背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法技術

本發明專利技術公開了一種背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，通過數學坐標旋轉變換將位于其它扇區的電壓空間矢量歸一到第一扇區統一計算，因此不需要針對每個扇區進行區別計算處理，從而簡化了算法的復雜程度。同時，本發明專利技術充分利用網側變換器或者機側變換器的中點電壓控制能力，當其中一側控制能力不足可由另一側變換器來提供，避免了傳統方法中兩側變換器獨立控制中點電壓可能帶來的中點電壓控制作用相互削弱的缺點，從而降低了背靠背雙PWM變換器的中點電壓波動，實現了對中點電壓的有效平衡控制。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術與三電平變換器有關，具體屬于一種背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法。
技術介紹
隨著電力電子技術的發展，三電平變換器以其較高的輸出效率以及較低的輸出電流諧波畸變率等優點，在大功率變頻器、三相并網逆變器以及三相不間斷電源等領域得到了廣泛的應用。目前，在大功率電機驅動領域和風力發電領域出現了以三電平拓撲為基礎的背靠背三電平雙PWM變換器，該變換器包括連接電網的網側變換器以及連接電機的機側變換器，且網側變換器和機側變換器都具有平衡中點電壓的能力。目前，公開的技術文獻中多采用單獨一側變換器來控制中點電壓，例如只采用網側變換器來控制中點電壓，雖然這種方法能夠實現中點電壓的平衡控制，但是由于網側變換器的調制度較高，因此其平衡中點電壓的能力比較有限。此外，還有一條技術路線是將兩側變換器對中點電壓的控制能力綜合利用起來，雖然網側變換器和機側變換器分別采用獨立的中點電壓控制策略能夠增強對中點電壓的控制能力，但是由于沒有具體區分每個開關周期內兩側變換器對中點電壓控制的大小和方向，因此該方法存在著兩側變換器對中點電壓的控制作用可能出現過補償和相互抵消的問題。參見《三電平雙PWM變換器電容電壓平衡綜合控制》，范必雙、譚冠政、樊紹勝，電機與控制學報，2014，18(1)：38-43，該論文提出一種網側變換器和機側變換器的電容中點電壓平衡綜合控制策略，分析了三電平變換器所有冗余小矢量對中點電壓的影響，給出了電壓矢量位于每個扇區時的中點平均電流計算式，通過對下一時刻各相電流和電容電壓參考量的預測，得到一個目標為中點電壓波動最小的品質函數，通過調整冗余矢量時間分配因子達到控制中點電壓波動的目標。雖然該方法不會造成兩側變換器對中點電壓的過補償和欠補償，但是其對兩側變換器分配相同的冗余矢量時間因子，仍然在一定程度上限制了兩側變換器對中點電壓的控制能力，而且該方法需要不斷地迭代運算，算法實現比較復雜。因此，針對現有技術的不足之處，本領域亟待提出在一種算法實現簡單，能夠有效實現背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，不但可以避免兩側變換器獨立控制中點電壓產生的控制作用相互削弱的缺點，而且可以克服兩側變換器無法充分控制中點電壓的問題。為了解決上述問題，本專利技術提供的背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，包括以下步驟：步驟1，利用坐標變換分別將網側變換器的電壓矢量和機側變換器的電壓矢量變換到兩相靜止坐標系，并根據直流電壓值對兩個電壓矢量進行標么化；步驟2，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量在兩相靜止坐標系中的值判斷兩個電壓矢量所在的實際扇區號；步驟3，利用坐標變換矩陣將標么化的網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量變換至第一扇區；步驟4，根據旋轉變換后的網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量判斷旋轉變換后的兩個電壓矢量所在第一扇區中的小扇區三角形編號；步驟5，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量所在的不同小扇區三角形，分別確定網側變換器和機側變換器的三個基本電壓空間矢量和對應的中點電流；步驟6，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量所在的不同小扇區三角形，計算依次作用的三個基本電壓空間矢量的作用時間；步驟7，根據直流側中點電壓的偏移值以及網側變換器和機側變換器各自輸入的三相電流值，分別計算網側變換器和機側變換器側的中點電壓平衡因子；步驟8，根據網側變換器和機側變換器各自三個基本電壓空間矢量的作用時間和計算得到的中點電壓平衡因子，分別計算獲得矢量位于不同小扇區三角形的輸出脈沖占空比；步驟9，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量的實際扇區號，分別將網側變換器和機側變換器在第一扇區計算得到的占空比信息映射回網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量各自所在的實際扇區，并將占空比信息換算為相應的比較值以產生PWM脈沖分別驅動網側變換器和機側變換器。本專利技術的有益之處在于：1)本專利技術通過數學坐標旋轉變換將位于其它扇區的電壓空間矢量歸一到第一扇區統一計算，因此不需要針對每個扇區進行區別計算處理，從而簡化了算法的復雜程度；2)本專利技術充分利用網側變換器或者機側變換器的中點電壓控制能力，當其中一側控制能力不足可由另一側變換器來提供，避免了傳統方法中兩側變換器獨立控制中點電壓可能帶來的中點電壓控制作用相互削弱的缺點，從而降低了背靠背雙PWM變換器的中點電壓波動，實現了對中點電壓的有效平衡控制。附圖說明圖1是本專利技術方法適用的背靠背三電平雙PWM變換器的電路示意圖；圖2是本專利技術方法中電壓空間矢量的區域劃分示意圖；圖3是本專利技術方法中的第一扇區電壓矢量關系以及三角形區間的劃分示意圖；圖4a至圖4f是本專利技術方法中第一扇區各三角形區間內的基本電壓空間矢量作用示意圖。圖5是本專利技術方法中的算法流程示意圖。具體實施方式下面結合附圖與具體實施方式對本專利技術作進一步詳細的說明。本專利技術適用于背靠背三電平雙PWM變換器，該變換器包括網側變換器(以下簡稱為GVSC)和機側變換器(以下簡稱為MVSC)，如圖1所示，中點電壓平衡控制方法包括以下步驟：S1：利用克拉克坐標變換分別將GVSC的三相電壓矢量和MVSC的三相電壓矢量變換到兩相靜止坐標系，并根據直流電壓值對兩個電壓矢量進行標么化，分為：S11：將GVSC電壓矢量變換到兩相靜止坐標系，并根據直流電壓值對兩相電壓矢量進行標么化，具體步驟如下：(1)利用下式將電壓矢量變換到兩相靜止坐標系下；式中，uag、ubg和ucg分別為GVSC電壓矢量在abc坐標系中的分量；uαg、uβg分別為GVSC電壓矢量在αβ坐標系中的分量；(2)根據直流電壓值對兩相電壓矢量進行限幅處理；如果則如果則式中，udc為直流電壓值；uαgL、uβgL分別為GVSC電壓矢量經過限幅處理后在αβ坐標系中的分量；(3)根據直流電壓值對兩相電壓矢量進行標么化；式中，vαg、vβg分別為GVSC電壓矢量在αβ坐標系中的分量的標么值。S12：將MVSC電壓矢量變換到兩相靜止坐標系，并根據直流電壓值對兩相電壓矢量進行標么化，具體步驟如下：(1)利用下式將電壓矢量變換到兩相靜止坐標系下；式中，uam、ubm和ucm分別為MVSC電壓矢量在abc坐標系中的分量；uαm、uβm分別為MVSC電壓矢量在αβ坐標系中的分量；(2)根據直流電壓值對兩相電壓矢量進行限幅處理；如果則如果則式中，udc為直流電壓值；uαmL、uβmL分別為MVSC電壓矢量經過限幅處理后在αβ坐標系中的分量；(3)根據直流電壓值對兩相電壓矢量進行標么化；式中，vαm、vβm分別為MVSC電壓矢量在αβ坐標系中的分量的標么值。需要說明的是，在后續步驟中網側變換器GVSC的相關物理量在符號中均含有下綴g，機側變換器MVSC的相關物理量在符號中均含有下綴m，特此說明。S2：根據GVSC電壓矢量和MVSC電壓矢量在兩相靜止坐標系中的分量值判斷電壓矢量在圖2所示的由三電平基本電壓空間矢量形成的正六邊形中的實際扇區編號(依順時針方向將正六邊形均分為6個扇區三角形，編號分別從1到6)，分為：S21：根據GVSC電壓矢量在兩相靜止坐標系中的分本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，利用坐標變換分別將網側變換器的電壓矢量和機側變換器的電壓矢量變換到兩相靜止坐標系，并根據直流電壓值對兩個電壓矢量進行標么化；步驟2，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量在兩相靜止坐標系中的值判斷兩個電壓矢量所在的實際扇區號；步驟3，利用坐標變換矩陣將標么化的網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量變換至第一扇區；步驟4，根據旋轉變換后的網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量判斷旋轉變換后的兩個電壓矢量所在第一扇區中的小扇區三角形編號；步驟5，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量所在的不同小扇區三角形，分別確定網側變換器和機側變換器的三個基本電壓空間矢量和對應的中點電流；步驟6，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量所在的不同小扇區三角形，計算依次作用的三個基本電壓空間矢量的作用時間；步驟7，根據直流側中點電壓的偏移值以及網側變換器和機側變換器各自輸入的三相電流值，分別計算網側變換器和機側變換器側的中點電壓平衡因子；步驟8，根據網側變換器和機側變換器各自三個基本電壓空間矢量的作用時間和計算得到的中點電壓平衡因子，分別計算獲得矢量位于不同小扇區三角形的輸出脈沖占空比；步驟9，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量的實際扇區號，分別將網側變換器和機側變換器在第一扇區計算得到的占空比信息映射回網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量各自所在的實際扇區，并將占空比信息換算為相應的比較值以產生PWM脈沖分別驅動網側變換器和機側變換器。...

【技術特征摘要】
1.一種背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，利用坐標變換分別將網側變換器的電壓矢量和機側變換器的電壓矢量變換到兩相靜止坐標系，并根據直流電壓值對兩個電壓矢量進行標么化；步驟2，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量在兩相靜止坐標系中的值判斷兩個電壓矢量所在的實際扇區號；步驟3，利用坐標變換矩陣將標么化的網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量變換至第一扇區；步驟4，根據旋轉變換后的網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量判斷旋轉變換后的兩個電壓矢量所在第一扇區中的小扇區三角形編號；步驟5，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量所在的不同小扇區三角形，分別確定網側變換器和機側變換器的三個基本電壓空間矢量和對應的中點電流；步驟6，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量所在的不同小扇區三角形，計算依次作用的三個基本電壓空間矢量的作用時間；步驟7，根據直流側中點電壓的偏移值以及網側變換器和機側變換器各自輸入的三相電流值，分別計算網側變換器和機側變換器側的中點電壓平衡因子；步驟8，根據網側變換器和機側變換器各自三個基本電壓空間矢量的作用時間和計算得到的中點電壓平衡因子，分別計算獲得矢量位于不同小扇區三角形的輸出脈沖占空比；步驟9，根據網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量的實際扇區號，分別將網側變換器和機側變換器在第一扇區計算得到的占空比信息映射回網側變換器電壓矢量和機側變換器電壓矢量各自所在的實際扇區，并將占空比信息換算為相應的比較值以產生PWM脈沖分別驅動網側變換器和機側變換器。2.根據權利要求1所述的背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，在步驟1中，利用克拉克變換將三相電壓矢量變換到兩相靜止坐標系中，并根據直流電壓值對電壓矢量進行標么化，具體步驟為：1)利用公式(1)將電壓矢量變換到兩相靜止坐標系下；uαuβ=231-12-12032-32uaubuc---(1)]]>上式中，ua、ub和uc分別為電壓矢量在abc坐標系中的分量，uα、uβ分別為電壓矢量在αβ坐標系中的分量；2)對兩相電壓矢量進行限幅處理，其中，如果uα2+uβ2>udc3,]]>則uαL=uαuα2+uβ2·udc3uβL=uβuα2+uβ2·udc3]]>如果uα2+uβ2≤udc3,]]>則uαL=uαuβL=uβ]]>上式中，udc為直流電壓值，uαL、uβL分別為電壓矢量經過限幅處理后在αβ坐標系中的分量；3)利用公式(2)對兩相電壓矢量進行標么化；vα=uαL.3udcvβ=uβL·3udc---(2)]]>上式中，vα、vβ分別為電壓矢量在αβ坐標系中的分量的標么值。3.根據權利要求1所述的背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，步驟2中判斷網側變換器或機側變換器的電壓矢量所在扇區號的方法如下：1)定義變量a、b、c，其與電壓矢量在αβ坐標系中的分量uα、uβ之間的關系為abc=0132-12-32-12uαuβ]]>2)定義變量P，其與變量a、b、c之間的關系為P＝sign(a)+2sign(b)+4sign(c)上式中，sign()為求數據符號函數，定義為sign(u)=1u≥00u<0;]]>3)根據變量P的值判斷電壓矢量所在的扇區號N，其中P與N的關系為P123456N261435其中，N的取值范圍為1～6。4.根據權利要求1所述的背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，在步驟3中，利用坐標變換公式(3)將電壓矢量變換至第一扇區；vαTvβT=TN1vαvβ---(3)]]>上式中，vαT、vβT分別為電壓矢量經過坐標變換后在第一扇區的分量，TN1為第N扇區至第一扇區的坐標變換矩陣，N的取值為1～6，其中：當電壓矢量位于第一扇區時，對應的坐標變換矩陣為T11=1001;]]>當電壓矢量位于第二扇區時，對應的坐標變換矩陣為T21=-12323212;]]>當電壓矢量位于第三扇區時，對應的坐標變換矩陣為T31=-1232-32-12;]]>當電壓矢量位于第四扇區時，對應的坐標變換矩陣為T41=-12-32-3212;]]>當電壓矢量位于第五扇區時，對應的坐標變換矩陣為T51=-12-3232-12;]]>當電壓矢量位于第六扇區時，對應的坐標變換矩陣為T61=100-1.]]>5.根據權利要求1所述的背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，所述第一扇區劃分為A～F六個小扇區三角形，A三角形區間由U0、U1和U6圍成，B三角形區間由U0、U6和U2所圍成，C三角形區間由U1、U4和U6所圍成，D三角形區間由U2、U4和U6所圍成，E三角形區間由U1、U3和U4所圍成，F三角形區間由U2、U4和U5所圍成，其中U0為零矢量000、NNN和PPP，U1為小矢量0NN和P00，U2為小矢量PP0和00N，U3為大矢量PNN，U4為中矢量P0N，U5為大矢量PPN，U6為中矢量U4的一半；在步驟4中：旋轉變換后的電壓矢量位于A三角形區間的判斷條件為vβT≤33vαTvβT≤-3vαT+1;]]>旋轉變換后的電壓矢量位于B三角形區間的判斷條件為vβT≤3vαTvβT>33vαTvβT≤-3vαT+1;]]>旋轉變換后的電壓矢量位于C三角形區間的判斷條件為vβT≤33vαTvβT>-3vαT+1vβT>3vαT-1vβT≤12;]]>旋轉變換后的電壓矢量位于D三角形區間的判斷條件為vβT>33vαTvβT>-3vαT+1vβT>3vαT-1vβT≤12;]]>旋轉變換后的電壓矢量位于E三角形區間的判斷條件為vβT≤3vαT-1vβT≤-3vαT+2;]]>旋轉變換后的電壓矢量位于F三角形區間的判斷條件為vβT>12vβT≤3vαTvβT≤-3vαT+2.]]>6.根據權利要求1所述的背靠背三電平雙PWM變換器的中點電壓平衡控制方法，其特征在于，在步驟5中網側變換器或機側變換器的三個基本電壓空間矢量和中點電流的確定方法如下：1)設依次作用的三個基本電壓空間矢量分別為v1，v2和v3，則第一扇區六個小三角形區間對應的三個基本電壓空間矢量按照下表確定；ABCDEFv10NN00N0NN00N0NN00Nv200N00000NP0NPNNP0Nv3000P00P0NP00P0NPPN2)設依次作用的三個基本電壓空間矢量對應的中點電流分別為i1，i2和i3，則第一扇區六個小三角形區間三個基本電壓空間矢量對應的中點電流按照下表確定；ABCDEFi1ia-icia-icia-ici2-ic0-icib0ibi30-iaib-i...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王晗，劉玉兵，陳玉東，
申請(專利權)人：上海三菱電梯有限公司，
類型：發明
國別省市：上海;31