基于电荷平衡的三电平变频器中点电压平衡方法 技术领域 本发明涉及一种基于电荷平衡的三电平变频器中点电压平衡方法，属于电力电子应用技术领域。
背景技术 随着电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的发展，多电平变频器正成为功率电源、电机驱动和电力系统变流等应用领域中最为热门的研究方向之一。它增强了输出电平的个数，有利于实现输出电压波形的正弦化，减少谐波分量，降低dv/dt和di/dt电应力，从而提高变频器效率和功率因数，提高系统运行可靠性。多电平变频器主要有三种拓扑结构：二极管钳位式、电容跨接式和H桥级联式。而由于结构简单，控制算法成熟，所用元器件数少，二极管钳位式的三电平变频器应用最为普遍。三电平变频器的脉宽调制(PWM)控制算法是三电平变频器系统中最核心的问题之一。常用的PWM算法有谐波消除法、优化目标函数法、滞环电流控制法、载波调制法以及空间电压矢量PWM等。由于空间电压矢量PWM控制方法具有较大的优势，如它可以优化开关矢量，降低开关频率，提高电压的利用率等，目前主要采用空间电压矢量调制方法进行调制。不管存在什么调制方法，对于三电平变频器都存在一个最常出现而又必须解决的一个问题，即：在该变频器传递有功功率时，直流母线上的上下两个电容电压可能出现不平衡现象，即称中点电压不平衡。它使上下电容电压发生差异，不仅影响输出电压波形，产生谐波，也使开关器件承受的电压不等，损坏器件，必须采取措施使其平衡。以往采用地解决该问题的方法主要有：(1)分离的独立直流源，它需要附加隔离变压器，设备体积大，成本高，系统复杂；(2)整流与逆变背对背方法，控制复杂，可控开关器件数目多；(3)滞环比较法，采用多边滞环比较器，通过实际各相电流与给定值的误差来确定变频器输出状态，测量难以精确，要求采样频率高。这些方法都不同程度地在实际中得到应用，但都存在如上所述各自的问题。
发明内容 本发明的目的是提出一种基于电荷平衡的三电平变频器中点电压平衡方法，以空间电压矢量调制为基础，在电机启动时，特别在空间矢量第一扇区内，对三个小电压矢量的施加时间进行重新分配，使它们在一个周期内对电容充放电的电荷相等，从而保证电容电压在一个周期内不变，保持中点电压平衡。
本发明提出的基于电荷平衡的三电平变频器中点电压的平衡方法，包括以下步骤：
1、确定用于控制变频器输出电压的参考电压矢量的相位；
2、根据上述确定的参考三电平变频器相位，生成电压矢量序列；
3、根据电压矢量序列，确定三电平变频器中的开关器件的开关函数；
4、根据上述开关函数，发出脉冲控制信号，使三电平变频器输出与参考电压的相位一致和幅值相对应的三相对称电压。
上述方法中的电压矢量序列满足以下条件：
(1)电压矢量序列中的各综合电压矢量都在一个包含参考矢量端点的最小电压三角形顶点上；
(2)在一个循环周期内，电压矢量序列中的所有综合电压矢量对直流母线电容中点的充放电电荷之和等于零；
(3)电压矢量序列中的任何一个综合电压矢量为三个相位互差120度的支路电压矢量之和；
(4)电压矢量序列中的任意两个相邻的综合电压矢量相比，其三个支路电压中有一个且仅有一个不同。
其中的三个支路电压中的任意一个的电压或为零、或为正的直流母线上电压的一半，或为负的直流母线上电压的一半，即有三个电平选择。
上述方法中的确定开关函数的方法是使每个综合电压矢量对应一种三电平变频器开关器件的开关函数。开关函数包括开关模式和开关时间。开关模式由电压矢量序列中综合电压矢量的三个支路电压矢量的排列次序决定；开关时间由综合电压矢量对直流母线电容中点的充放电电荷之和等于零决定。
本发明提出的基于电荷平衡的三电平变频器中点电压的平衡方法，具有以下的优点：
1、根据一个开关周期内对电机施加的电压小矢量产生的对直流电容充放电时间相等原理(充放电量相等)，决定施加的时间长短，从而使一个周期内电容上的电荷增量为零，进而保持中点电压平衡不变。
2、该电压矢量组合方式仅在电机启动时的空间电压图中第一个大扇区内使用，而一旦电机反电势建立起来后，即可使用常规的空间电压矢量进行控制，因此本发明方法简单可靠。
3、用以数字信号处理器(DSP)为基础的控制系统作为本发明方法的执行系统，DSP具有高的运算速度和强大的扩展功能，从而可以快速地实现控制。
附图简要
图1为三电平变频器空间电压矢量分布图。
图2为第一扇区电压矢量关系图。
图3采用中点电压平衡方法的前后中点电压波形比较。具体实施方式
本发明提出的基于电荷平衡的三电平变频器中点电压的平衡方法，首先确定用于控制变频器输出电压的参考电压矢量的相位；根据上述确定的参考三电平变频器相位，生成电压矢量序列；根据电压矢量序列，确定三电平变频器中的开关器件的开关函数；根据上述开关函数，发出脉冲控制信号，使三电平变频器输出与参考电压相位一致和幅值相对应的三相对称电压。
上述方法中的电压矢量序列满足以下条件：电压矢量序列中的各综合电压矢量都在一个包含参考矢量端点的最小电压三角形顶点上；在一个循环周期内，电压矢量序列中的所有综合电压矢量对直流母线电容中点的充放电电荷之和等于零；电压矢量序列中的任何一个综合电压矢量为三个相位互差120度的支路电压矢量之和；电压矢量序列中的任意两个相邻的综合电压矢量相比，其三个支路电压中有一个且仅有一个不同。其中的三个支路电压中的任意一个电压或为零，或为正的直流母线上电压的一半，或为负的直流母线上电压的一半。
上述方法中确定开关函数的的方法是使每个综合电压矢量对应一种三电平变频器开关器件的开关函数。其中的开关函数包括开关模式和开关时间。其中的开关模式由电压矢量序列中综合电压矢量的三个支路电压矢量的排列次序决定。其中的开关时间由综合电压矢量对直流母线电容中点的充放电电荷之和等于零决定。
本发明的一个实施例所采用的PWM调制方法为三电平空间电压矢量PWM算法。三相三电平逆变器系统中有27个输出电压矢量可供组合使用，空间电压矢量图空间分布如图1所示。按照电压开关矢量幅值的大小来分，可以将它们分成四类：零电压开关矢量3个(Vooo，Vppp，Vnnn)，小电压开关矢量12个，且两两重合(Vo1p和Vo1n，Vo2p和Vo2n，Vo3p和Vo3n Vo4p和Vo4n，Vo5p和Vo5n，Vo6p和Vo6n)，中电压开关矢量6个(V12，V23，V34，V45，V56，V61)，大电压开关矢量6个(V1，V2，V3，V4，V5，V6)。其中，Vref为给定的参考电压矢量。取α、β坐标系统如图1所示，则参考矢量Vref以O为圆心，逆时针方向旋转。将平滑旋转的参考矢量一个周期分解成n个小时间段Ts，每一个时间Ts内参考矢量位置固定不动，这时以距该矢量最近的三个电压矢量来逼近该参考矢量，从而形成构成这些电压矢量的开关组合，这就是空间电压矢量调制原理。
具体地讲，如果三电平变频器直流母线上(设直流电压为Vdc)的两个电容电压保持相等，则三电平的每相电压都有三个电平状态，即+Vdc/2、0和-Vdc/2。这样，三相系统中就有33＝27个电压矢量可供组合使用。图1为三电平变频器开关矢量分布图，其中P、O、N分别表示交流侧电压为+Vdc/2、0、-Vdc/2，矢量号码PON表示a， b，c三相的相电压分别为Vdc/2、0、-Vdc/2，其余的类似。
若按照电压开关矢量幅值的大小来分，可以将它们分成四类。
第一类：零电压开关矢量幅长为零，分别表示变频器交流侧同时接正电平、零电平或负电平。
第二类：小电压开关矢量幅值为Vdc/均匀分布在六个扇区的边界线上。从图1可以看出，每个小电压矢量均有两个不同的开关状态，其中上面的小矢量(如)代表各相桥臂均接正电平或者零电平，而下面的小矢量(如)则代表各相桥臂分别接零电平或者负电平。小矢量会造成直流电容电压的不平衡。另外，若三电平变频器的直流电容电压|Vdc1|和|Vdc2|不相等，则使两个小电压矢量不再重合，仅为比较接近的矢量。这样，变频器输出的三相电压不再对称。
第三类：中电压开关矢量V→12,V→23,V→34,V→45,V→56,V→61,]]>幅长均为/2。这六个电压矢量的共同特点，是变频器的三个臂分别接在直流侧电压的正电平、负电平和零电平上。中电压开关矢量也会造成直流电容电压的不平衡。
第四类：大电压开关矢量幅值为2Vdc/这六个矢量均有一相接正电平或者负电平，另外两相则对应接负电平及正电平。由于中点电流为零，不会改变直流电容电压的平衡状况。
从图1中看出，电压开关矢量均匀分布在各个扇区内。为了减小输出电压的谐波，根据控制系统给出的电压给定值，选取适当的开关状态，是三电平脉宽调制(PWM)控制的首要任务。与两电平一样，三电平空间电压矢量PWM算法，从本质上是一种等效控制。通过在每一个开关周期Ts中，用参考矢量所在小三角形中三个顶点矢量来进行等效。
用公式来定义图1中的各个矢量V→(k)=Vdc(Sa+α·Sb+α2·Sc)/6------(1)]]>
式中Sa、Sb、Sc代表该矢量的三相开关状态；α=ej23π.]]>
将给定电压从DQ坐标系统转换到αβ坐标系，有
Vrefα＝Vrefd·cosγ-Vrefq·sinγ (2)
Vrefβ＝Vrefd·sinγ+Vrefq·cosγ
式中γ为DQ坐标系和αβ坐标系之间的夹角。
从参考电压的αβ轴分量，可以得到合成给定电压矢量的模长|Vref|和相角θ分别为|Vref|=(Vrefα)2+(Vrefβ)2]]>θ=tg-1(Vrefα/Vrefβ)------(3)]]>根据式(3)所得参考电压的模长和相角，可以判断它落在哪个三角形的区域内。联合参考电压和该三角形三个顶点矢量，就可以实现该矢量的PWM调制。
图2为第一扇区电压矢量作用时间分配计算。下面将以给定电压角度在第一扇区(即相角θ从0°到60。)时进行详细分析。当给定电压的角度大于60。时，可以采用类似的情况进行计算。
表1：三电平PWM变频器的开关矢量表*是电压开关矢量的值
根据式(1)可以计算出在0°到60°内的各个电压开关矢量，如表1所示。该扇区内，各个小三角形的各顶点矢量作用时间分配定义，如图2所示。
为了尽快确定给定电压处于图2中哪个小三角形区域，可以先假设给定电压矢量位于第3区域内。该区域三个顶点矢量分别为假设这三个顶点相应的矢量作用时间依次为ta0、tb0、tc0，于是有：V→01·ta0+V→12·tb0+V→02·tc0=V→ref·Ts------(4)]]>
ta0+tb0+tc0＝Ts
式中Ts为空间电压矢量PWM的开关周期。
将式(3)、表1中各个顶点的开关矢量代入上式，可以得出ta0、tb0、tc0的值，分别为
ta0＝(1-2ksinθ)·Tstb0=[2ksin(θ+π3)-1]·Ts------(5)]]>tc0=[2ksin(θ-π3)+1]·Ts]]>
式中调制比k=2|Vref|/Vdc.]]>
考察对电压不平衡有影响最大的小矢量和中矢量，这其中又以小矢量影响尤甚。以下桥壁电容为研究对象，可以将小矢量分为充电矢量(USV)和放电矢量(LSV)USV：LSV：
考察当电压矢量位于第一扇区的第1子扇区时，各电压矢量及其作用效果如表2所示。
表2：第一扇区的第1子扇区矢量选择顺序表表中，第一行为一个开关周期Ts中每个综合电压矢量作用时间，T1-T7；第二行为相应每个作用时间所对应的不考虑中点电压平衡的综合电压矢量；第三行为构成这些综合矢量所对应的三相电压矢量组合；第四行为可代替的电压矢量；第五行为每个电压矢量作用时间的具体取值。
以往中点电压平衡算法需要检测通过中点的电流流向，从而控制电压矢量作用时间。实际中非常困难测到电流方向。本方法直接从第1大扇区第1子扇区的各电压矢量充放电的电荷平衡入手，即在一个周期内，充放电总电荷为
ΔQ＝(ic+ib)(T1+T7)+(ia+ib)(T3+T5)+iaT4 (6)
最终目标希望达到0。
注意到对于三相Y接电机绕组，Σk=13ik=0,]]>所以对于上式只要三相电流系数分别相等即可，即
T1+T7＝T3+T4+T5 (7)
T1+T7＝T1+T7+T3+T5 (8)从中不难看出，T3＝-T5，而负号说明，为达到式(6)所期望的效果，应将原矢量组合进行调整(原为放电矢量多，改为充放电平衡)，即可将00N改为PP0。而要求每次电压综合矢量改变时，每个开关只动作一次，采用了表2中划线的矢量。开关动作如表3：
表3：一个周期内开关组合表 Sa1 Sa2 Sa3 Sa4 Sb1 Sb2 Sb3 Sb4 Sc1 Sc2 Sc3 Sc4 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0表3中，Sa1，Sa2，…，Sc4为主电路中的12各开关，1表示为开通，0表示为关闭。当采用表3中的开关组合，则能得到表2中的画线电压矢量的组合，即为在一个周期内对电容充放电作用平均等于零。
当电机中的反电动势建立后，电压矢量位于其他扇区中时，依旧可以通过变化矢量形式、作用时间不变的途径来满足上下桥臂电容电压偏差为0。相比较小矢量而言，中矢量的影响要小得多，所以遇到包含有中矢量的情况，采用常规空间电压矢量组合。
采用新的空间电压矢量组合后，第一扇区的空间电压矢量组合如表4所示。
表4：具有中点平衡的第一大扇区空间电压矢量组合表表中各行意义与表2相同，取表中下画线的电压矢量组合。
根据上述空间电压矢量组合后，在DSP内编程实现。DSP计算后输出十二路触发脉冲序列，通过主回路开关器件的相应开关组合，使直流母线上的电容电压中点保持平衡。图3为一个实施例中采用中点电压平衡方法的前后中点电压波形比较。上图为不考虑中点电压平衡方法的中点电压波形图，从图可见，在电机启动的初始阶段中点电压变化很大，然后再趋向平稳。下图则为采用中点电压平衡方法后的中点电压波形，可以看出，中点电压自始至终保持平衡不变。