CN103414366B - Npc三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法 - Google Patents

Npc三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法。光伏并网逆变器采用中点钳位型三电平逆变电路，易造成中点电位的不平衡；软件控制算法通过对中点进行滞环比较的控制方式也未完全消除中点电位的低频波动；注入零序电压的控制算法相对复杂。NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：取光伏逆变器直流侧母线电压的一半和中点电压的差值大小，通过PI调节器得到当前开关周期需要向中点注入的电流值，以空间矢量脉宽调制中各扇区冗余小矢量的作用时间作为调制手段，计算出一个开关周期内冗余小矢量的分配比例。本发明在现有的硬件条件下消除二极管钳位型三电平中点电位的直流偏置和低频波动，实现中点平衡。

Description

NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法
技术领域
本发明涉及一种二极管钳位型(NPC)三电平逆变电路直流侧中点电位波动的控制方法，具体涉及一种NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法。
背景技术
很多光伏并网逆变器采用中点钳位型三电平逆变电路，输入侧采用电容分压，可为逆变器的输出增加一个电平，使逆变输出的PWM波形较传统两电平更接近三相电网电压的正弦波形。由于直流侧中点有电流的流入流出，容易造成中点电位的不平衡，给逆变器的性能和安全带来十分不利的影响，因此必须通过适当的控制消除中点电位不平衡。目前软件控制算法研究较为广泛，有些是通过对中点进行滞环比较的控制方式将中点电位控制在一定范围内波动，这种方法简单易行，但是没有完全消除中点电位的低频波动。也有研究表明可以通过注入零序电压的办法将中点电流控制为零从而实现中点电位的平衡，这种方法完全可以消除中点电位的低频波动、取得更好的控制效果，但是注入零序电压的控制算法相对复杂、不易于在工程中应用，且在每一相调制电压过零点附近会出现零序电压计算不准确的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，现有硬件的条件下既能够消除二极管钳位型三电平中点电位的直流偏置和低频波动、实现中点平衡，又能够使控制算法简单易行、准确无误。
为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：
NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，取光伏逆变器直流侧母线电压的一半和中点电压的差值大小，通过PI调节器得到当前开关周期需要向中点注入的电流值，以空间矢量脉宽调制(SVPWM)中各扇区冗余小矢量的作用时间作为调制手段，定量的计算出一个开关周期内冗余小矢量的分配比例，使中点电流跟随维持中点电位平衡的给定；如果中点电位不存在直流偏置时，只需要在每个开关周期内将中点电流控制为0即可维持中点电位平衡，消除三电平中点电位的低频波动。
上述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，
判断空间矢量脉宽调制(SVPWM)各扇区的具体步骤如下：
在光伏逆变器运行时，控制芯片会通过采样电路得到三相电感电流Ia、Ib、Ic，并通过计算得到小矢量V1、V2和中矢量V7的作用时间分别为tV1、tV2和tV7，它们作用时中点对应的电流分别为Ia、Ic和Ib。
(1)、如果参考电压矢量在小三角形1内(调制度m≤0.5)，若Ia·tV1+Ic·tV2＞0，则选择V1作为调节冗余小矢量，否则选择V2作为调节冗余小矢量；
(2)、如果参考电压矢量在小三角形3内(调制度0.5＜m＜1)，若Ia·tV1+Ic·tV2-Ib·tV7＞0，则选择V1作为调节冗余小矢量，否则选择V2作为调节冗余小矢量。
在小三角形1区内：
以V1作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
以V2作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明能够在不改动现有硬件的条件下能够消除NPC型三电平中点电位的直流偏置和低频波动，最终实现中点平衡，改善了输出电流质量，且控制算法简单易行、不存在计算不准的情况；所提冗余小矢量选择判据在功率因素不为1情况下充分挖掘了冗余小矢量的对中点电位的调节能力，最大限度的实现中点电位的平衡。
附图说明
图1为本发明所采用的电路拓扑结构；
图2为三电平逆变器输出矢量空间图；
图3为三电平逆变器输出矢量空间图第Ⅰ扇区；
图4为三电平SVPWM的矢量空间图从第一扇区至第六扇区所对应的三相电感电流波形(功率因素为1)。
图5为m＝0.4，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量作用时间大小为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数k的仿真波形；
图6为m＝0.4，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量注入电荷多少为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数k的仿真波形；
图7为m＝0.8，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量作用时间大小为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数k的仿真波形；
图8为m＝0.8，电感电流超前参考电压20°时，采用小矢量注入电荷多少为判据的三相电压调制波与冗余小矢量分配系数k的仿真波形；
图9为光伏逆变器在0.1s切换至本发明控制方法的调制波、电感电流和中点电压仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，光伏并网逆变器的前级为两路并联的boost电路，后级为二极管中点钳位型三电平逆变电路。
参见图2，NPC三电平电路工作时，每个桥臂有三种工作状态：P、O、N，如果是在三相***中总共就有33＝27种工作状态。在α-β坐标系上，每一种工作状态都对应一个电压矢量，把所有的27个电压矢量放在一起可以组成一个三电平电路的空间电压矢量分布图。
参见图3，三电平逆变电路通常采用SVPWM控制算法，将逆变器所能输出的电平状态组合用矢量图的形式表示，通过计算的方法得出各相调制波的占空比值。图示为经典扇区划分方法下SVPWM在第一扇区的情况，按照最近三矢量原则和中心对称的七段式SVPWM调制原则，可充分利用多电平电路的输出电压畸变小的特性同时使电路的开关损耗最小化。
参见图4，三电平SVPWM的矢量空间图从第一扇区至第六扇区所对应的三相电感电流波形(功率因素为1)。在区间(第一扇区内)，V1矢量对应的作用时间tV1在减小，对中点贡献的电流绝对值|Ia|在减小，V2矢量对应的作用时间tV2在增大，对中点贡献的电流绝对值|Ic|也在增大。所以必然可以在每个开关周期找出对中点注入电荷能力强的冗余小矢量，进而实现中点电位的平衡。若将电感电流和参考电压的相差限定在±30°以内，可以保证在同一扇区内冗余小矢量引起的中点电流不变号，且由中矢量所引起的中点电流绝对值最小，有利于控制算法的简化并取得较优的控制效果。
参见图5，搭建***仿真模型，在m＝0.4，电感电流超前参考电压20°情况下，采用小矢量作用时间大小为判据，三相电压调制波出现了跳变，同时冗余小矢量分配系数k也被限制为极限值±1。
参见图6，在m＝0.4，电感电流超前参考电压20°情况下，若采用小矢量注入电荷多少为判据，可以消除三相电压调制波由k调至极限引起的跳变，仍具有使中点电流仍然保持为零的能力，降低输出电流的谐波畸变率。
参见图7，在m＝0.8，电感电流超前参考电压20°情况下，采用小矢量作用时间大小为判据，三相电压调制波出现了跳变，同时冗余小矢量分配系数k也被限制为极限值±1。
参见图8，在m＝0.8，电感电流超前参考电压20°情况下，若采用小矢量注入电荷多少为判据，可以消除三相电压调制波由k调至极限引起的跳变，仍具有使中点电流仍然保持为零的能力，降低输出电流的谐波畸变率。
参见图9，在0.1s处施加本发明的参考电压-电感电流-中点电压仿真波形，直流母线电压为650V，中点平衡电压为325V。
实施例：
参见图1、将光伏逆变器连接好之后，由于控制芯片会通过采样电路得到三相电感电流Ia、Ib、Ic，并通过计算得到能影响中点电位的小矢量V1、V2和中矢量V7的作用时间分别为tV1、tV2和tV7，它们作用时中点对应的电流分别为Ia、Ic和Ib。可以做如下操作，参见图3：
若m≤0.5，参考电压位于第一扇区小三角形1内：
(1)若Ia·tV1+Ic·tV2＞0，则选择V1作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流Io，计算出冗余小矢量的分配系数
(2)若Ia·tV1+Ic·tV2≤0，则选择V2作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流Io，计算出冗余小矢量的分配系数
若0.5＜m＜1，参考电压位于第一扇区小三角形3内：
(1)若Ia·tV1+Ic·tV2-Ib·tV7＞0，则选择V1作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流I0，计算出冗余小矢量的分配系数
(2)若Ia·tV1+Ic·tV2-Ib·tV7≤0，则选择V2作为调节冗余小矢量，根据中点所需电流Io，计算出冗余小矢量的分配系数
小三角形2和4区域只有一对冗余小矢量，不存在选取问题。
各个扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据和分配系数k如下：
1、按照上述方法，第Ⅰ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表1第Ⅰ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据
A1 iA·t1≥-iC·t2
A2 iA·t1＜-iC·t2
C1 iA·t0+iC·t1-iB·t2≥0
C2 iA·t0+iC·t1-iB·t2＜0
各区域的分配系数k如下：
表2第Ⅰ扇区小矢量分配比例
2、按照上述方法，第Ⅱ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：表3第Ⅱ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据
A1 -iC·t1≥iB·t2
A2 -iC·t1＜iB·t2
C1 iB·t1+iC·t0-iA·t2≤0
C2 iB·t1+iC·t0-iA·t2＞0
各区域的分配系数k如下：
表4第Ⅱ扇区小矢量分配比例
3、按照上述方法，第Ⅲ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表5第Ⅲ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据
A1 iB·t1≥-iA·t2
A2 iB·t1＜-iA·t2
C1 iB·t0+iA·t1-iC·t2≥0
C2 iB·t0+iA·t1-iC·t2＜0
各区域的分配系数k如下：
表6第Ⅲ扇区小矢量分配比例
4、按照上述方法，第Ⅳ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表7第Ⅳ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据
A1 -iA·tt≥iC·t2
A2 -iA·t1＜iC·t2
C1 iC·t1+iA·t0-iB·t2≤0
C2 iC·t1+iA·t0-iB·t2＞0
各区域的分配系数k如下：
表8第Ⅳ扇区小矢量分配比例
5、按照上述方法，第Ⅴ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表9第Ⅴ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据
A1 iC·t1≥-iB·t2
A2 iC·t1＜-iB·t2
C1 iC·t0+iB·t1-iAt2≥0
C2 iC·t0+iB·t1-iA·t2＜0
各区域的分配系数k如下：
表10第Ⅴ扇区小矢量分配比例
6、按照上述方法，第Ⅵ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：表11第Ⅵ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据
A1 -iB·t1≥iA·t2
A2 -iB·t1＜iA·t2
C1 iA·t1+iB·t0-iC·t2≤0
C2 iA·t1+iB·t0-iC·t2＞0
各区域的分配系数k如下：
表12第Ⅵ扇区小矢量分配比例

Claims (7)

1.NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：取光伏逆变器直流侧母线电压的一半和中点电压的差值大小，通过PI调节器得到当前开关周期需要向中点注入的电流值，以空间矢量脉宽调制中各扇区冗余小矢量的作用时间作为调制手段，定量地计算出一个开关周期内冗余小矢量的分配比例；如果中点电位不存在直流偏置时，只需要在每个开关周期内将中点电流控制为0即能够维持中点电位平衡，消除三电平中点电位的低频波动；
判断空间矢量脉宽调制各扇区的具体步骤如下：
在光伏逆变器运行时，控制芯片会通过采样电路得到三相电感电流iA、iB、iC，并通过计算得到小矢量V1、V2和中矢量V7的作用时间分别为t1、t2和t7，它们作用时中点对应的电流分别为iA、iC和iB；
(1)如果参考电压矢量在小三角形A内，调制度m≤0.5，若iA·t1+iC·t2＞0，则选择V1作为调节冗余小矢量，否则选择V2作为调节冗余小矢量；
(2)如果参考电压矢量在小三角形C内，调制度0.5＜m＜1，若iA·t1+iC·t2-iB·t7＞0，则选择V1作为调节冗余小矢量，否则选择V2作为调节冗余小矢量；
在小三角形A区内：
以V1作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
以V2作为调节冗余小矢量的电压矢量顺序：
2.根据权利要求1所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照所述控制方法，第Ⅰ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表1第Ⅰ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据 A1 iA·t1≥-iC·t2 A2 iA·t1＜-iC·t2 C1 iA·t0+iC·t1-iB·t2≥0 C2 iA·t0+iC·t1-iB·t2＜0
各区域的分配系数k如下：
表2第Ⅰ扇区小矢量分配比例
3.根据权利要求1所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照所述控制方法，第Ⅱ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表3第Ⅱ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据 A1 -iC·t1≥iB·t2 A2 -iC·t1＜iB·t2 C1 iB·t1+ic·t0-iA·t2≤0 C2 iB·t1+iC·t0-iA·t2＞0
各区域的分配系数k如下：
表4第Ⅱ扇区小矢量分配比例
4.根据权利要求1所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照所述控制方法，第Ⅲ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表5第Ⅲ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据 A1 iB·t1≥-iA·t2 A2 iB·t1＜-iA·t2 C1 iB·t0+iA·t1-iC·t2≥0 C2 iB·t0+iA·t1-iC·t2＜0
；
各区域的分配系数k如下：
表6第Ⅲ扇区小矢量分配比例
5.根据权利要求1所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照所述控制方法，第Ⅳ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表7第Ⅳ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据 A1 -iA·t1≥iC·t2 A2 -iA·t1＜iC·t2 C1 ic·t1+iA·t0-iB·t2≤0 C2 iC·t1+iA·t0-iB·t2＞0
各区域的分配系数k如下：
表8第Ⅳ扇区小矢量分配比例
6.根据权利要求1所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照所述控制方法，第Ⅴ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表9第Ⅴ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据 A1 ic·t1≥-iB·t2 A2 iC·t1＜-iB·t2 C1 iC·t0+iB·t1-iA·t2≥0 C2 iC·t0+iB·t1-iA·t2＜0
；
各区域的分配系数k如下：
表10第Ⅴ扇区小矢量分配比例
7.根据权利要求1所述的NPC三电平结构中直流侧中点电位平衡的控制方法，其特征在于：按照所述控制方法，第Ⅵ扇区的A和C三角形区域切换合成方式的判断依据如下：
表11第Ⅵ扇区中A和C三角形区域切换矢量合成方式判据
三角形区域 合成方式切换判据 A1 -iB·t1≥iA·t2 A2 -iB·t1＜iA·t2 C1 iA·t1+iB·t0-iC·t2≤0 C2 iA·t1+iB·t0-iC·t2＞0
各区域的分配系数k如下：
表12第Ⅵ扇区小矢量分配比例
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