一种NPC三相四线逆变器中点电压平衡控制方法

本发明属于电力电子，尤其涉及一种npc三相四线逆变器中点电压平衡控制方法。

背景技术：

1、近年来，三电平逆变器在高压大功率场合得到了广泛应用，如可再生能源发电和电机驱动等场合。三电平三桥臂逆变器适用于给三相平衡负载供电，当连接到不平衡或非线性负载时，三相输出电压存在不平衡甚至畸变问题。中点钳位型(neutral pointclamped,npc)三电平四桥臂逆变器用于三相四线制系统中时通过中性桥臂为零序电流提供通路，是解决不平衡和非线性负载问题的有效方案。

2、中点电压平衡是npc三电平逆变器的关键控制指标，是保证系统高输出电能质量和稳定运行的首要条件。三电平三相和多相对称系统的中点电压平衡问题已经被广泛研究，解决该问题的调制方法主要分为空间矢量调制(space vector pwm,svpwm)方法、基于载波的pwm(carrier-based pwm,cbpwm)方法和不连续pwm(discontinuous pwm，dpwm)方法。对于svpwm方法，amit kumar gupta等提出了一种npc三电平三桥臂svpwm方法，通过调节冗余小矢量来控制中点电流的流动方向，进而实现中点电压平衡控制，但是该方法只能使中点电压振荡幅值保持在一定范围内，无法完全消除中点电压低频振荡。abdelmalikzorig等结合直流侧电容电压，引入新的控制变量动态调节冗余小矢量来提高中点电压平衡性能，能够缩短计算时间，但是仍然存在中点电压低频振荡。abdelmalik zorig等通过合成虚拟矢量来增大可用的中点电流，能够完全消除中点电压低频振荡。ji zhang团队和ravi varma chavali团队通过构建虚拟矢量，在改善中点电压平衡控制能力的同时可以实现过程简化或过调制。对于cbpwm方法，一般通过在参考电压中注入零序电压来减小中点电压低频振荡幅值和减小开关损耗。hyun-jun lee等通过补偿中点电压平衡控制器产生的时间延迟减小中点电压振荡幅值。为了在保持中点电压平衡的同时减小开关损耗，姜卫东团队提出了一种具有三开关状态切换次数的cbpwm方法，在保证中点电压平衡的同时，三个桥臂在一个开关周期内开关状态共切换三次。为了解决cbpwm共有的开关损耗大的问题，renkangle团队、june-seok lee团队和yang jiao等提出了基于dpwm的中点电压平衡控制方法，能够减小开关动作次数，但无法消除中点电压的低频振荡。多相逆变器的中点电压平衡控制主要基于cbpwm方法，因为随着相数的增加，可用矢量的数量呈指数增长，使得svpwm方法复杂难于实现。上述方法都用于对称系统中，而在三相四线制系统中，中性桥臂用于补偿由三相不平衡负载引起的零序电流，在参考电压、负载和偏置电压三个方面都与四相对称系统不同，因此上述方法无法直接用于三相四线制逆变器中。

3、目前对用于三相四线制系统的npc三电平四桥臂逆变器调制策略的研究大多集中于svpwm方法。leopoldo garcia franquelo团队提出了基于abc坐标系的svpwm算法，具有较高的直流母线电压利用率，但是无法直接控制零序电流。li zhang团队、m.bouzidi团队、ali chebabhi团队和hani vahedi团队研究了基于αβ0坐标系的svpwm控制，这些研究重点关注简化算法或降低开关频率，没有探讨调整冗余小矢量作用时间分配因子以平衡中点电压的方法，因此中点电压波动较大。为了解决该问题，ralph kennel团队提出了一种通过调节冗余小矢量作用时间分配因子平衡中点电压的svpwm方法，提高了中点电压平衡控制能力。svpwm应用到三电平四桥臂逆变器中时具有较大的计算量，为此，felix rojas等将三维矢量搜索转化为二维问题，显著减小了计算量，但svpwm的计算时间和实现难度仍然高于cbpwm方法。在三相四线制系统中，npc三电平四桥臂逆变器cbpwm方法的研究较少。jang-hwan kim等通过引入新的偏置电压，实现了具有最优开关序列的cbpwm方法，减小了输出电压中的谐波含量，但没有考虑中点电压平衡控制问题。陈维强等利用三电平四桥臂逆变器具有冗余序列的特性，在保证最优开关序列的同时，能够降低中点电压低频振荡幅值，但是不能完全消除中点电压低频振荡。meng-jiang tsai团队研究了一种三维中点电压振荡消除pwm方案，通过双调制波调节相占空比，能够完全消除低频振荡，然而，该方案具有较大的开关损耗。具有中点电压平衡控制能力的低开关损耗dpwm方法目前未被应用到三相四线制系统的三电平四桥臂逆变器中。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种npc三相四线逆变器中点电压平衡控制方法。设计了基于cbpwm和dpwm的混合调制方法，并设计了混合调制方法的切换条件，实现了完全消除中点电压低频振荡且显著降低开关状态切换次数的控制目标。

2、本发明提出的npc三相四线逆变器中点电压平衡控制方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤1：利用npc三相四线逆变器端电压与输出电压的关系，得到四个端电压，并按照大小关系，对四个端电压进行重新整理；

4、根据npc三相四线逆变器端电压与输出电压的关系，得到四个桥臂的端电压；

5、所述四个桥臂的端电压表达式为：

6、

7、其中，vaf、vbf和vcf为逆变器三相输出电压；vao、vbo和vco为三相桥臂端电压；vfo为中性桥臂端电压，也称为偏置电压；上述电压都为标幺值，采用的基准值为其中vdc表示直流母线电压；

8、上述公式(1)中的偏置电压vfo为：

9、

10、步骤1.2：按照大小关系对四个端电压vao、vbo、vco和vfo进行重新整理，得到vmax、vmid1、vmid2和vmin，且vmax≥vmid1≥vmid2≥vmin，对应的逆变器桥臂输出电流分别为imax、imid1、imid2和imin；

11、步骤2：根据端电压的正负，将端电压的分布分成三种情况，以平均中点电流等于零为约束条件，计算每种端电压分布情况下的偏置电压偏移量，并设计基于cbpwm的中点电压平衡控制方法；

12、步骤2.1：根据端电压的正负，将端电压的分布分成三种情况；

13、所述三种端电压分布情况分别为：

14、情况一：vmax≥0，vmid1≥0，vmid2≥0，vmin<0；

15、情况二：vmax≥0，vmid1<0，vmid2<0，vmin<0；

16、情况三：vmax≥0，vmid1≥0，vmid2<0，vmin<0；

17、步骤2.2：建立中点电流inp与偏置电压偏移量δvfo的关系，以平均中点电流等于零为约束条件，计算每种端电压分布情况下的偏置电压偏移量；

18、所述中点电流inp与偏置电压偏移量δvfo的关系为：

19、

20、令上述公式(3)中的inp等于零，得到三种端电压分布情况下的偏置电压偏移量；

21、端电压分布为情况一时的偏置电压偏移量δvfo1为：

22、

23、端电压分布为情况二时的偏置电压偏移量δvfo2为：

24、

25、端电压分布为情况三时的偏置电压偏移量为δvfo3为：

26、

27、步骤2.3：设计基于cbpwm的中点电压平衡控制方法；

28、通过判断端电压的分布情况，结合公式(4)、(5)和(6)，得到cbpwm进行中点电压平衡控制所需的偏置电压偏移量δvfo_cbpwm，具体为：

29、如果端电压分布属于情况一，则δvfo_cbpwm＝δvfo1；如果端电压分布属于情况二，则δvfo_cbpwm＝δvfo2；如果端电压分布属于情况三，则δvfo_cbpwm＝δvfo3；

30、将偏置电压偏移量δvfo_cbpwm加到vmax、vmid1、vmid2和vmin上，得到调整后的四个桥臂端电压：

31、

32、其中，v'max、v'mid1、v'mid2、v'min为调整后的四个桥臂端电压，将四个端电压作为四个桥臂的调制波，分别与载波比较，生成用于控制功率开关管通断的脉冲信号；

33、步骤3：设计四种钳位方式，计算每种钳位方式下的偏置电压偏移量；给出钳位方式和调制波拆分桥臂选择方法，设计基于dpwm的中点电压平衡控制方法；

34、步骤3.1：设计四种钳位方式，计算每种钳位方式下的偏置电压偏移量和中点电流；

35、第一种钳位方式：将端电压为vmax的桥臂钳位至p状态，这种钳位方式下的偏置电压偏移量δvfo4和中点电流inpmaxp分别为：

36、δvfo4＝1-vmax                               (8)

37、

38、第二种钳位方式：将端电压为vmin的桥臂钳位至n状态，这种钳位方式下的偏置电压偏移量δvfo5和中点电流inpminn分别为：

39、δvfo5＝-1-vmin                                   (10)

40、

41、第三种钳位方式：将端电压为vmid1的桥臂钳位至o状态，这种钳位方式下的偏置电压偏移量δvfo6和中点电流inpmid1o分别为：

42、δvfo6＝-vmid1                                    (12)

43、

44、第四种钳位方式：将端电压为vmid2的桥臂钳位至o状态，这种钳位方式下的偏置电压偏移量δvfo7和中点电流inpmid2o分别为：

45、δvfo7＝-vmid2                                    (14)

46、

47、步骤3.2：设计钳位方式选择方法；

48、所述钳位方式选择方法为：

49、如果δvfo_cbpwm≥1-vmax，选择第一种钳位方式，这种钳位方式下产生的中点电流inp_dpwm＝inpmaxp；

50、如果不满足第一种钳位方式，且δvfo_cbpwm≤-1-vmin，选择第二种钳位方式，这种钳位方式下产生的中点电流inp_dpwm＝inpminn；

51、如果不满足第一种和第二种钳位方式，且v'mid1与vmid1的符号不同，选择第三种钳位方式，这种钳位方式下产生的中点电流inp_dpwm＝inpmid1o；

52、如果不满足第一种、第二种和第三种钳位方式，且v'mid2与vmid2的符号不同，选择第四种钳位方式，这种钳位方式下产生的中点电流inp_dpwm＝inpmid2o；

53、步骤3.3：设计调制波拆分桥臂选择方法；

54、选定钳位方式后，判断非钳位桥臂的桥臂输出电流与中点电流inp_dpwm的方向关系，选择与中点电流inp_dpwm方向相同的桥臂作为备选拆分桥臂，分别计算各个备选拆分桥臂对中点电流的贡献度；

55、所述贡献度icon的计算公式为：

56、icon＝|ik·(1-|vk)|                            (16)

57、其中，ik为备选拆分桥臂的桥臂输出电流，vk为备选拆分桥臂的端电压；

58、选择贡献度icon最大的桥臂作为调制波拆分桥臂；

59、步骤3.4：计算拆分桥臂的两个子调制波；

60、所述拆分桥臂的两个子调制波为：

61、

62、其中，v'k为拆分桥臂的端电压，vz为子调制波调整值，其表达式为：

63、

64、其中，ik为拆分桥臂的桥臂输出电流；

65、步骤3.5：设计基于dpwm的中点电压平衡控制方法；

66、通过步骤3.2选出钳位方式，结合公式(8)、(10)、(12)和(14)，得到dpwm的偏置电压偏移量δvfo_dpwm，具体为：

67、如果属于第一种钳位方式，则δvfo_dpwm＝δvfo4；如果属于第二种钳位方式，则δvfo_dpwm＝δvfo5；如果属于第三种钳位方式，则δvfo_dpwm＝δvfo6；如果属于第四种钳位方式，则δvfo_dpwm＝δvfo7；

68、将偏置电压偏移量δvfo_dpwm加到vmax、vmid1、vmid2和vmin上，得到调整后的四个桥臂端电压：

69、

70、其中，v”max、v”mid1、v”mid2、v”min为调整后的四个桥臂端电压；

71、根据步骤3.3和步骤3.4选出调制波拆分桥臂，并计算拆分桥臂的两个子调制波；将非拆分桥臂调整后的桥臂端电压作为调制波，拆分桥臂的子调制波作为两个调制波，将上述调制波分别与载波比较，生成用于控制功率开关管通断的脉冲信号；

72、步骤4：设计混合调制方法的切换条件，得到基于cbpwm和dpwm的中点电压平衡控制方法；若偏置电压偏移量δvfo_cbpwm满足-1-vmin＜δvfo_cbpwm＜1-vmax，且四个桥臂的端电压vmax、vmid1、vmid2、vmin分别与v'max、v'mid1、v'mid2、v'min的符号相同，则使用基于cbpwm的中点电压平衡控制方法，执行步骤2.3，否则使用基于dpwm的中点电压平衡控制方法，执行步骤3.5，得到基于cbpwm和dpwm的中点电压平衡控制方法。

73、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

74、本发明提出了一种npc三相四线逆变器中点电压平衡控制方法。设计了基于cbpwm的和dpwm的混合调制方法，并设计了混合调制方法的切换条件，实现了完全消除中点电压低频振荡，并显著降低开关状态切换次数的控制目标。采用cbpwm方法时，通过调节偏置电压，实现中点电压平衡控制，并且保证每个开关周期内，每个桥臂进行一次开关状态切换；采用dpwm方法时，在一个开关周期内，四个桥臂中有一个桥臂进行电平钳位，开关状态不切换，有两个桥臂的开关状态各切换一次，还有一个桥臂的调制波拆解为双调制波，开关状态切换两次；混合调制方法能够增强中点电压平衡控制能力，完全消除中点电压低频振荡，且在一个开关周期内四个桥臂的开关状态共切换四次，显著降低开关状态切换次数。