CN109713925A - 一种三相四线制三电平逆变器的直流侧均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及插座技术领域,具体是涉及提供了一种可以在双载波SPWM调制下实现、算法扩展性较好的三相四线制三电平逆变器的直流侧均压控制方法，通过逆变器输出正电压、逆变器输出负电压以及逆变器输出零电平时得出均压因子，采用采用双载波SPWM调制算法得到均压因子的值，然后根据上下电容的电压差计算各桥臂所需的均压电流并加到***电流环控制器。

Description

一种三相四线制三电平逆变器的直流侧均压控制方法

技术领域

本发明涉及电力技术应用领域,具体是涉及一种三相四线制三电平逆变器的直流侧均压控制方法。

背景技术

直流侧上下电容电压不平衡是电容***式拓扑的固有问题，也是***控制的关键点，中点电位的不平衡会造成输出电压波形畸变，开关器件承压不均衡甚至因此损坏，降低直流侧电容寿命等严重问题。目前已经有很多学者对该问题做了大量研究，针对三相三线制三电平的直流侧均压控制，主要有基于零序电压注入和基于SVPWM冗余矢量的控制策略。基于零序电压注入的控制方式理论清晰，便于理解，但零序电压的求解较为复杂。而基于SVPWM冗余矢量的控制策略是通过增加与中点电压偏移方向相反的小矢量来抑制中点电压偏移，本质上来讲，其仍是通过注入零序电压分量来实现中点电位平衡。

而三相四线制***中，由于中线的存在，通过注如零序电压分量的方法不再适用，针对三相四线制***，目前中点电压平衡控制主要有基于中线电流注入的控制方式和3D-SVPWM调制方式，基于中线电流注入的控制方式，通过PI等控制环调节误差，并生成相应的中点电位平衡电流加入***指令电流的方式，调节中点电位，但该方法PI控制器设计较为复杂。而基于3D-SVPWM的控制策略通过扩展3D-SVPWM的子空间实现中点电位平衡，但其算法运算量大，且仅适用于3D-SVPWM调制方式，无法在目前常用的双载波SPWM调制下实现，算法扩展性较差

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种可以在双载波SPWM调制下实现、算法扩展性较好的三相四线制三电平逆变器的直流侧均压控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种三相四线制三电平逆变器的直流侧均压控制方法，包括以下步骤：

步骤一：定义三相四线制三电平逆变器上下电容电压分别为V_dc1和V_dc2，每个桥臂输出电流io，则三电平SAPF每个桥臂输出的电压有3种情况：+V_dc1，-V_dc2，0；

当逆变器输出正电压+V_dc1时，电流通过上电容，因此电流流入桥臂时，上电容充电；而电流流出桥臂时，上电容放电，则上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流i_o的关系可以表示为：

当逆变器输出负电压-V_dc2时，电流通过下电容，因此电流流出桥臂时，下电容充电；而电流流入桥臂时，上电容放电；因此在输出负电平时，上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流io的关系可以表示为：

当逆变器输出零电平时,无论电流流入还是流出桥臂，电流皆不通过电容,因此在输出零电平时，上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流i_o的关系可以表示为：

向桥臂注入固定的均压电流i_o，其引起的直流侧电压不平衡仅与注入电流方向和输出正负电平总时间有关，而与桥臂输出电压无关。

设在一段时间T内，逆变器输出高电平时间占t₁，输出低电平时间占t₂，输出零电平的时间占t₀，若控制方法向***中注入固定均压电流io，可以使直流侧中点偏移量为

式中，T＝t₀+t₁+t₂为注入均压电流总作用时间，d₁和d₂为作用时间内输出高电平和低电平的占空比。

因此，当上下电容不均压时，可通过在一段时间内，通过向桥臂注入一固定的均压电流来矫正不均压情况，注入的均压电流为：

由于电容电压差值V_ddc可通过采样得到，而上下电容容值C_dc已经确定，因此，在选定控制周期T后，均压所需的注入电流量只与正负电平的占空比有关，定义均压因子为β：

β＝(d₁+d₂)T

此时，只需计算出β，则均压电流注入量即可确定，将所得均压电流注入量加入到逆变器控制环的电流指令后，即可达到均压的目的；

步骤二：采用双载波SPWM调制算法，当调制波Vm大于0时，桥臂输出正电平和零电平，当调制波和载波为标幺化值时，输出正电平的占空比数值上等于调制波的值Vm；同样的，当调制波Vm小于0时，桥臂输出负电平和零电平，而输出负电平的占空比数值上等于调制波的绝对值|Vm|；

因此，在整个调制波周期内，

步骤三：均压因子通过调制波信号Vm一个电网周期累加后，在周期结束后，输出整个周期累加的结果，得到均压因子β，计算所得的均压因子值用于下一周期的均压注入均压电流的计算；

同时，直流侧电压上存在着以电网周期的周期性波动，该波动为补偿引起，并不是需要调节的不平衡电压，故不平衡电压应为直流侧电压的直流量，因此，直流侧电容电压差值V_ddc采样滤除周期性的波动后，将直流量作为参考信号值，因此采用滑动平均滤波器的方式滤除V_ddc上的波动，因此，只需根据上下电容的电压差计算各桥臂所需的均压电流并加到***电流环控制器的参考电流中。

通过采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：本发明针对三电平三相四线制逆变器存在的均压问题，通过注入均压电流可改善直流侧的不均压状况，并通过所需注入电流量与上下电容压差的关系，二者仅与桥臂输出正负电平的总占空比相关，根据此数学关系设计了相应的直流侧均压控制方法，不仅可以在双载波SPWM调制下实现，简化了控制，而且提高了均压控制的准确度。

附图说明

图1为本发明桥臂输出正电平时电流路径图；

图2为本发明桥臂输出负电平时电流路径图；

图3为本发明桥臂输出零电平时电流路径图；

图4为本发明三电平的双载波调制方法图；

图5为本发明均压因子计算方法图；

图6为本发明直流侧均压所需注入的均压电流计算方法图；

图7为本发明直流侧均压总体控制框图；

图8为均压算法投入前后直流侧上电容电压V_dc1和下电容电压V_dc2波形；

图9(a)为均压算法投入前后逆变器输出结果中均压算法投入前负载电流波形图；

图9(b)为均压算法投入后负载电流，补偿电流和电网电流波形图；

图9(c)为均压算法投入前电网电流FFT分析结果图；

图9(d)为均压算法投入后电网电流FFT分析结果图。

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详细的说明:

如图1-图7所示，一种有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，步骤一：定义三相四线制三电平逆变器上下电容电压分别为V_dc1和V_dc2，每个桥臂输出电流io，则三电平SAPF每个桥臂输出的电压有3种情况：+V_dc1，-V_dc2，0；

当逆变器输出正电压+V_dc1时，如附图1所示，电流通过上电容，因此电流流入桥臂时，上电容充电；而电流流出桥臂时，上电容放电，则上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流i_o的关系可以表示为：

当逆变器输出负电压-V_dc2时，如附图2所示，电流通过下电容，因此电流流出桥臂时，下电容充电；而电流流入桥臂时，上电容放电。

因此在输出负电平时，上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流i_o的关系可以表示为：

当逆变器输出零电平时，如附图3所示，无论电流流入还是流出桥臂，电流皆不通过电容。

因此在输出零电平时，上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流i_o的关系可以表示为：

由上述可以看出，只有当输出电压为正电平或者负电平的时候，电容电压才会发生改变。

令上下电容电压差为V_ddc＝V_dc1-V_dc2，当V_ddc≠0时，上下电容电压不平衡。设计时一般上下电容容值一致，设上下电容容值为C_dc，则可以将上述分析总结为如下表：

表1.不同输出电压情况下电流对直流电容电压的影响

由以上分析可知，若向桥臂注入固定的均压电流i_o，其引起的直流侧电压不平衡仅与注入电流方向和输出正负电平总时间有关，而与桥臂输出电压无关。

设在一段时间T内，逆变器输出高电平时间占t₁，输出低电平时间占t₂，输出零电平的时间占t₀，若控制方法向***中注入固定均压电流io，可以使直流侧中点偏移量为

式中，T＝t₀+t₁+t₂为注入均压电流总作用时间，d₁和d₂为作用时间内输出高电平和低电平的占空比。

因此，当上下电容不均压时，可通过在一段时间内，通过向桥臂注入一固定的均压电流来矫正不均压情况，注入的均压电流为：

由于电容电压差值V_ddc可通过采样得到，而上下电容容值Cdc在设计SAPF时已经确定，因此，在选定合适的控制周期T后，均压所需的注入电流量只与正负电平的占空比有关。定义均压因子为β：

β＝(d₁+d₂)T

此时，只需计算出β，则均压电流注入量即可确定，将所得均压电流注入量加入到逆变器控制环的电流指令后，即可达到均压的目的。

步骤二：均压所需的均压电流注入量与桥臂输出的正负电平占空比相关，本发明采用的双载波SPWM调制策略如附图4所示。

根据双载波调制算法，当调制波Vm大于0时，桥臂输出正电平和零电平，当调制波和载波为标幺化值时，输出正电平的占空比数值上等于调制波的值Vm；同样的，当调制波Vm小于0时，桥臂输出负电平和零电平，而输出负电平的占空比数值上等于调制波的绝对值|Vm|。

因此，在整个调制波周期内，

需要指出的是，当***采用SVPWM或3D-SVPWM调制时，由于调制过程中需计算每个矢量的开关时间，于是在一个基波周期内的均压因子可通过正负电平矢量总作用时间的求和来求解。

因此在逆变器稳定工作时，调制波是以电网周期的周期性信号，故可以将均压控制周期设定为电网周期。因此均压因子的计算方式如下附图5所示；

均压因子通过调制波信号Vm一个电网周期累加后，在周期结束后，输出整个周期累加的结果，得到均压因子β，计算所得的均压因子值用于下一周期的均压注入均压电流的计算。

同时，由之前分析可知，直流侧电压上存在着以电网周期的周期性波动，该波动为补偿引起，并不是需要调节的不平衡电压，故不平衡电压应为直流侧电压的直流量。因此，直流侧电容电压差值V_ddc需采样滤除周期性的波动后，将直流量作为参考信号值，因此本文采用前文所述的滑动平均滤波器的方式滤除V_ddc上的波动，因此，所需注入的均压电流计算方式如图6所示；

该计算方法是针对每一桥臂去进行均压电流的计算的，当***为不平衡负载补偿时，调制波可能存在不同，因此三个桥臂输出正电平和负电平占空比是不等的，因此该方法可精确计算每一桥臂需要注入的均压电流值，可以看出，该方法比传统的PI控制方式更为精准，同时由于该方法直接通过计算获得注入的均压电流量，而省去了PI控制环的设计，该方法更便于在实际数字控制***中的实现。

因此将三相分别计算所得的均压电流分别加入每一相的电流环即可实现直流侧均压，以SAPF控制环为例，直流侧均压总体控制框图如附图7所示；

在附图7的控制方法中，abc三相根据各自的调制波来计算各桥臂的均压因子β，然后根据上下电容的电压差计算各桥臂所需的均压电流并加到***电流环控制器的参考电流中。因此，每个桥臂的均压电流可以单独计算，从而避免各桥臂出现与自身调制不符的错误均压电流信号，提高均压控制的精确度。

为进一步验证发明所提的三相四线制三电平逆变器直流侧均压控制算法的正确性和有效性，搭建了的三电平三相四线制有源电力滤波器样机，主要参数如表2所示。

表2直流侧均压验证样机主要参数

负载设置为三相不控整流桥负载，在直流侧均压算法不投入的情况下运行一小段时间后，投入本文提出的均压算法，并记录此时直流侧上下电容电压的变化，实验结果如附图8

由上图可以看出，当均压控制算法投入前，直流侧上下电容存在约20V的电压差，当本文提出的均压控制算法投入后，直流侧上下电容电压差逐渐向二者的平均值靠近，最后上下电容电压基本相等，直流侧的不均压被消除了。为说明上下电容不均压对逆变器输出效果的影响，分别对均压环投入前和投入后的电网电流做FFT分析，分析结果如附图9。

由FFT分析结果可以看出，当均压环投入前，由于直流侧上下电容不均压，导致输出电压存在正负半周不对称，因此会往电网电流注入低次谐波，此时电网低次谐波含量较高，而当均压环投入后，直流侧上下电容不均压被平衡，因此电网电流低次谐波被基本被消除。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种三相四线制三电平逆变器的直流侧均压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：定义三相四线制三电平逆变器上下电容电压分别为Vdc1和V_dc2，每个桥臂输出电流io，则三电平SAPF每个桥臂输出的电压有3种情况：+V_dc1，-V_dc2，0；

当逆变器输出正电压+V_dc1时，电流通过上电容，因此电流流入桥臂时，上电容充电；而电流流出桥臂时，上电容放电，则上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流io的关系可以表示为：

当逆变器输出负电压-V_dc2时，电流通过下电容，因此电流流出桥臂时，下电容充电；而电流流入桥臂时，上电容放电；因此在输出负电平时，上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流io的关系可以表示为：

当逆变器输出零电平时,无论电流流入还是流出桥臂，电流皆不通过电容,因此在输出零电平时，上下电容电压V_dc1、V_dc2与桥臂电流io的关系可以表示为：

向桥臂注入固定的均压电流io，其引起的直流侧电压不平衡仅与注入电流方向和输出正负电平总时间有关，而与桥臂输出电压无关。

设在一段时间T内，逆变器输出高电平时间占t₁，输出低电平时间占t₂，输出零电平的时间占t₀，若控制方法向***中注入固定均压电流io，可以使直流侧中点偏移量为

式中，T＝t₀+t₁+t₂为注入均压电流总作用时间，d₁和d₂为作用时间内输出高电平和低电平的占空比。

因此，当上下电容不均压时，可通过在一段时间内，通过向桥臂注入一固定的均压电流来矫正不均压情况，注入的均压电流为：

由于电容电压差值V_ddc可通过采样得到，而上下电容容值C_dc已经确定，因此，在选定控制周期T后，均压所需的注入电流量只与正负电平的占空比有关，定义均压因子为β：

β＝(d₁+d₂)T

此时，只需计算出β，则均压电流注入量即可确定，将所得均压电流注入量加入到逆变器控制环的电流指令后，即可达到均压的目的；

步骤二：采用双载波SPWM调制算法，当调制波Vm大于0时，桥臂输出正电平和零电平，当调制波和载波为标幺化值时，输出正电平的占空比数值上等于调制波的值Vm；同样的，当调制波Vm小于0时，桥臂输出负电平和零电平，而输出负电平的占空比数值上等于调制波的绝对值|Vm|；

因此，在整个调制波周期内，

步骤三：均压因子通过调制波信号Vm一个电网周期累加后，在周期结束后，输出整个周期累加的结果，得到均压因子β，计算所得的均压因子值用于下一周期的均压注入均压电流的计算；

同时，直流侧电压上存在着以电网周期的周期性波动，该波动为补偿引起，并不是需要调节的不平衡电压，故不平衡电压应为直流侧电压的直流量，因此，直流侧电容电压差值V_ddc采样滤除周期性的波动后，将直流量作为参考信号值，因此采用滑动平均滤波器的方式滤除V_ddc上的波动，因此，只需根据上下电容的电压差计算各桥臂所需的均压电流并加到***电流环控制器的参考电流中。