CN108521230A - 一种基于模糊优化的混合中点电位平衡方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子技术领域，公开了一种基于模糊优化的混合中点电位平衡方法及***，首先根据三电平空间矢量所在区域是否含有中矢量进行分区，不含中矢量位于A区中，含中矢量位于其它区域，当位于A区时，采用七段开关序列调节中点电位的平衡，当位于其它区域时采用模糊优化的时间因子分配法调节中点电位的平衡，实现对中点电位的分区精细化控制。本发明以将三电平SVPWM算法简化为两电平SVPWM算法为基础，利用两电平SVPWM的算法来处理三电平SVPWM的问题，使计算得到简化；利用模糊控制调整正负小矢量的分配因子，进而调整各矢量的作用时间大小，能够将中点电位控制在小范围内波动，具有较好的动态性能。

Description

一种基于模糊优化的混合中点电位平衡方法及***

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡方法及***。

背景技术

中点电位问题是三电平拓扑结构的固有问题，中点电位不平衡时会引起输出电流波形畸变率增大，低次谐波含量增加。当不平衡现象加剧时，甚至有可能造成功率开关器件损坏。目前较常用的中点电位平衡方法主要有两种：基于零序分量注入的载波PWM方法和基于冗余小矢量和中矢量调整的SVPWM方法。二者之间存在内在的联系，在满足一定条件下，两种方法可以相互转化。前者可以通过适当选择冗余开关矢量的分配因子由后者来实现，而后者可以通过三角载波调制加入适当的零序分量来实现。

综上所述，现有技术存在的问题是：

基于零序分量注入载波PWM方法实现比较困难；

基于冗余小矢量和中矢量调整的SVPWM方法中七段开关序列方法在含有中矢量的区域会产生明显的中点电位不平衡，而时间因子分配法通过对冗余小矢量的作用时间进行分配可有效的抑制中矢量的影响，但是时间因子的选取成为关键，有的选择过于复杂；

单一地采用某种方法无法充分利用冗余小矢量和非冗余小矢量的作用，不能实现中点电位的精细化控制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡方法。

本发明是这样实现的，一种二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡方法，进一步，所述的二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡方法包括：

首先根据是否含有中矢量判断，将三电平空间矢量所在区域分为含有中矢量的区域和不含中矢量的其它区域。

当位于含有中矢量的区域时，采用七段开关序列调节中点电位的平衡,根据电容电压的差值和电流的大小判断利用两个相邻重叠区域的哪个进行调节；

当位于其它区域时采用模糊优化的时间分配因子调节中点电位的平衡,当电容电压ΔU_dc＞0时，选取正小矢量作用时间为(1-f)/2，负小矢量的作用时间为(1+f)/2，平衡因子f由模糊控制器得到。

进一步，所述的时间因子分配法是利用一对冗余小矢量对中点电位的影响相反而进行电位的调整，只要保证这对小矢量总的作用时间一定，可以任意分配这对小矢量各自的作用时间；

将电容电压偏差e和偏差的变化率ec作为模糊控制器的输入，平衡因子f为模糊输出量，则输入输出满足f(n)＝f(e,ec)，分别对电容电压偏差和偏差变化率进行量化，量化后输入变量的论域为±1，输出平衡因子f的比例因子满足k_f·f(n)∈[-11]；当电容电压ΔU_dc＞0时，选取正小矢量作用时间为(1-f)/2，负小矢量的作用时间为(1+f)/2，当ΔU_dc＜0时，选取正小矢量作用时间为(1+f)/2，负小矢量的作用时间为(1-f)/2，定义电容电压偏差和偏差变化率均为五个模糊子集{NB,NS,ZE,PS,PB}，分别代表负大、负小、零、正小、正大；

隶属函数选取梯形曲线，模糊推理采用Mamdanni方法，去模糊化用重心法，隶属度函数和输出量隶属函数分别为：

进一步，该算法以将三电平SVPWM算法简化为两电平SVPWM算法为基础，利用两电平SVPWM的算法来处理三电平SVPWM的问题，使计算得到简化；所述三电平空间矢量可分解为六个传统的两电平空间矢量，每个小六边形中心与大六边形中心的距离都为一个小矢量的幅值大小，即为，任意两个相邻的小六边形都有一部分是重合的，矢量在重合的这部分可以选择其中任意一个小六边形，这对于平衡中点电位具有很大作用。

本发明的优点及积极效果为：

本发明在不增加硬件的前提下，通过软件算法实现二极管箝位型变流器中点电位的精细化控制，有效地抑制中点电位波动。

本发明方法以三电平SVPWM算法简化为两电平SVPWM算法为基础，利用两电平SVPWM的算法来处理三电平SVPWM的问题，使计算得到简化；对含有中矢量的区域采用七段开关序列方法调节中点电位，对含有中矢量的区域采用模糊优化的时间因子分配法调节中点电位，实现中点电位的分区精细化控制，能够将中点电位控制在小范围内波动，具有较好的动态性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡算法流程图；

图2是本发明实施例提供的二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡算法的基于两电平SVPWM的三电平空间矢量分布示意图；

图3是本发明实施例提供的二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡算法三电平空间矢量转化为两电平空间矢量示意图；

图4是本发明实施例提供的不同矢量换流电路图。

图5是本发明实施例提供的三电平空间矢量的调制区域划分图。

图6是本发明实施例提供的N＝1,n＝3时开关序列示意图。

图7是本发明实施例提供的N＝2,n＝5时开关序列示意图。

图8是本发明实施例提供的矢量位于两电平空间矢量扇区N＝1,n＝1中，扇区的开关矢量示意图。

图9是二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡***。

图10是不同调制度下基于模糊优化的混合中点电位平衡算法的仿真图；

图中：(a)m＝0.45时；(b)m＝0.55时；(c)m＝0.65。

图11是不同中点电位平衡算法的实验结果比较图；

图中：(a)传统时间控制因子中点电位平衡算法的电压波形；(b)基于模糊控制的混合中点电位平衡算法的电压波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

1、三电平SVPWM分解为两电平SVPWM的简化算法的基本思想就是将三电平分解为两电平进行SVPWM，这样，就可以利用两电平SVPWM的算法来处理三电平SVPWM的问题，使计算得到简化。如图2所示，三电平空间矢量可分解为六个传统的两电平空间矢量，每个小六边形中心与大六边形中心的距离都为一个小矢量的幅值大小，即为U_dc/3。由图可以看出，任意两个相邻的小六边形都有一部分是重合的，在小六边形中，相同颜色的是相邻的两个小六边形的重合部分。这样，矢量在重合的这部分可以选择其中任意一个小六边形，这对于平衡中点电位具有很大作用。

2、以第Ⅰ扇区为例，设U_ref为参考电压矢量，当它落入如图3所示的小扇区时，将其减去一个偏移矢量U₁得到新的空间电压矢量U′_ref、U′₁、U'₇、U′₁₃，再通过两电平的空间矢量计算方法就可以得到U′₁、U'₇、U′₁₃的作用时间t₁、t₇、t₁₃，就是原有的三电平空间电压矢量U₁、U₇、U₁₃的作用时间，使计算得到简化。

根据伏秒平衡原理，可得：

将式(3.1)变为：

U′_refT_s＝U′₁t₁+U'₇t₇+U′₁₃t₁₃ (3.2)

式中：T_s为采样周期，U′₁、U'₇、U′₁₃为两电平空间电压矢量。

3、不同调制度下空间矢量分析

定义调制度仍以第Ⅰ扇区为例，按照调制度的大小分析三电平空间矢量的调制区域，整个区域可分成三部分，如图5所示，当0≤m≤0.5时，是以零矢量为圆心，小六边形的内切圆以内部分，此时U_ref完全落入N＝1和N＝2的两个小六边形的重叠区域，全部由零矢量和小矢量组成；当0.5＜m≤0.577时，是小六边形的内切圆和外接圆之间部分，此时U_ref完全落入N＝1和N＝2的两个小六边形的重叠区域。但是可以分成两种情况来考虑，一种是在原三电平矢量图中的A区中，全部由小矢量和零矢量组成，其余的位于B区中的部分包含中矢量和小矢量；当m＞0.577时，也分两种情况，一种是落入重叠区域B区中，此时包含中矢量和小矢量，其余落入不重叠区域C、D区中，则包含小矢量、中矢量和大矢量。

综合分析上面的各种情况，可以根据是否含有中矢量进行分区，0≤m≤0.5时的全部区域和0.5＜m≤0.577时的一部分区域只包含零矢量和小矢量，不包含中矢量，而这部分区域恰好是三电平空间矢量图中的小扇区A，共计有三个小矢量，其中有一成对小矢量，称为冗余小矢量，它们对中点电位的影响可以相互消除，。因此，在此区域内中点电位的偏移完全是由另一非冗余小矢量造成的。此区域在两电平矢量图中既可以属于N＝1的小六边形中，也可以属于N＝2的小六边形中，而在不同的小六边形中对应不同的非冗余小矢量，其中一个是流出中点，另一个是流入中点，由此，不同的非冗余小矢量对充电电位的影响是不同的，根据中点电位的偏差可以选取有利于中点电位平衡的小矢量。

剩下的其余部分，无论是重叠区域还是不重叠区域，由于都包含不可控的中矢量，采用非冗余小矢量调节中点电位效果都不太理想。但是，成对的冗余小矢量在补偿中矢量引起的中点电位偏移存在优势，因此，可通过调节成对出现的冗余小矢量中正、负小矢量的作用时间进行中点电位的控制。此方法的关键在于时间控制因子的值的选取和计算，采用模糊控制优化时间控制因子的方法。

4、通过上面的分析可知，整个中点电位的平衡过程可以根据是否含有中矢量进行分区，将扇区分成不含有中矢量的小扇区A部分和含有中矢量的其余部分。当位于小扇区A中时，利用简化的两电平空间矢量算法进行调制，可采用七段式开关序列，三个小矢量中有一对是冗余小矢量，有一个是非冗余小矢量，利用非冗余小矢量调节开关周期内流过中点的电流，从而控制中点电位的平衡。对应的小六边形中的扇区有两种选择，一种是N＝1，n＝3，另一种是N＝2，n＝5。当N＝1，n＝3时对应的开关序列为OPP-OOP-OOO-POO-OOO-OOP-OPP，此序列中的非冗余小矢量OOP对应的中点电流为c相电流；当N＝2，n＝5时对应的开关序列为OOP-OOO-POO-PPO-POO-OOO-OOP，此序列中的非冗余小矢量POO对应的中点电流为a相电流。扇区N＝1，n＝3和N＝2，n＝5的开关序列示意图分别如图6和图7所示。由于这两种情况对中点电位的影响是不同的，因此，根据电容电压的偏差和对应的电流的符号，选取有利于中点电位平衡的调制序列。令ΔU_dc＝U_dc1-U_dc2，当ΔU_dc＜0,i_a＞i_c或ΔU_dc＞0,i_a＜i_c时N＝1,n＝3，其它，N＝2,n＝5。

当矢量位于其余小三角形内时，由于存在不可控的中矢量，采用七段式开关序列算法调制时，无法达到较好的调制效果。提出采用基于模糊控制的时间因子分配法进行调制。时间因子分配法是利用一对冗余小矢量对中点电位的影响相反而进行电位的调整，只要保证这对小矢量总的作用时间一定，可以任意分配这对小矢量各自的作用时间。将电容电压偏差e和偏差的变化率ec作为模糊控制器的输入，平衡因子f为模糊输出量，则输入输出满足f(n)＝f(e,ec)。分别对电容电压偏差和偏差变化率进行量化，量化后输入变量的论域为±1，输出平衡因子f的比例因子满足k_f·f(n)∈[-11]。当电容电压ΔU_dc＞0时，选取正小矢量作用时间为(1-f)/2，负小矢量的作用时间为(1+f)/2。ΔU_dc＜0时，选取正小矢量作用时间为(1+f)/2，负小矢量的作用时间为(1-f)/2。定义电容电压偏差和偏差变化率均为五个模糊子集{NB,NS,ZE,PS,PB}，分别代表负大、负小、零、正小、正大。隶属函数选取梯形曲线，模糊推理采用Mamdanni方法，去模糊化用重心法。隶属度函数和输出量隶属函数分别为：

模糊推理规则如下表所示：

模糊推理规则

为验证基于模糊优化的混合中点电位平衡方法在不同调制度时的平衡能力，分别在调制度为0.45、0.55和0.65时设置中点电位偏移，采用基于模糊优化的混合中点电位平衡方法时中点电位的仿真波形如图10。当调制度m＝0.45时，设置中点电压迅速偏移200V左右，然后启动中点电位平衡算法，此时不含中矢量，由七段式开关序列算法起调节作用，调节迅速且调节力度较大，由图10(a)可知，***大约用了0.15s使中点电位重新达到平衡，切除中点平衡算法。当调制度m＝0.55时，设置中点电压偏移60V左右，然后启动中点控制算法，当位于不含中矢量的区域A中时，七段式开关序列算法起调节作用，其余区域基于模糊控制的时间控制因子算法起调制作用，由图10(b)可知，大约经过0.2s后，母线再次达到稳定。当调制度m＝0.65时，设置中点电位偏移大约60V左右，然后启动中点控制算法，此时基于模糊控制的时间控制因子算法单独起调节作用，由图10(c)可知，大约经过0.3s后，母线再次达到稳定。

为验证基于模糊优化的中点电位平衡算法的有效性，与传统的时间控制因子中点电位平衡算法进行实验比较，实验结果如图11所示。图11(a)为采用传统时间控制因子中点电位平衡算法调节时电容电压实验波形，上电容电压U_dc1高于下电容电压U_dc2，存在中点电位不平衡的情况，这会严重影响整流器的性能，引起网侧电流的谐波。图11(b)为采用本文提出的基于模糊控制的混合中点电位平衡算法后电容电压实验波形，上下电容电压基本相同，中点电位不平衡现象得到了良好的解决。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于模糊优化的混合中点电位平衡方法，其特征在于，二极管箝位型三电平变流器的混合中点电位平衡方法包括：

首先根据是否含有中矢量判断，将三电平空间矢量所在区域分为含有中矢量的区域和不含中矢量的其它区域；

当位于含有中矢量的区域时，采用七段开关序列调节中点电位的平衡；

当位于其它区域时采用模糊优化的时间分配因子调节中点电位的平衡。

2.如权利要求1所述的基于模糊优化的混合中点电位平衡方法，其特征在于，以将三电平SVPWM算法简化为两电平SVPWM算法为基础，利用两电平SVPWM的算法来处理三电平SVPWM；所述三电平空间矢量可分解为六个传统的两电平空间矢量，每个小六边形中心与大六边形中心的距离都为一个小矢量的幅值大小；任意两个相邻的小六边形都有一部分是重合的，矢量在重合的这部分选择其中任意一个小六边形，对于平衡中点电位具有很大作用。

3.如权利要求1所述的基于模糊优化的混合中点电位平衡方法，其特征在于，七段开关序列调节中点电位方法是首先保证冗余小矢量作用时间相同的情况下，具体根据中点电位偏离的方向来选择非冗余小矢量来平衡中点电位。

4.如权利要求1所述的基于模糊优化的混合中点电位平衡方法，其特征在于，所述的时间因子分配法是利用一对冗余小矢量对中点电位的影响相反而进行电位的调整，只要保证这对小矢量总的作用时间一定，任意分配这对小矢量各自的作用时间，而时间因子则取决于模糊控制器的输出；

将电容电压偏差e和偏差的变化率ec作为模糊控制器的输入，平衡因子f为模糊输出量，则输入输出满足f(n)＝f(e,ec)，分别对电容电压偏差和偏差变化率进行量化，量化后输入变量的论域为±1，输出平衡因子f的比例因子满足k_f·f(n)∈[-11]；当电容电压ΔU_dc＞0时，选取正小矢量作用时间为(1-f)/2，负小矢量的作用时间为(1+f)/2，当ΔU_dc＜0时，选取正小矢量作用时间为(1+f)/2，负小矢量的作用时间为(1-f)/2，定义电容电压偏差和偏差变化率均为五个模糊子集{NB,NS,ZE,PS,PB}，分别代表负大、负小、零、正小、正大；

隶属函数选取梯形曲线，模糊推理采用Mamdanni方法，去模糊化用重心法，隶属度函数和输出量隶属函数分别为：

5.一种如权利要求1所述基于模糊优化的混合中点电位平衡方法的混合中点电位平衡***。