CN103414367A - 一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法及其装置,属于电力电子功率变换器技术领域。本发明将二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电容和直流侧中点分开,并在中点的两端分别串联一个电压发生装置中的变压器的副边绕组,由电压发生装置对直流侧突变的电压和中点波动的电压进行实时的补偿,使二极管箝位式三电平逆变器的直流侧电压保持稳定且三相桥臂中点电压保持在直流侧电压的一半左右,直流侧电压突变和直流侧中点电压波动在二极管箝位式三电平逆变器正常工作允许范围内。本发明装置结构简单、控制精度和同步性都较高。
Description
技术领域
本发明属于电力电子功率变换器技术领域,更准确地说,本发明涉及一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法及其装置。
背景技术
随着风力发电技术的广泛应用,二极管箝位式三电平逆变器因为其自身有着谐波含量小、效率高、输出电压高、功率大等优点,所以开始广泛运用于风力发电领域。风力发电中的低压穿越问题一直是风力发电技术中研究的热点。当电网电压跌落时,会导致逆变器直流侧电压突变上升,从而影响逆变器的正常工作。
除此之外,二极管箝位式三电平逆变器还有中点电压波动的缺点,这一缺点大大限制了其运用的范围。二极管箝位式三电平逆变器直流侧的两个直流电容电压通常应该各为直流侧电压的一半。由于电容值有限,中点电流对电容充放电会使直流侧中点电压产生波动,同时直流侧中点电压还会随着二极管箝位式三电平逆变器的运行条件而改变,导致二极管箝位式三电平逆变器即使在正常工作时,直流侧中点电压和三相桥臂中点电压波动过大,造成三电平逆变器上下桥臂电压分布不均,从而导致上下桥臂的开关器件电压应力严重不均衡和逆变器输出电压THD大增。要确保二极管箝位式三电平逆变器在风力发电领域中长期、可靠地运行,必须保证直流侧电压和三相桥臂箝位二极管公共中点电压的波动在一定的范围内。
基于以上两点,研究一套能抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法及其装置,在实际工业应用中是非常必要的。
中国专利申请“201210535860.6”提出了一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的方法及其装置,虽然该技术方案能够解决抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动的问题,但由于该技术方案只采用了一个电压发生装置,且该电压发生装置串联在直流侧中点和三相桥臂之间,所以只能对直流侧中点电压波动进行抑制,而无法解决直流侧电压也会发生突变和波动的难题。
发明内容
本发明的目的是:针对上述现有技术的不足,提供了一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法及其装置。
具体地说,本发明的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法,是采用以下的技术方案来实现的:先将二极管箝位式三电平逆变器(12)的直流侧电容和直流侧中点分开,并在中点的两端分别串联第一电压发生装置和第二电压发生装置,并将各电压发生装置中的变压器的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)的直流侧电容和直流侧中点之间,然后通过控制电路驱动各电压发生装置产生补偿电压,抑制二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压的突变和直流侧中点电压的波动。
上述方法的进一步特征在于:所述第一电压发生装置由第一单相全桥逆变电路(1)、第一滤波电容(5)、第一滤波电感(3)、第一变压器(7)组成;第一单相全桥逆变电路(1)和第一滤波电感(3)分别和第一变压器(7)的原边串联,第一滤波电容(5)并联于第一变压器(7)的原边,第一变压器(7)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和下端直流侧电容之间;所述第二电压发生装置由第二单相全桥逆变电路(2)、第二滤波电容(6)、第二滤波电感(4)、第二变压器(8)组成;第二单相全桥逆变电路(2)和第二滤波电感(4)分别和第二变压器(8)的原边串联,第二滤波电容(6)并联于第二变压器(8)的原边,第二变压器(8)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和上端直流侧电容之间;第一单相全桥逆变电路(1)直流侧和第二单相全桥逆变电路(2)的直流侧均与直流电源(9)并联;所述控制电路包括PWM控制器(10)、IGBT驱动电路(11)、第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第一补偿电压传感器(16)组成,第一直流侧中点电压传感器(13)和第二直流侧中点电压传感器(14)分别并联于二极管箝位式三电平逆变器(12)上下端直流侧电容处,第一补偿电压传感器(15)并联于第一变压器(7)的原边绕组,第二补偿电压传感器(16)并联于第二变压器(8)的原边绕组;第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)的输出信号经过PWM控制器(10), PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号,为第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT提供驱动信号,并由IGBT驱动电路(11)驱动第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT工作,使第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)产生补偿电压,抑制二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压突变及其中点电压波动。
上述方法的进一步特征在于,PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号的过程如下:当二极管箝位式三电平逆变器(12)带负载运行时,二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压发生突变、其中点电压发生波动,此时由第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)分别检测出直流侧电容中点实际电压U n、补偿实际输出电压U c,输入给PWM控制器(10);再由PWM控制器(10)中的DSP芯片用0.5倍的直流侧给定电压U dc减去U n得出补偿指令电压信号U c*,并用U c*减去U c得到U c*与U c的输出误差信号△U c;最后输出误差信号△U c经过PID控制的三角波调制,得到2组、每组4个、总共8个独立的PWM信号。
本发明采用权利要求1所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动方法构建的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的装置,是采用以下的技术方案来实现的:包括第一电压发生装置、第二电压发生装置、直流电源(9)和控制电路,其中,所述第一电压发生装置由第一单相全桥逆变电路(1)、第一滤波电容(5)、第一滤波电感(3)、第一变压器(7)组成;第一单相全桥逆变电路(1)和第一滤波电感(3)分别和第一变压器(7)的原边串联,第一滤波电容(5)并联于第一变压器(7)的原边,第一变压器(7)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和下端直流侧电容之间;所述第二电压发生装置由第二单相全桥逆变电路(2)、第二滤波电容(6)、第二滤波电感(4)、第二变压器(8)组成;第二单相全桥逆变电路(2)和第二滤波电感(4)分别和第二变压器(8)的原边串联,第二滤波电容(6)并联于第二变压器(8)的原边,第二变压器(8)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和上端直流侧电容之间;第一单相全桥逆变电路(1)直流侧和第二单相全桥逆变电路(2)的直流侧均与直流电源(9)并联;所述控制电路包括PWM控制器(10)、IGBT驱动电路(11)、第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第一补偿电压传感器(16)组成,第一直流侧中点电压传感器(13)和第二直流侧中点电压传感器(14)分别并联于二极管箝位式三电平逆变器(12)上下端直流侧电容处,第一补偿电压传感器(15)并联于第一变压器(7)的原边绕组,第二补偿电压传感器(16)并联于第二变压器(8)的原边绕组;第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)的输出信号经过PWM控制器(10), PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号,为第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT提供驱动信号,并由IGBT驱动电路(11)驱动第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT工作,使第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)产生补偿电压,抑制二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压突变及其中点电压波动。
上述装置的进一步特征在于,所述PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号的过程如下:当二极管箝位式三电平逆变器(12)带负载运行时,二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压发生突变、其中点电压发生波动,此时由第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)分别检测出直流侧电容中点实际电压U n、补偿实际输出电压U c,输入给PWM控制器(10);再由PWM控制器(10)中的DSP芯片用0.5倍的直流侧给定电压U dc减去U n得出补偿指令电压信号U c*,并用U c*减去U c得到U c*与U c的输出误差信号△U c;最后输出误差信号△U c经过PID控制的三角波调制,得到2组、每组4个、总共8个独立的PWM信号。
上述装置的进一步特征在于:所述PWM控制器(10)中的DSP芯片为TMS320F2812。
本发明的有益效果如下:本发明提出的装置和方法采用了两个电压发生装置,分别串联在直流侧的上端和下端,可同时对直流侧电压和直流侧中点电压进行补偿,不仅能有效的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧中点电压波动,还能抑制直流侧电压的波动,提高了装置的利用效率。本方法及其装置额外采用有源补偿的方式,不改变二极管箝位式三电平逆变器的控制方法,可以对直流侧中点的电压偏移进行实时的、精确的补偿,因此对直流侧电压偏移的抑制能力强,优化了二极管箝位式三电平逆变器输出波形的质量。此外,本装置的控制算法简单,对用于控制算法计算硬件要求较低,提高了计算的速度和***的实时性。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为本发明的电压发生装置的原理图。
图3是本发明的控制策略示意图。
以上图中:1为第一单相全桥逆变电路,2为第二单相全桥逆变电路, 3为第一滤波电感、4为第二滤波电感,5为第一滤波电容,6为第二滤波电容,7为第一变压器,8为第二变压器,9为直流电源,10为 PWM控制器,11为IGBT驱动电路,12为二极管箝位式三电平逆变器,13为第一直流侧中点电压传感器,14为第二直流侧中点电压传感器,15为第一补偿电压传感器,16为第二补偿电压传感器。 U n为直流侧中点实际电压,U dc为直流侧给定电压,U c*为补偿指令电压,U c为实际输出补偿电压,△U c为U c*与U c的误差电压。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
如图1至图3示出了本发明一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法及其装置的具体实施方式,本抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法及其装置的实现方法由单相全桥逆变电路、变压器组成的电路和检测控制***组成。
参见图1、图2,该装置包括第一单相全桥逆变电路1、第二单相全桥逆变电路2、直流电源9,第一滤波电容5、第二滤波电容6,第一滤波电感3、第二滤波电感4、第一变压器7、第二变压器8、PWM控制器10、IGBT驱动电路11、第一直流侧中点电压传感器13、第二直流侧中点电压传感器14,第一补偿电压传感器15、第二补偿电压传感器16、二极管箝位式三电平逆变器12。
直流电源9并联于第一单相全桥逆变电路1、第二单相全桥逆变电路2的直流侧,第一单相全桥逆变电路1和第一滤波电感3分别和第一变压器7的原边串联,第一滤波电容5并联于变压器7的原边,第一变压器7的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器12直流侧中点和下端直流侧电容之间。第二单相全桥逆变电路2和第二滤波电感4分别和第二变压器8的原边串联,第二滤波电容6并联于第二变压器8的原边,第二变压器8的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器12直流侧中点和上端直流侧电容之间。
第一直流侧中点电压传感器13、第二直流侧中点电压传感器14分别并联于二极管箝位式三电平逆变器12直流侧上下端电容处,第一补偿电压传感器15、第二补偿电压传感器16分别并联于第一变压器7、第二变压器8的一个原边绕组;第一直流侧中点电压传感器13、第二直流侧中点电压传感器14、第一补偿电压传感器15、第二补偿电压传感器16的输出信号经过PWM控制器10产生IGBT驱动信号。
该方法为:当二极管箝位式三电平逆变器12带负载运行时,二极管箝位式三电平逆变器12直流侧电压发生突变和直流侧中点电压发生偏移;第一直流侧中点电压传感器13、第二直流侧中点电压传感器14、第一补偿电压传感器15、第二补偿电压传感器16分别检测出直流侧中点电压信号、补偿电压信号,输入PWM控制器10,以计算需要的输出误差信号与补偿指令电压信号,PWM控制器10中的DSP芯片计算出2组独立的PWM信号,每组4个独立的PWM信号,为两个单相全桥逆变电路的8个IGBT提供驱动信号,由IGBT驱动电路11驱动两个单相全桥逆变电路的8个IGBT工作使两个单相全桥逆变电路产生补偿电压,抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动。
参见图3,图3为抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动发生装置的控制策略的实现方法,第一直流侧中点电压传感器13、第二直流侧中点电压传感器14、第一补偿电压传感器15、第二补偿电压传感器16分别检测出直流侧电容中点实际电压U n、补偿实际输出电压U c,输入PWM控制器10,PWM控制器10中的DSP芯片用0.5倍的直流侧给定电压U dc减去U n得出补偿指令电压信号U c*,再用U c*减去U c得到△U c即U c*与U c的输出误差信号,输出误差信号△U c经过PID控制的三角波调制,得到PWM信号。
本发明采用TI公司TMS320F2812芯片作为PWM控制器的主要芯片,该DSP芯片TMS320F2812具有2个PWM模块,每个模块可以输出6个独立的PWM信号,可以满足装置8个独立的PWM控制信号的需要。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内,所做的任何等效变化或润饰,同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (6)
1.一种抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法,其特征在于:先将二极管箝位式三电平逆变器(12)的直流侧电容和直流侧中点分开,并在中点的两端分别串联第一电压发生装置和第二电压发生装置,并将各电压发生装置中的变压器的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)的直流侧电容和直流侧中点之间,然后通过控制电路驱动各电压发生装置产生补偿电压,抑制二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压的突变和直流侧中点电压的波动。
2.根据权利要求1所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法,其特征在于:
所述第一电压发生装置由第一单相全桥逆变电路(1)、第一滤波电容(5)、第一滤波电感(3)、第一变压器(7)组成;第一单相全桥逆变电路(1)和第一滤波电感(3)分别和第一变压器(7)的原边串联,第一滤波电容(5)并联于第一变压器(7)的原边,第一变压器(7)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和下端直流侧电容之间;
所述第二电压发生装置由第二单相全桥逆变电路(2)、第二滤波电容(6)、第二滤波电感(4)、第二变压器(8)组成;第二单相全桥逆变电路(2)和第二滤波电感(4)分别和第二变压器(8)的原边串联,第二滤波电容(6)并联于第二变压器(8)的原边,第二变压器(8)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和上端直流侧电容之间;
第一单相全桥逆变电路(1)直流侧和第二单相全桥逆变电路(2)的直流侧均与直流电源(9)并联;
所述控制电路包括PWM控制器(10)、IGBT驱动电路(11)、第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第一补偿电压传感器(16)组成,第一直流侧中点电压传感器(13)和第二直流侧中点电压传感器(14)分别并联于二极管箝位式三电平逆变器(12)上下端直流侧电容处,第一补偿电压传感器(15)并联于第一变压器(7)的原边绕组,第二补偿电压传感器(16)并联于第二变压器(8)的原边绕组;第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)的输出信号经过PWM控制器(10), PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号,为第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT提供驱动信号,并由IGBT驱动电路(11)驱动第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT工作,使第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)产生补偿电压,抑制二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压突变及其中点电压波动。
3.根据权利要求2所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的方法,其特征在于,PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号的过程如下:
当二极管箝位式三电平逆变器(12)带负载运行时,二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压发生突变、其中点电压发生波动,此时由第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)分别检测出直流侧电容中点实际电压U n、补偿实际输出电压U c,输入给PWM控制器(10);再由PWM控制器(10)中的DSP芯片用0.5倍的直流侧给定电压U dc减去U n得出补偿指令电压信号U c*,并用U c*减去U c得到U c*与U c的输出误差信号△U c;最后输出误差信号△U c经过PID控制的三角波调制,得到2组、每组4个、总共8个独立的PWM信号。
4.采用权利要求1所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动方法构建的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的装置,其特征在于,包括第一电压发生装置、第二电压发生装置、直流电源(9)和控制电路,其中:
所述第一电压发生装置由第一单相全桥逆变电路(1)、第一滤波电容(5)、第一滤波电感(3)、第一变压器(7)组成;第一单相全桥逆变电路(1)和第一滤波电感(3)分别和第一变压器(7)的原边串联,第一滤波电容(5)并联于第一变压器(7)的原边,第一变压器(7)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和下端直流侧电容之间;
所述第二电压发生装置由第二单相全桥逆变电路(2)、第二滤波电容(6)、第二滤波电感(4)、第二变压器(8)组成;第二单相全桥逆变电路(2)和第二滤波电感(4)分别和第二变压器(8)的原边串联,第二滤波电容(6)并联于第二变压器(8)的原边,第二变压器(8)的副边绕组串联在二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧中点和上端直流侧电容之间;
第一单相全桥逆变电路(1)直流侧和第二单相全桥逆变电路(2)的直流侧均与直流电源(9)并联;
所述控制电路包括PWM控制器(10)、IGBT驱动电路(11)、第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第一补偿电压传感器(16)组成,第一直流侧中点电压传感器(13)和第二直流侧中点电压传感器(14)分别并联于二极管箝位式三电平逆变器(12)上下端直流侧电容处,第一补偿电压传感器(15)并联于第一变压器(7)的原边绕组,第二补偿电压传感器(16)并联于第二变压器(8)的原边绕组;第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)的输出信号经过PWM控制器(10), PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号,为第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT提供驱动信号,并由IGBT驱动电路(11)驱动第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)的8个IGBT工作,使第一单相全桥逆变电路(1)和第二单相全桥逆变电路(2)产生补偿电压,抑制二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压突变及其中点电压波动。
5.根据权利要求4所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的装置,其特征在于,所述PWM控制器(10)中的DSP芯片计算出共2组、每组4个独立的PWM信号的过程如下:
当二极管箝位式三电平逆变器(12)带负载运行时,二极管箝位式三电平逆变器(12)直流侧电压发生突变、其中点电压发生波动,此时由第一直流侧中点电压传感器(13)、第二直流侧中点电压传感器(14)、第一补偿电压传感器(15)、第二补偿电压传感器(16)分别检测出直流侧电容中点实际电压U n、补偿实际输出电压U c,输入给PWM控制器(10);再由PWM控制器(10)中的DSP芯片用0.5倍的直流侧给定电压U dc减去U n得出补偿指令电压信号U c*,并用U c*减去U c得到U c*与U c的输出误差信号△U c;最后输出误差信号△U c经过PID控制的三角波调制,得到2组、每组4个、总共8个独立的PWM信号。
6.根据权利要求4所述的抑制二极管箝位式三电平逆变器直流侧电压突变及其中点电压波动的装置,其特征在于,所述PWM控制器(10)中的DSP芯片为TMS320F2812。
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