式。硬件方式是在电路拓扑结构上做些变动，例如：a、在直流侧和电容器之间加入换流器，使得直流侧中点电流直接流入换流器，而不再经过电容；b、在直流电源和电容之间并联接入两个电阻，利用两个等值电阻来强制性的分压，考虑到电压精度和电源自身的功耗，该方法并不可取。软件方式主要是在设计控制策略时，考虑到各类矢量对中点电位影响的不同，特别是正、负小矢量对其影响刚好是相反的，从这个角度出发，加入一些可行性的措施来调节各类矢量的作用时间来减小或者完全控制中点电位波动，来控制中点电位平衡的。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于优化虚拟空间矢量的多电平逆变器中点电位平衡闭环控制***方案，以实现对直流侧电容中点电压波动的有效控制，进而避免了由于开关管承受的电压应力不同所导致的开关管损坏，以及输出电压的谐波失真。
本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：多电平逆变器优化虚拟矢量中点电位平衡闭环控制***：
步骤一、信号的调理：对利用传感器采样得到的逆变器输出端三相电压、电流分量，以及直流侧分压电容电压值，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；
步骤二、控制器的设计：
a、求取补偿量 ：将步骤一中得到的信号输入DSP进行A/D变换，数字量化之后对分压电容电压进行处理，分别得到中点电位的偏移量和直流侧母线电压值，经过一个低通补偿器得到对应的补偿量，由与其期望值得到误差量，经过一个补偿器即可得到的期望值；
b、参考空间电压矢量夹角的获取：通过过零点检测器对线电压进行检测处理，记录下每个周期过零点的时间间隔，计算得到参考空间电压矢量与轴的夹角；
c、参考电压矢量的计算：利用上一步骤得到的夹角对三相电流信号进行3s/2r变换，设定，将三相电流信号与其期望值进行比较得到误差 ，经过一个补偿器的处理，在进行误差比较时利用对进行解耦处理，将两者的处理结果进行比较即可得到参考电压空间矢量的分量,进而得到参考电压矢量的模长和夹角，进而根据关系式，即可得到角度；
d、负载位移角的在线估计：利用三相电流分量得到，即可得到负载位移角的值；
步骤三、调制器的设计：
a、占空比的在线估算：利用步骤二中得到的物理量（、、、），通过对K值查表以及的定义式得到在两相旋转坐标系下的占空比：、、、、、，并利用角度对其进行2r/3s变换得到三相静止坐标系下的占空比：、、、、、；
b、占空比的修正：利用步骤二中得到的补偿量对步骤三中得到的占空比进行补偿修正，得到、、、、、；
步骤四、调制分配器的设计：利用步骤三中得到的修正后的占空比，通过调制分配器来产生能够有效抑制直流侧中点电位波动的多路控制信号，来调节由三相开关器件IGBT、IGCT组合形成的各种开关状态的导通与关断的作用时间长度，用来驱动多电平逆变器的开关器件，产生没有谐波失真的输出信号，最终使整个交流调速***能够正常地运行工作。
本发明有益效果为：对于传统的控制方案，不能够对中点电位进行有效地控制，导致输出电压的谐波失真，严重时还会致使交流调速***无法正常运行。目前已有的控制方案有：、、，这些控制方案也能够在一定范围内对直流侧中点电位进行局部控制，但是并不能在全局范围内对其进行有效地控制。采用该控制方案，在有效地降低直流侧电容容值的前提下，该控制方案可以产生低谐波失真的输出电压；同时，根据直流侧中点电位的反馈量来循环改变控制器的控制信号，对中点电压的不平衡进行快速地控制；另外，引入了对负载位移角的在线估计环节，使整个控制方案也兼顾到了负载对直流侧中点电位平衡的影响。整个控制方案几乎完全考虑到了影响直流侧中点电位平衡的因素，故可以在全局范围内对直流侧中点电位进行有效地控制。
附图说明
附图1为二极管箝位型三电平逆变器中点电位平衡闭环控制***框图。
附图2为控制器设计方案框图。
附图3为调制器设计方案框图。
附图4为NPC三电平逆变器直流侧中点电位平衡闭环控制流程图。
具体实施方式
如图所示，多电平逆变器优化虚拟矢量中点电位平衡闭环控制***：
步骤一、信号的调理：对利用传感器采样得到的逆变器输出端三相电压、电流分量，以及直流侧分压电容电压值，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；
步骤二、控制器的设计：
a、求取补偿量：将步骤一中得到的信号输入DSP进行A/D变换，数字量化之后对分压电容电压进行处理，分别得到中点电位的偏移量和直流侧母线电压值，并由偏移量经过一个低通补偿器得到对其的补偿量，以及由与比较得到误差量，经补偿器的处理即可得到的期望值；
b、参考电压矢量夹角的获取：对步骤一中检测得到的线电压经过过零点检测器的处理，记录下每个周期过零点的时间间隔，进而得到参考空间电压矢量与轴的相位角；
c、参考电压矢量的计算：利用上一步骤得到的夹角对三相电流信号进行3s/2r变换，设定，将三相电流信号与其期望值进行比较得到误差 ，经过一个补偿器的处理，在进行误差比较时利用对进行解耦处理，将两者的处理结果进行比较即可得到参考电压空间矢量的分量,进而得到参考电压矢量的模长和夹角，进而根据关系式，即可得到角度；
d、负载位移角的在线估计：利用三相电流分量得到，即可得到负载位移角的值；
步骤三、调制器的设计：
a、占空比的在线估算：利用步骤二中得到的物理量（、、、），通过对K值查表以及的定义式得到在两相旋转坐标系下的占空比：、、、、、，并利用角度对其进行2r/3s变换得到三相静止坐标系下的占空比：、、、、、；
b、修正后的占空比：利用步骤二中得到的补偿量对步骤三中得到的占空比进行补偿修正，得到、、、、、；
步骤四、调制分配器的设计：利用步骤三中得到的占空比（修正后的）通过调制分配器来产生能够有效抑制直流侧中点电位波动的多路控制信号，来调节由三相开关器件（IGBT、IGCT）组合形成的各种开关状态的导通与关断的作用时间长度，用来驱动多电平逆变器的开关器件，产生没有谐波失真的输出信号——电压、电流，最终使整个交流调速***能够正常地运行工作。
首先，分析多电平逆变器直流侧中点电位不平衡的机理，得知其拓扑结构、控制策略、分压电容的制造工艺和负载情况等诸多因素均会导致该现象的出现。在此，从各个基本空间矢量对中点电位影响不同的角度出发，另外兼顾到负载因素，由此来设计基于优化虚拟空间矢量的中点电位平衡闭环控制***，见附图1所示，闭环控制***主要包含多电平逆变器、滤波电路、负载、控制器、调制器以及调制波分配器；
其次，控制器设计，见附图2所示：
a、求取补偿量：将经过检测调理得到的信号输入DSP进行A/D变换，数字量化之后对分压电容电压进行处理，分别得到中点电位的偏移量和直流侧母线电压值，经过一个低通补偿器得到对应的补偿量，由与其期望值得到误差量，经过一个补偿器即可得到的期望值；
b、参考空间电压矢量夹角的获取：通过过零点检测器对线电压进行检测处理，记录下过零点的时间周期，进而计算得到参考空间电压矢量与轴的夹角；
c、参考电压矢量的计算：利用上一步骤得到的夹角对三相电流信号进行3s/2r变换，设定，将三相电流信号与其期望值进行比较得到误差 ，经过一个补偿器的处理，在进行误差比较时利用对进行解耦处理，将两者的处理结果进行比较即可得到参考电压空间矢量的分量,进而得到参考电压矢量的模长和夹角，进而根据关系式，即可得到角度；
d、负载位移角的在线估计：利用三相电流分量得到，继而得到负载位移角；
再次，调制器的设计，见附图3所示：
a、占空比的在线估算：利用、、、等物理量，通过对K值查表以及的定义式得到在两相旋转坐标系下的占空比：、、、、、。并利用角度对其进行2r/3s变换得到三相静止坐标系下的占空比：、、、、、；
b、占空比的修正：利用补偿量对占空比进行补偿修正，得到、、、、、；
步骤四、调制分配器的设计：利用步骤三中得到的占空比（修正后的）通过调制分配器来产生能够有效抑制直流侧中点电位波动的多路控制信号，来调节由三相开关器件（IGBT、IGCT）组合形成的各种开关状态的导通与关断的作用时间长度，用来驱动多电平逆变器的开关器件，产生没有谐波失真的输出信号——电压、电流，最终使整个交流调速***能够正常地运行工作。
Claims (1)
1.多电平逆变器优化虚拟矢量中点电位平衡闭环控制***，其特征在于：
步骤一、信号的调理：对利用传感器采样得到的逆变器输出端三相电压、电流分量，以及直流侧分压电容电压值，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；
步骤二、控制器的设计：
a、求取补偿量 ：将步骤一中得到的信号输入DSP进行A/D变换，数字量化之后对分压电容电压进行处理，分别得到中点电位的偏移量和直流侧母线电压值，经过一个低通补偿器得到对应的补偿量，由与其期望值得到误差量，经过一个补偿器即可得到的期望值；
b、参考空间电压矢量夹角的获取：通过过零点检测器对线电压进行检测处理，记录下每个周期过零点的时间间隔，计算得到参考空间电压矢量与轴的夹角；
c、参考电压矢量的计算：利用上一步骤得到的夹角对三相电流信号进行3s/2r变换，设定，将三相电流信号与其期望值进行比较得到误差、，经过一个补偿器的处理，在进行误差比较时利用对进行解耦处理，将两者的处理结果进行比较即可得到参考电压空间矢量的分量,进而得到参考电压矢量的模长和夹角，进而根据关系式，即可得到角度；
d、负载位移角的在线估计：利用三相电流分量、参考电压矢量的夹角，得到，即可得到负载位移角的值；
步骤三、调制器的设计：
a、占空比的在线估算：利用步骤二中得到的物理量（、、、），通过对K值查表以及的定义式得到在两相旋转坐标系下的占空比：、、、、、，并利用角度对其进行2r/3s变换得到三相静止坐标系下的占空比：、、、、、；
b、占空比的修正：利用步骤二中得到的补偿量对步骤三中得到的占空比进行补偿修正，得到、、、、、；
步骤四、调制分配器的设计：利用步骤三中得到的修正后的占空比，通过调制分配器来产生能够有效抑制直流侧中点电位波动的多路控制信号，来调节由三相开关器件IGBT、IGCT组合形成的各种开关状态的导通与关断的作用时间长度，用来驱动多电平逆变器的开关器件，产生没有谐波失真的输出信号，最终使整个交流调速***能够正常地运行工作。
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