CN105680711B - 一种采用shepwm的t型三电平逆变器中点电压平衡控制方法 - Google Patents

一种采用shepwm的t型三电平逆变器中点电压平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法，根据需要消除的谐波次数的个数确定每个周期的开关角个数；基于多目标粒子群优化方法求解特定谐波消除脉宽调制的开关角度，生成相应的特定谐波消除脉宽调制信号；采集T型三电平逆变器的中点电压；对信号进行优化，若T型三电平逆变器的中点电压在阈值范围内，则不改变T型三电平逆变器，使其直接进入三电平逆变器，否则将开关状态替换为相应的小矢量信号，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写。本发明具有和传统SHEPWM相同的消除低次谐波的功能，且可以维持中点电压平衡，能使T型三电平逆变器稳定高效运行。

Description

一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法。
背景技术
伴随着光伏发电***在内的分布式能源大规模接入低压配电网，电网对并网逆变器输出电流波形质量提出更高的要求，传统两电平并网逆变器很难满足大电网高电能质量要求。T型三电平并网逆变器的出现解决了上述问题，如图1所示，和传统两电平相比，该逆变器具有谐波小、开关损耗低、电磁干扰小等优点；和传统二极管钳位型三电平逆变器相比，该逆变器具有开关数目少、导通损耗小和功率损耗均匀等优点；且T型三电平逆变器开关频率在4kHz到30kHz之间效率最高。因此T型三电平逆变器已经广泛应用到光伏发电和微电网等分布式发电场合，而中点电压平衡问题是T型三电平逆变器稳定运行的关键。
相比于正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制，特定谐波消除法(SHEPWM)具有开关频率低、开关损耗小、输出电压质量好及损耗小等一系列优点，适用于大功率场合，是一种电力电子领域中经常用来消除低次谐波的调制方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法，本发明基于T型三电平拓扑和SHEPWM调制策略，对三电平逆变器的关键技术进行了研究，针对逆变器直流侧的中点电压平衡问题进行详细的分析，针对SHEPWM和T型三电平逆变器的优点，提出一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法。***由传统SHEPWM相关公式计算出开关角度，然后在传统三相SHEPWM的调制后增加了一个小矢量替换***，通过测量逆变器中点电压来确定是否替换逆变器的小矢量的开关状态来调节中点平衡。所提出的方法不影响逆变器输出的线电压波形，所以具有和传统SHEPWM相同的消除低次谐波的功能，且可以维持中点电压平衡，能使T型三电平逆变器稳定高效运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法，包括以下步骤：
(1)根据需要消除的谐波次数的个数确定每个周期的开关角个数；
(2)基于多目标粒子群优化方法求解特定谐波消除脉宽调制的开关角度，生成相应的特定谐波消除脉宽调制信号；
(3)采集T型三电平逆变器的中点电压；
(4)对信号进行优化，若T型三电平逆变器的中点电压在阈值范围内，则不改变开关状态，使其直接作用于三电平逆变器；否则替换小矢量开关状态，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写。
所述步骤(1)中，每四分之一个周期中的开关角个数为需要消去的谐波次数加1。
如果要消除N-1个特定的谐波分量，则要设置N个开关角，就能构成N个独立的方程，从而在选择基波幅值的同时，还可以消除N-1个希望消除的谐波分量。
所述步骤(2)中，采用多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解三电平特定谐波消除脉宽调制开关角。
所述步骤(4)中，采集中点电压，如果小矢量开关状态出现，通过检测中点电压来确定是否替换小矢量；当小电压矢量开关状态没有出现时，不改变开关状态。
进一步的，所述步骤(4)中，小矢量开关状态出现且中点电压的绝对值大于中点电压阈值时，若中点电压大于零，开关状态被改变为N型小矢量；若中点电压小于零，开关状态被改变为P型小矢量，当中点电压的绝对值小于中点电压阈值时，开关状态不改变。
应用于T型三电平逆变器的特定谐波消除***，包括特定谐波消除脉宽调制信号发生器、小矢量控制器、开关组、PWM信号发生器和T型三电平逆变器，其中，所述特定谐波消除脉宽调制信号发生器输出特定谐波消除脉宽调制信号给开关组，所述小矢量控制器采集T型三电平逆变器的中点电压，对中点电压进行判断；
若中点电压在设定阈值范围内，则不改变开关组的状态，使特定谐波消除脉宽调制信号通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器的开关器件；
若中点电压不在设定阈值范围内，小矢量控制器改变开关组状态，替换小矢量，通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器的开关器件。
所述中点电压为T型三电平逆变器的直流侧两个并联电容之间的电压差值的一半。
所述中点电压的绝对值大于中点电压阈值时，若中点电压大于零，开关状态被替换为N型小矢量；若中点电压小于零，开关状态被替换为P型小矢量。
本发明的有益效果为：
(1)本发明可以将中点电压限定在一个更小的波动区域；
(2)本发明可以在中点电压偏离平衡点时迅速使其恢复平衡；
(3)本发明保持了对特定谐波消除的能力。
附图说明
图1为三电平逆变器拓扑图；
图2为三电平逆变器SHEPWM的典型波形；
图3为当N＝7时，调制系数由0到1变化时的开关角度变化情况；
图4为小矢量对中点电压的影响示意图；
图5(a)为大电压矢量[PPN]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(b)为中电压矢量[PON]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(c)为零电压矢量[PPP]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(d)为P型小电压矢量[POO]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(e))为N型小电压矢量[ONN]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图6为所提出SHEPWM算法的运行原理；
图7为所提出SHEPWM算法的流程图；
图8为传统SHEPWM调制系数为0.99时的开关状态；
图9(a)是传统SHEPWM的仿真结果；
图9(b)是本发明的SHEPWM仿真结果；
图10(a)是传统SHEPWM的仿真结果；
图10(b)是本发明的SHEPWM仿真结果；
图11(a)是传统SHEPWM的仿真结果；
图11(b)是本发明的SHEPWM仿真结果。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
以如图1所示T型三电平逆变器结构阐述逆变器控制策略。
包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧经滤波器与电阻连接；在并联的各桥臂输入端接入输入电压源；输入电压源两端并联有两个电容，两个电容连接处连接各项桥臂的两个方向不同IGBT管的一端，各个IGBT管均由控制信号驱动。
直流侧串联两个电容C1和C2，中点为Z，从而使逆变器的上部器件和下部器件的开关将产生正电平和负电平。a、b、c三相各连接四个带有反并联二极管的开关器件，通过LA、LB、LC滤波后连接三相负载。每一个半桥逆变器有三种状态：正电平、负电平、零电平。本发明中三电平T型SHEPWM控制方法主要包括以下内容：
(1)根据消去谐波次数的个数确定每四分之一个周期中的开关角个数；
(2)根据传统SHEPWM原理计算出开关角度；
(3)在传统三相SHEPWM的调制后增加一个小矢量替换***来控制中点电压；
(4)通过测量中点电压来确定是否替换小矢量的开关状态。
步骤(1)中，如果要消除N-1个特定的谐波分量，则要设置N个开关角，就能构成N个独立的方程，从而在选择基波幅值的同时，还可以消除N-1个希望消除的谐波分量。
步骤(2)中，采用多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解三电平SHEPWM开关角。
步骤(3)中，SHEPWM开关信号由传统SHEPWM信号发生器产生，其后增加小矢量替换器。当小电压矢量开关状态出现时，小电压矢量替换***通过检测中点电压来替换小矢量；当小电压矢量开关状态没有出现时，小矢量替换***不改变开关状态。
步骤(4)中，VZ表示中点电压，当|VZ|大于中点电压阈值Vrange时，若VZ>0，开关状态被改变为N型小矢量；若VZ<0，开关状态被改变为P型小矢量。当|VZ|<Vrange，开关状态不改变。
SHEPWM的传统过程有：设计每四分之一周期内的脉冲信号开关角，消除指定次数谐波；控制各基本模块的幅值。一种典型的三电平T型SHEPWM逆变器波形如图2所示，其中Vxz是单相的输出电压，其傅里叶级数为：
其中x＝a，b，c；bn是傅立叶系数；bn由下式给出
其中n＝1，5，7，···，3N-2。
通过以下价值函数，来选取方程最优解
其中M为调制指数。图3给出了调制指数由0到1变化时的开关角度。此处每四分之一周期内的脉冲信号开关角个数为7个(N＝7),调制系数为0.99(M＝0.99)。产生这些角度的计算公式为：
根据以上公式，当式(3)接近于0时计算得到的开关角度在表1中给出。此时相电压频谱中出现的第一次谐波为23次谐波。
表1
αi(i＝1,2,3,…,7) 开关角角度
α1 16.8219372902964
α2 20.5429675506475
α3 28.5400781589016
α4 35.4455857159152
α5 41.1064415478475
α6 50.450052639555
α7 54.816452557851
开关状态可以表示为空间电压矢量，根据空间电压矢量的大小可将其分为零矢量、小矢量、大矢量、中矢量，小电压矢量又可以分为P型矢量和N型矢量，如图4和表2所示。
表2
采用SHEPWM的逆变器中点电压VZ表示为
其中VC1和VC2是直流侧电容C1和C2的电压值。开关状态对中点电压的影响如图5所示：大矢量和零矢量对中点电压没有影响，因为在这种情况下中点Z没有和直流侧的正、负极相连，因为两个电容没有充放电，所以两电容电压没有变化，中点电压也不变化，如图5(a)、(c)所示；图5(b)显示了中矢量的效果图，此时中点和直流侧的正负侧相连接，中点电压的变化情况由此时的中点电流决定；当逆变器选择P型小矢量开关状态时，负载接在中点与直流侧的正极，电容C1放电，电流流进中点，中点电压上升，如图5(d)所示；与此相反，N型小矢量会使中点电压下降，如图5(e)所示。
本发明中应用SHEPWM的逆变器通过替换小电压矢量来保持中点电压平衡，控制原理如图6所示。SHEPWM开关信号由传统SHEPWM***产生，当小电压矢量开关状态出现时小电压矢量控制器作用；当小电压矢量开关状态没有出现时，小矢量控制器被闭锁，开关状态不变。
本发明中中点电压平衡控制的流程图由图7给出，其中Vrange是中点电压的限定波动幅度，VZ是中点电压，小矢量控制器的工作状态如下：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换。
a)VZ>0：根据表2，开关状态被改变为N型小矢量。
b)VZ<0：根据表2，开关状态被改变为P型小矢量。
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变。
本发明中所提出的SHEPWM控制方式可以明显地减小中点电压的震荡范围，更为重要的是，当中点电压严重偏离平衡点时，运用本控制方式可以使其迅速恢复平衡。提出的SHEPWM控制方式在MATLAB中以5μs的采样周期进行仿真。
在MATLAB/simulink 2012B中，为了验证中点电压平衡控制器的效果，开关状态信号在0.1s之前被屏蔽。图9(a)中传统SHEPWM中点电压恢复时间接近0.7s，图9(b)中运用本发明所提到的SHEPWM控制方式，电压恢复时间为0.032s。图10(a)、图10(b)所示为VC1和VC2的震荡波形，其中图10(a)所示传统SHEPWM中波动峰值为1.4V，而图10(b)中本发明所提SHEPWM控制方式下其波动峰值不到0.4。由传统SHEPWM和本发明中SHEPWM所产生的线电压Vab的谐波频谱如图11(a)、(b)所示，其中，25次谐波是第一个出现的谐波，本发明中SHEPWM和传统SHEPWM对特定谐波消除的能力基本相同。
通过以上仿真结果可知，本发明中SHEPWM和传统SHEPWM对特定谐波消除的能力基本相同，且可以将中点电压限定在一个更小的波动区域，同时可以在中点电压偏离平衡点时迅速恢复平衡。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)根据需要消除的谐波次数的个数确定每个周期的开关角个数；
(2)基于多目标粒子群优化方法求解特定谐波消除脉宽调制的开关角度，生成相应的特定谐波消除脉宽调制信号；
(3)采集T型三电平逆变器的中点电压；
(4)对信号进行优化，若T型三电平逆变器的中点电压在阈值范围内，则不改变T型三电平逆变器，使其直接进入三电平逆变器，否则将开关状态修改为小矢量信号，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写；
其中，所述步骤(1)中，每四分之一个周期中的开关角个数为需要消去的谐波次数加1；
所述步骤(4)中，采集中点电压，如果设定的小电压矢量开关状态出现，通过检测中点电压来替换小矢量；当小电压矢量开关状态没有出现时，不改变开关状态。
2.如权利要求1所述的一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，采用多目标粒子群优化算法求解三电平特定谐波消除脉宽调制开关角。
3.如权利要求1所述的一种采用SHEPWM的T型三电平逆变器中点电压平衡控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，中点电压的绝对值大于中点电压阈值时，若中点电压大于零，开关状态被替换为N型小矢量；若中点电压小于零，开关状态被替换为P型小矢量，当中点电压的绝对值小于中点电压阈值时，开关状态不改变。
4.一种应用于T型三电平逆变器的特定谐波消除***，其特征是：包括特定谐波消除脉宽调制信号发生器、小矢量控制器、开关组、PWM信号发生器和T型三电平逆变器，其中，所述特定谐波消除脉宽调制信号发生器输出特定谐波消除脉宽调制信号给开关组，所述小矢量控制器采集T型三电平逆变器的中点电压，对中点电压进行判断；
若中点电压在设定阈值范围内，则不改变开关组的状态，使特定谐波消除脉宽调制信号通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器的开关器件；
若中点电压不在设定阈值范围内，小矢量控制器改变开关组状态，使特定谐波消除脉宽调制信号改变成为小电压矢量，通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆器的开关器件。
5.如权利要求4所述的一种应用于T型三电平逆变器的特定谐波消除***，其特征是：所述中点电压为并联在T型三电平逆变器直流侧的两个串联电容之间的电压差值的一半。
6.如权利要求4所述的一种应用于T型三电平逆变器的特定谐波消除***，其特征是：所述中点电压的绝对值大于中点电压阈值时，若中点电压大于零，开关状态被替换为N型小矢量；若中点电压小于零，开关状态被替换为P型小矢量。
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