CN109347358B - 一种三电平npc变流器中点电位平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法。所述控制方法在中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；为对中点电位平衡进行实时调节，所述控制方法首先判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量的作用时间因子，利用作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，可实现对中点电位的动态平衡调节。本发明控制方法可以将三电平NPC变流器中点电位偏差控制在较小范围内，提高三电平NPC变流器的可靠性。

Description

一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种中点电位平衡控制方法，尤其涉及一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法。

背景技术

三电平NPC(Neutral Point Clamped)变流器的拓扑如图1所示，通过控制三相由上到下各四个开关器件P1、P2、P3、P4的导通与关断，三电平NPC变流器可输出三种不同的电平状态。三电平NPC变流器具有体积较小、结构简单，易实现能量双向流动的优点，目前被普遍应用于中高压大功率电机的调速场合。

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)是三电平NPC变流器经常使用的一种调制策略。经典的SVPWM方法基于最近三矢量原则，即通过三相电压dq变换得到指令电压V_ref，然后将指令电压V_ref与采样周期的乘积分解为三个电压空间矢量与各自作用时间的乘积，通过合理安排三个电压空间矢量的作用顺序来输出目标电压，从而实现调制。

三电平NPC变流器在各空间角度区间内的电压空间矢量分布如图2所示。图2中V_A、V_B、V_C分别对应A相、B相、C相的相电压，诸如0°、90°等角度代表对应度数的空间矢量角，即三相电压dq变化后所得到指令电压V_ref与A相相电压之间的夹角。定义指令电压V_ref与A相重合时的空间矢量角为0°，360度空间矢量角对应一个电压基波周期。图2诸如PPP、PPO等代表相应的电压空间矢量，图2中各电压空间矢量对应的开关状态总结于表1。

表1 SVPWM各电压空间矢量及对应的开关状态

如表1所示，SVPWM各电压空间矢量依据幅值大小可分为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，其中，零矢量和小矢量存在冗余状态。对于小矢量，空间矢量角相位相同的两个P型小矢量和N型小矢量互为冗余小矢量。各冗余小矢量及其对应流经中点的电流总结于表2。

表2冗余小矢量及其对应的中点电流

表2中，i_o对应流经中点的中点电流，i_a、i_b、i_c分别对应A相、B相、C相的相电流。由表2知，两个冗余小矢量对应流经中点的电流方向相反，故两个冗余小矢量对中点电位的影响相反。

对于图1三电平NPC变流器，如果一个采样周期内，流入中点的电流与时间的乘积不等于流出中点的电流与时间的乘积，会导致电容C1、C2的充电电压和放电电压不相等，进而造成中点电位不平衡。不平衡的中点电位会在输出电压中产生低次谐波并使三电平NPC变流器某半边桥臂的开关器件承受过高的电压，危及运行安全，因此必须要采取措施保证三电平NPC变流器中点电位平衡。

现有中点电位平衡控制方法可分类为硬件方法和软件方法。文献《基于混合SVPWM方法的NPC三电平逆变器中点电压平衡控制》(邵虹君，[D].天津:天津大学,2012:4-7)详细对比了常见的硬件方法和软件方法。相比于硬件方法，软件方法不需要增加额外的硬件设备和控制***就能控制中点电压平衡，其能够减小体积、节省成本，是一种较好的选择。三电平NPC变流器通常使用的软件方法可分为两类：

1)滞环控制：基本原理是当出现中点电位不平衡现象时，根据三相电流的方向，选取有利于中点电位平衡的冗余小矢量开关状态来进行调控。滞环控制的优点是不会增加开关频率，缺点是在调制比较大或功率因数角较低时，存在不可调控区域。

2)主动控制：代表方法有虚拟空间矢量法。主动控制优点是在全调制比和功率因数角范围内都可以调控中点电位平衡，缺点是会增加三分之一的开关频率。

对于大功率三电平NPC变流器，开关器件每次动作的开关损耗不可忽视，因此要尽量减少开关器件的开关频率。滞环控制只在调制比较大或功率因数角较低时存在不可控区域，在绝大多数情况下可以有效控制中点电位平衡。因此对于大功率三电平NPC变流器，滞环控制是最常用的中点电位平衡控制方法。

滞环控制需要设计滞环控制参数，滞环控制参数值设计是否得当会直接影响到***对中点电位平衡的控制效果。当滞环控制参数值设计不够精密时，***的鲁棒性较差，对中点电位平衡的控制效果较差。而且在不同工况下，滞环控制参数值可能不同，需要重新设计。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提出一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法。本发明三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法原理和滞环控制相同，均是利用重新分配两个冗余小矢量的作用时间来维持中点电位平衡，但不同于传统滞环方法，本发明控制方法无需设计滞环控制参数，只需知道三相电流值和空间矢量角值，便可在线计算出两冗余小矢量作用时间因子。本发明控制方法可以将三电平NPC变流器中点电位偏差控制在较小范围内，提高了三电平NPC变流器的可靠性。

本发明三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法在中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；为对中点电位平衡进行实时调节，本发明控制方法首先判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量作用时间因子，利用冗余小矢量作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，可实现对中点电位的动态平衡调节。

在中点电位振荡超过限定值时，本发明三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法具体如下：

1、判断当前指令电压所在扇区位置编号；

本发明控制方法利用空间矢量角θ值判断各扇区位置编号，具体判断方法如下：

1)当0≤θ＜π/3，当前扇区编号为扇区0；

2)当π/3≤θ＜2π/3，当前扇区编号为扇区1；

3)当2π/3≤θ＜π，当前扇区编号为扇区2；

4)当π≤θ＜4π/3，当前扇区编号为扇区3；

5)当4π/3≤θ＜5π/3，当前扇区编号为扇区4；

6)当5π/3≤θ＜2π，当前扇区编号为扇区5。

2、判断当前指令电压所在区域位置编号；

本发明控制方法利用t1、t2、t3和θ₁的大小判断各扇区内区域位置编号，具体判断方法如下：

式(1)中，T_s为采样周期，m为调制比，t1、t2、t3为判断各扇区内区域位置的时间因子，θ₁为当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应的角度，有θ₁＝θ-int(θ/(π/3))，int表示将一个数值向下取整为最接近的整数。

1)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,0≤θ₁＜π/6，当前区域编号为区域1；

2)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,π/6＜θ₁≤π/3，当前区域编号为区域2；

3)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,0≤θ₁＜π/6，当前区域编号为区域3；

4)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ₁≤π/3，当前区域编号为区域4；

5)当t1≥0,t2≥0,t3＜0,0≤θ₁＜π/6，当前区域编号为区域5；

6)当t1＜0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ₁≤π/3，当前区域编号为区域6。

各扇区和区域位置表示为扇区编号.区域编号，如扇区0的区域1位置，表示为0.1，扇区1的区域1位置，表示为1.1。

3、检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量的作用时间因子k；

本发明控制方法以保持每个采样周期内中点电压振荡为零为计算目标，计算出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式。当中点电位振荡超过限定值时，本发明控制方法通过检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量作用时间因子k。各扇区和区域内对应的中点电位平衡公式具体如表3。

表3各扇区和区域内对应的中点电位平衡公式

表3中，m为调制比，θ₁＝θ-int(θ/(π/3))，为当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应的角度，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的电流，k代表各扇区区域内冗余小矢量作用时间因子。由中点电位平衡公式计算得到的k取值范围应限定在0到1，即：

4、利用冗余小矢量作用时间因子k控制两个冗余小矢量的作用时间，从而实现对中点电位的动态平衡调节；

相同空间矢量角的两个冗余小矢量对应流经中点的电流方向相反，其对中点电位的作用效果相反。本发明控制方法通过重新分配两个冗余小矢量的作用时间来维持三电平NPC变流器中点电位的平衡。设Tx为两个冗余小矢量总作用时间，不同扇区区域内利用时间因子k控制冗余小矢量作用时间的具体方法如下：

1)对于冗余小矢量POO/ONN，POO作用时间为(1-k)*Tx，ONN作用时间为k*Tx；

2)对于冗余小矢量PPO/OON，OON作用时间为(1-k)*Tx，PPO作用时间为k*Tx；

3)对于冗余小矢量OPO/NON，OPO作用时间为(1-k)*Tx，NON作用时间为k*Tx；

4)对于冗余小矢量OPP/NOO，NOO作用时间为(1-k)*Tx，OPP作用时间为k*Tx；

5)对于冗余小矢量OOP/NNO，OOP作用时间为(1-k)*Tx，NNO作用时间为k*Tx；

6)对于冗余小矢量POP/ONO，ONO作用时间为(1-k)*Tx，POP作用时间为k*Tx；

上面具体方式中，Tx代表两个冗余小矢量总作用时间，P对应三电平NPC变流器某相上桥臂两个开关器件P1、P2导通输出的电平状态，O对应三电平NPC变流器某相上桥臂下面的开关器件P2和下桥臂上面的开关器件P3导通输出的电平状态，N对应三电平NPC变流器某相下桥臂两个开关器件P3、P4导通输出的电平状态。

5、当中点电位振荡减小至限定值内后，令冗余小矢量作用时间因子k＝0.5；

本发明控制方法只在中点电位振荡超过限定值时进行计算，根据当前指令电压所在扇区和区域位置选择相应的中点电位平衡公式计算冗余小矢量作用时间因子k，利用时间因子k控制两冗余小矢量作用时间来维持三电平NPC变流器中点电位的平衡。当中点电位振荡减小至限定值内后，为了获得更好的谐波性能，本发明控制方法不再利用中点电位平衡公式计算k，而是令k＝0.5。

附图说明

图1三电平NPC变流器拓扑图；

图2针对三电平NPC变流器的SVPWM空间电压矢量图；

图3本发明三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法的具体实施流程图；

图4SVPWM扇区0位置各区域位置划分和对应的电压空间矢量；

图5为实施例基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况；

图6a、图6b、图6c为实施例基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果，其中图6a是C1电压Udc1和C2电压Udc2的变化情况，图6b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值，图6c为本发明计算得到的冗余小矢量作用时间因子k；

图7为实施例基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容电压Udc2初始值2500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况；

图8a、图8b为实施例基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容C2电压Udc2初始值2500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果，其中，图8a是电容C1电压Udc1和电容C2电压Udc2变化情况，图8b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值；

图9为实施例基波频率24Hz，调制比0.1-0.9循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容电压Udc2初始值2500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1、Udc2和调制比m变化情况；

图10a、图10b、图10c为实施例基波频率24Hz，调制比0.1-0.9循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容电压Udc2初始值2500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果，其中，图10a是电容C1电压Udc1和电容C2电压Udc2变化情况，图10b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值及调制比m变化情况，图10c为本发明计算得到的冗余小矢量作用时间因子k。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法在中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；为对中点电位平衡进行实时调节，本发明控制方法首先判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将其代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出冗余小矢量作用时间因子，利用冗余小矢量作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，实现对中点电位的动态平衡调节。

基于计算的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法的流程如图3所示：

首先判断中点电位振荡值是否超过限定值，如是，执行以下步骤，如否，则设定冗余小矢量作用时间因子k＝0.5。

当中点电位振荡超过限定值时，本发明控制方法执行步骤如下：

1、以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式：

(1)指令电压所在区域编号为1时对应的中点电位平衡公式

假设指令电压落在如图4所示的扇区0.1，由最近三矢量原则，合成指令电压的电压空间矢量作用序列为POO-OOO-OON-ONN。设采样周期为T_s，冗余小矢量POO、ONN在一个采样周期内作用时间之和为T_S1，OOO作用时间为T₀，OON作用时间为T_S2，则有：

式(2)中，m代表调制比，θ代表空间矢量角，T_s为采样周期，T_S1为冗余小矢量POO、ONN在一个采样周期内作用时间之和，T₀为OOO作用时间，T_S2为OON在一个采样周期内作用时间。设ONN作用时间为k*T_S1，则POO作用时间为(1-k)*T_S1，则有：

式(3)中，T_ONN为ONN作用时间，T_POO为POO在一个采样周期内作用时间，T_OON为OON在一个采样周期内作用时间，k为冗余小矢量作用时间因子。

ONN对应中点电流为ia，POO对应中点电流为-ia，OON对应中点电流为-ic，则可得出在一个采样周期内中点电位的振荡值，如下：

V_O＝T_S*((2k-1)*2m*sin(π/3-θ)*ia-2m*sin(θ)*ic)/C (4)

式(4)中，V_O为中点电位的振荡值，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的相电压，C为三电平NPC变流器直流母线上电容C1和下电容C2电容值之和。当每个采样周期内中点电位振荡为零时，有V_O＝0，代入式(4)，可得：

式(5)即为指令电压位置0.1，当每个采样周期内中点电位振荡为零时对应的中点电位平衡公式。同样原理可得到指令电压位置1.1、2.1、3.1、4.1、5.1对应的中点电位平衡公式，则得到了指令电压所在区域编号为1时对应的中点电位平衡公式。

(2)指令电压所在区域编号为2时对应的中点电位平衡公式

假设指令电压落在如图4所示的扇区0.2，由最近三矢量原则，合成指令电压的电压空间矢量作用序列为PPO-POO-OOO-OON。设采样周期为T_s，冗余小矢量PPO、OON在一个采样周期内作用时间之和为T_S2，OOO作用时间为T₀，POO作用时间为T_S1，则有：

式(6)中，m代表调制比，θ代表空间矢量角，T_s为采样周期，T_S1为POO作用时间，T₀为OOO作用时间，T_S2为冗余小矢量PPO、OON在一个采样周期内作用时间之和。设PPO作用时间为k*T_S2，则OON作用时间为(1-k)*T_S2，则有：

式(7)中，T_PPO为PPO作用时间，T_OON为OON在一个采样周期内作用时间，T_POO为POO在一个采样周期内作用时间，k为冗余小矢量作用时间因子。

PPO对应中点电流为ic，OON对应中点电流为-ic，POO对应中点电流为-ia，则可得出在一个采样周期内中点电位的振荡值，如下：

V_O＝T_S*((2k-1)*2m*sin(θ)*ic-2m*sin(π/3-θ)*ia)/C (8)

式(8)中，V_O为中点电位的振荡值，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的相电压，C为三电平NPC变流器直流母线上电容C1和下电容C2电容值之和。当每个采样周期内中点电位振荡为零时，有V_O＝0，代入式(8)，可得：

式(9)即为指令电压位置0.2，当每个采样周期内中点电位振荡为零时对应的中点电位平衡公式。同样原理可得到指令电压位置1.2、2.2、3.2、4.2、5.2对应的中点电位平衡公式，则得到了指令电压所在区域编号为2时对应的中点电位平衡公式。

(3)指令电压所在区域编号为3时对应的中点电位平衡公式

假设指令电压落在如图4所示的扇区0.3，由最近三矢量原则，合成指令电压的电压空间矢量作用序列为POO-PON-OON-ONN。设采样周期为T_s，冗余小矢量POO、ONN在一个采样周期内作用时间之和为T_S1，PON作用时间为T_M，OON作用时间为T_S2，则有：

式(10)中，m代表调制比，θ代表空间矢量角，T_s为采样周期，T_S1为冗余小矢量POO、ONN在一个采样周期内作用时间之和，T_M为PON作用时间，T_S2为OON在一个采样周期内作用时间。设ONN作用时间为k*T_S1，则POO作用时间为(1-k)*T_S1，则有：

式(11)中，T_ONN为ONN作用时间，T_POO为POO在一个采样周期内作用时间，T_OON为OON在一个采样周期内作用时间，T_PON为PON在一个采样周期内作用时间，k为冗余小矢量作用时间因子。

ONN对应中点电流为ia，POO对应中点电流为-ia，OON对应中点电流为-ic，PON对应中点电流为ib，则可得出在一个采样周期内中点电位的振荡值，如下：

式(12)中，V_O为中点电位的振荡值，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的相电压，C为三电平NPC变流器直流母线上电容C1和下电容C2电容值之和。当每个采样周期内中点电位振荡为零时，有V_O＝0，代入式(12)，可得：

式(13)即为指令电压位置0.3，当每个采样周期内中点电位振荡为零时对应的中点电位平衡公式。同样原理可得到指令电压位置1.3、2.3、3.3、4.3、5.3对应的中点电位平衡公式，则得到了指令电压所在区域编号为3时对应的中点电位平衡公式。

(4)指令电压所在区域编号为4时对应的中点电位平衡公式

假设指令电压落在如图4所示的扇区0.4，由最近三矢量原则，合成指令电压的电压空间矢量作用序列为PPO-POO-PON-OON。设采样周期为T_s，冗余小矢量PPO、OON在一个采样周期内作用时间之和为T_S2，PON作用时间为T_M，POO作用时间为T_S1，则有：

式(14)中，m代表调制比，θ代表空间矢量角，T_s为采样周期，T_S2为冗余小矢量PPO、OON在一个采样周期内作用时间之和，T_M为PON作用时间，T_S1为POO在一个采样周期内作用时间。设PPO作用时间为k*T_S2，则OON作用时间为(1-k)*T_S2，则有：

式(15)中，T_PPO为PPO作用时间，T_OON为OON在一个采样周期内作用时间，T_POO为POO在一个采样周期内作用时间，T_PON为PON在一个采样周期内作用时间，k为冗余小矢量作用时间因子。

PPO对应中点电流为ic，OON对应中点电流为-ic，POO对应中点电流为-ia，PON对应中点电流为ib，则可得出在一个采样周期内中点电位的振荡值，如下：

式(16)中，V_O为中点电位的振荡值，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相相电压，C为三电平NPC变流器直流母线上电容C1和下电容C2电容值之和。当每个采样周期内中点电位振荡为零时，有V_O＝0，代入式(16)，可得：

式(17)即为指令电压位置0.4，当每个采样周期内中点电位振荡为零时对应的中点电位平衡公式。同样原理可得到指令电压位置1.4、2.4、3.4、4.4、5.4对应的中点电位平衡公式，则得到了指令电压所在区域编号为4时对应的中点电位平衡公式。

(5)指令电压所在区域编号为5时对应的中点电位平衡公式

假设指令电压落在如图4所示的扇区0.5，由最近三矢量原则，合成指令电压的电压空间矢量作用序列为POO-PON-PNN-ONN。设采样周期为T_s，冗余小矢量POO、ONN在一个采样周期内作用时间之和为T_S1，PON作用时间为T_M，PNN作用时间为T_L1，则有：

式(18)中，m代表调制比，θ代表空间矢量角，T_s为采样周期，T_S1为冗余小矢量POO、ONN在一个采样周期内作用时间之和，T_M为PON作用时间，T_L1为PNN在一个采样周期内作用时间。设ONN作用时间为k*T_S1，则POO作用时间为(1-k)*T_S1，则有：

式(19)中，T_ONN为ONN作用时间，T_POO为POO在一个采样周期内作用时间，T_PON为PON在一个采样周期内作用时间，k为冗余小矢量作用时间因子。

ONN对应中点电流为ia，POO对应中点电流为-ia，PON对应中点电流为ib，则可得出在一个采样周期内中点电位的振荡值，如下：

V_O＝T_S*((2k-1)*(2-2m*sin(π/3+θ))*ia+(2m*sin(θ))*ib)/C (20)

式(20)中，V_O为中点电位的振荡值，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相相电压，C为三电平NPC变流器直流母线上电容C1和下电容C2电容值之和。当每个采样周期内中点电位振荡为零时，有V_O＝0，代入式(20)，可得：

式(21)即为指令电压位置0.5，当每个采样周期内中点电位振荡为零时对应的中点电位平衡公式。同样原理可得到指令电压位置1.5、2.5、3.5、4.5、5.5对应的中点电位平衡公式，则得到了指令电压所在区域编号为5时对应的中点电位平衡公式。

(6)指令电压所在区域编号为6时对应的中点电位平衡公式

假设指令电压落在如图4所示的扇区0.6，由最近三矢量原则，合成指令电压的电压空间矢量作用序列为PPO-PPN-PON-OON。设采样周期为T_s，冗余小矢量PPO、OON在一个采样周期内作用时间之和为T_S2，PON作用时间为T_M，PPN作用时间为T_L2，则有：

式(22)中，m代表调制比，θ代表空间矢量角，T_s为采样周期，T_S2为冗余小矢量PPO、OON在一个采样周期内作用时间之和，T_M为PON作用时间，T_L2为PPN在一个采样周期内作用时间。设PPO作用时间为k*T_S2，则OON作用时间为(1-k)*T_S2，则有：

式(23)中，T_PPO为PPO作用时间，T_OON为OON在一个采样周期内作用时间，T_PON为PON在一个采样周期内作用时间，k为冗余小矢量作用时间因子。

PPO对应中点电流为ic，OON对应中点电流为-ic，PON对应中点电流为ib，则可得出在一个采样周期内中点电位的振荡值，如下：

V_O＝T_S*((2k-1)*(2-2m*sin(π/3+θ))*ic+(2m*sin(π/3-θ))*ib)/C (24)

式(24)中，V_O为中点电位的振荡值，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相相电压，C为三电平NPC变流器直流母线上电容C1和下电容C2电容值之和。当每个采样周期内中点电位振荡为零时，有V_O＝0，代入式(24)，可得：

式(25)即为指令电压位置0.6，当每个采样周期内中点电位振荡为零时对应的中点电位平衡公式。同样原理可得到指令电压位置1.6、2.6、3.6、4.6、5.6对应的中点电位平衡公式，则得到了指令电压所在区域编号为6时对应的中点电位平衡公式。

通过以上计算，得到了各扇区和区域位置内中点电位平衡公式。

2、本发明利用冗余小矢量作用时间因子k控制两个冗余小矢量的作用时间，从而实现对中点电位的动态平衡调节。

设Tx为两个冗余小矢量总作用时间，不同扇区区域内利用冗余小矢量作用时间因子k控制冗余小矢量作用时间的具体方式如下：

1)对于冗余小矢量POO/ONN，POO作用时间为(1-k)*Tx，ONN作用时间为k*Tx；

2)对于冗余小矢量PPO/OON，OON作用时间为(1-k)*Tx，PPO作用时间为k*Tx；

3)对于冗余小矢量OPO/NON，OPO作用时间为(1-k)*Tx，NON作用时间为k*Tx；

4)对于冗余小矢量OPP/NOO，NOO作用时间为(1-k)*Tx，OPP作用时间为k*Tx；

5)对于冗余小矢量OOP/NNO，OOP作用时间为(1-k)*Tx，NNO作用时间为k*Tx；

6)对于冗余小矢量POP/ONO，ONO作用时间为(1-k)*Tx，POP作用时间为k*Tx；

即ONN、PPO、NON、OPP、NNO、POP对应作用时间k*Tx，POO、OON、OPO、NOO、OOP、ONO对应作用时间(1-k)*Tx。其原因为ONN、PPO、NON、OPP、NNO、POP对应中点电流为某相电流值，POO、OON、OPO、NOO、OOP、ONO对应中点电流值为某相电流值的相反数。对中点电位平衡方程的推导中，冗余小矢量作用时间因子k值对应的冗余小矢量，其中点电流为某相电流值，而1-k值对应的冗余小矢量，其中点电流为某相电流值相反数，故可以得到以上冗余小矢量作用时间分配方式。

上面具体方式中，Tx代表两个冗余小矢量总作用时间，P对应三电平NPC变流器某相上桥臂两个开关器件P1、P2导通输出的电平状态，O对应三电平NPC变流器某相上桥臂下面的开关器件P2和下桥臂上面的开关器件P3导通输出的电平状态，N对应三电平NPC变流器某相下桥臂两个开关器件P3、P4导通输出的电平状态。

本发明三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法利用两个冗余小矢量对中点电位作用效果相反的原理，以控制每个周期内中点电位振荡为零为计算目标，只需知道三相电流值和空间矢量角值，便可在线计算出两冗余小矢量作用时间因子。本发明控制方法可以将三电平NPC变流器中点电位偏差控制在较小范围内，提高了三电平NPC变流器的可靠性。

下面结合实施例说明本发明的实施效果。

本发明实施例借助PSIM软件搭建三电平NPC逆变器模型，利用仿真实验验证本发明提出的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法的有效性。

仿真实验条件如下：直流侧母线电压5000V，直流母线上桥臂电容和下桥臂电容的电容值均为10mF，逆变输出侧负载为5Ω电阻串联10mH电感。***仿真步长10us，以1200Hz频率进行采样。

图5为基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况。图5结果表明，在Udc1和Udc2差值较大，出现中点电位不平衡问题时，如果不添加中点电位平衡保护措施，Udc1和Udc2不平衡现象会一直存在，故需要添加中点电位平衡保护措施来让中点电位恢复平衡。

图6a、图6b、图6c为基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1初始值3500V，直流母线下桥臂电容C2电压Udc2初始值1500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果。其中，图6a是Udc1和Udc2变化情况，图6b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值，图6c为本发明计算得到的冗余小矢量作用时间因子k。仿真设定中点电位振荡限值为(Udc1+Udc2)*0.05，即当中点电位振荡值超过直流母线电压5％时，启动本发明中点电位平衡控制方法。图6a、图6b、图6c实施例结果表明，在Udc1和Udc2差值较大，即中点电位不平衡的情况下，使用本发明中点电位平衡控制方法可以将中点电位振荡值逐渐减小至直流母线电压5％内，有效的保证了中点电位的平衡。本发明方法计算得到的冗余小矢量作用时间因子k在中点电位振荡值小于直流母线电压5％内时赋值为0.5，其只在中点电位不平衡的情况下进行在线计算，并且值被限定到0到1。

图7为基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容电压Udc2初始值2500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况。图7结果表明，即使Udc1和Udc2初始值相同，如果不添加中点电位平衡保护措施，在三电平NPC变流器运行中也可能会出现中点电位不平衡问题，体现为Udc1和Udc2的差值越来越大，故需要添加中点电位平衡保护措施来防止三电平NPC变流器在运行过程中出现中点电位不平衡问题。

图8a、图8b为基波频率24Hz，调制比固定0.38，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容C2电压Udc2初始值2500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果。其中，图8a是Udc1和Udc2变化情况，图8b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值。仿真设定中点电位振荡限值为(Udc1+Udc2)*0.05，即当中点电位振荡值超过直流母线电压5％时，启动本发明中点电位平衡控制方法。图8a、图8b实施例结果表明，在Udc1和Udc2初始值相同的情况下，使用本发明中点电位平衡控制方法可以将中点电位振荡值一直限定在直流母线电压5％内，三电平NPC变流器在运行过程中不会出现中点电位不平衡问题。

图9为基波频率24Hz，调制比0.1-0.9循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容电压Udc2初始值2500V，不添加中点电位平衡保护措施下的Udc1和Udc2变化情况。图9结果表明，当调制比不断变化时，如果不添加中点电位平衡保护措施，在三电平NPC变流器运行中可能会出现中点电位不平衡问题，故需要添加中点电位平衡保护措施来防止三电平NPC变流器在调制比变化过程中出现中点电位不平衡问题。

图10a、图10b、图10c为基波频率24Hz，调制比0.1-0.9循环变化，直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容C2电压Udc2初始值2500V，在本发明控制方法作用下的实施例结果。其中，图10a是Udc1和Udc2变化情况，图10b是中点电位振荡值Vo和中点电位振荡限值及调制比m变化情况，图10c为本发明计算得到的冗余小矢量作用时间因子k。仿真设定调制比m在0.1-0.9之间循环变化，设定中点电位振荡限值为(Udc1+Udc2)*0.05，即当中点电位振荡值超过直流母线电压5％时，启动本发明中点电位平衡控制方法。图10a、图10b、图10c的实施例结果表明，在调制比不断变化时，使用本发明中点电位平衡控制方法可以将中点电位振荡值一直限定在直流母线电压5％内，三电平NPC变流器在调制比变化过程中不会出现中点电位不平衡问题。本发明方法计算得到的冗余小矢量作用时间因子k在中点电位振荡值小于直流母线电压5％内时赋值为0.5，其只在中点电位不平衡的情况下进行在线计算，并且值被限定到0到1。

如图5～图10a、图10b、图10c所示，实施例的结果验证了本发明三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法的有效性，在直流母线上桥臂电容C1电压Udc1和下桥臂电容C2电压Udc2接近时，其可以保证三电平NPC变流器在运行过程中不出现中点电位不平衡问题；在Udc1和Udc2初始差值较大，即出现中点电位不平衡问题时，其通过在线计算冗余小矢量作用时间因子k，可以将中点电位振荡值有效限制到直流母线电压5％内；在调制比不断变化时，其通过在线计算冗余小矢量作用时间因子k，可以保证三电平NPC变流器在调制比变化过程中不出现中点电位不平衡问题。本发明无需设计滞环控制参数，只需知道三相电流值和空间矢量角值，便可在线计算出两冗余小矢量作用时间因子。本发明可以将三电平NPC变流器中点电位偏差控制在较小范围内，提高了三电平NPC变流器的可靠性。

Claims (4)

1.一种三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法在三电平NPC变流器中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电位振荡为零为计算目标，得出不同扇区和区域内对应的中点电位平衡公式；判断当前指令电压所在扇区和区域位置，然后检测三相电流值和空间矢量角，将所述的三相电流值和空间矢量角代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式，计算得出冗余小矢量作用时间因子，利用冗余小矢量作用时间因子控制两个冗余小矢量的作用时间，实现对中点电位的动态平衡调节；

所述控制方法在中点电位振荡超过限定值时，通过将当前三相电流值和空间矢量角代入当前扇区和区域对应中点电位平衡公式进行计算，得出各扇区区域内冗余小矢量作用时间因子k；由中点电位平衡公式计算得到的k取值范围应限定在0到1，即：

当三电平NPC变流器中点电位振荡值在限定范围内时，两个冗余小矢量作用时间相同，有k＝0.5，k为冗余小矢量作用时间因子；

所述控制方法利用冗余小矢量作用时间因子k控制两个冗余小矢量的作用时间，实现对中点电位的动态平衡调节；设Tx为两个冗余小矢量总作用时间，不同扇区区域内利用k控制冗余小矢量作用时间的方法如下：

1)对于冗余小矢量POO/ONN，POO作用时间为(1-k)*Tx，ONN作用时间为k*Tx；

2)对于冗余小矢量PPO/OON，OON作用时间为(1-k)*Tx，PPO作用时间为k*Tx；

3)对于冗余小矢量OPO/NON，OPO作用时间为(1-k)*Tx，NON作用时间为k*Tx；

4)对于冗余小矢量OPP/NOO，NOO作用时间为(1-k)*Tx，OPP作用时间为k*Tx；

5)对于冗余小矢量OOP/NNO，OOP作用时间为(1-k)*Tx，NNO作用时间为k*Tx；

6)对于冗余小矢量POP/ONO，ONO作用时间为(1-k)*Tx，POP作用时间为k*Tx；

上述方法中，Tx代表两个冗余小矢量总作用时间，P对应三电平NPC变流器某相上桥臂两个开关器件P1、P2导通输出的电平状态，O对应三电平NPC变流器某相上桥臂的开关器件P2和下桥臂的开关器件P3导通输出的电平状态，N对应三电平NPC变流器某相下桥臂两个开关器件P3、P4导通输出的电平状态。

2.根据权利要求1所述的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法判断各扇区位置编号的方法如下：

1)当0≤θ＜π/3，当前扇区编号为扇区0；

2)当π/3≤θ＜2π/3，当前扇区编号为扇区1；

3)当2π/3≤θ＜π，当前扇区编号为扇区2；

4)当π≤θ＜4π/3，当前扇区编号为扇区3；

5)当4π/3≤θ＜5π/3，当前扇区编号为扇区4；

6)当5π/3≤θ＜2π，当前扇区编号为扇区5；

上述判断方式中，θ为当前空间矢量角。

3.根据权利要求1所述的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法判断各区域位置编号的方法如下：

上式中，T_s为采样周期，m为调制比，t1、t2、t3为判断各扇区内区域位置的时间因子，θ₁为当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应的角度，有θ₁＝θ-int(θ/(π/3))，int表示将一个数值向下取整为最接近的整数；

利用时间因子t1、t2、t3和当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应角度θ₁的大小判断各扇区内区域位置编号，方法如下：

1)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,0≤θ₁＜π/6，当前区域编号为区域1；

2)当t1≥0,t2＜0,t3≥0,π/6＜θ₁≤π/3，当前区域编号为区域2；

3)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,0≤θ₁＜π/6，当前区域编号为区域3；

4)当t1≥0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ₁≤π/3，当前区域编号为区域4；

5)当t1≥0,t2≥0,t3＜0,0≤θ₁＜π/6，当前区域编号为区域5；

6)当t1＜0,t2≥0,t3≥0,π/6＜θ₁≤π/3，当前区域编号为区域6；

各扇区和区域位置表示为扇区编号.区域编号，扇区0的区域1位置，表示为0.1，扇区1的区域1位置，表示为1.1。

4.根据权利要求3所述的三电平NPC变流器中点电位平衡控制方法，其特征在于，在三电平NPC变流器中点电位振荡超过限定值时，以保持每个采样周期内中点电压振荡为零为计算目标，得出各扇区和区域内对应的中点电位平衡公式如下：

位置0.1，

位置0.2，

位置0.3，

位置0.4，

位置0.5，

位置0.6，

位置1.1，

位置1.2，

位置1.3，

位置1.4，

位置1.5，

位置1.6，

位置2.1，

位置2.2，

位置2.3，

位置2.4，

位置2.5，

位置2.6，

位置3.1，

位置3.2，

位置3.3，

位置3.4，

位置3.5，

位置3.6，

位置4.1，

位置4.2，

位置4.3，

位置4.4，

位置4.5，

位置4.6，

位置5.1，

位置5.2，

位置5.3，

位置5.4，

位置5.5，

位置5.6，

上述公式中，m为调制比，θ₁＝θ-int(θ/(π/3))为当前空间矢量角θ旋转到扇区0对应的角度，int表示将一个数值向下取整为最接近的整数，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的电流，k代表各扇区区域内冗余小矢量作用时间因子。

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