[發明專利]一種三電平H橋五電平逆變器直流側電容電壓平衡方法

在審

• 申請號: 201710140071.5
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106712556A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 戴鵬;周凱;李敏;石聰聰;朱曉瑩;蔡明哲;高愛杰;崔琪;張婉
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/5387
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及中高壓變頻、柔性交流輸電以及HVDC技術領域，特別是涉及三電平H橋(NPC/H橋)級聯逆變器直流側電容電壓的平衡控制。

背景技術

近年來，多電平逆變器被廣泛應用于高壓大功率場合中。其相對于傳統的兩電平逆變器，具有提高電壓和功率的應用等級、減小共模電壓輸出、在較低的開關頻率下具有很好的諧波性能等優勢。一般地，多電平逆變器主要有二極管鉗位、飛跨電容鉗位以及級聯H橋三種拓撲。其中，級聯H橋又可分為兩電平H橋級聯和三電平H橋(NPC/H橋)級聯。與二極管鉗位型和電容鉗位型拓撲相比，三電平H橋不需要許多鉗位電容和二極管，增加了系統的穩定性。與兩電平H橋級聯相比，則具有減少直流側電源數量、易于實現模塊化及集成化等優點。

但是三電平H橋存在直流側電容電壓不平衡的問題，目前，采用的解決方案是用兩個6脈波整流裝置得到兩個獨立的直流電為每一相供電，這不僅增加了拓撲結構的復雜性，更增加了系統電路的成本，同時也弱化了三電平H橋的優勢。因此，對于三電平H橋，只有平衡直流側電容電壓才能確保系統高效、穩定、經濟地運行。

中國專利文獻號201410474690.4公開了“一種三電平H橋變流器的直流電壓平衡控制方法”，將參考電壓與三角載波進行比較，根據比較結果生成左橋臂四個IGBT的脈沖信號，再將左橋臂的脈沖反向對稱賦給右橋臂。該方法雖然能平衡電容電壓，但是會影響變流器的輸出性能，且動態性能較差。

發明內容

針對在使用三電平H橋級聯逆變器設備中直流側電容電壓不平衡，且相關解決算法存在動態響應能力差、輸出性能降低等問題，本發明的目的提供了一種三電平H橋五電平逆變器直流側電容電壓平衡控制方法。

本發明所采用的技術方案是：

建立五電平所有空間電壓矢量的數學模型，計算出各相的電流值，歸類分析各電壓矢量對電容中點電位的影響；

利用SVPWM算法快速確定參考電壓的位置，并確定相應的平衡矢量和位置矢量；

對三電平H橋五電平逆變器帶阻感負載系統進行離散化，并建立其開關、負載及直流側電容電壓數學模型；

構建電壓預測控制的代價函數，對所選的平衡矢量和位置矢量尋優，將每個開關周期最優的電壓矢量對應的開關狀態輸出；

與現有技術相比，既能保證逆變器的輸出性能，同時又可以有效平衡三相直流側電容電壓，且具有很強的動態性能，此外，每個開關周期尋優次數少、計算量小、效率高。該方法能夠應用于使用三電平H橋級聯型的設備如：靜態無功補償器(SVG)、有源濾波器(APF)、功率變換器(PCS)等。

附圖說明

圖1為本發明的流程示意圖；

圖2是本發明的實施例的三相三電平H橋五電平逆變器拓撲結構示意圖，本發明中涉及的所有變量符號均已在圖2中標明；

圖3所示為本發明的實施例的各輸出狀態下的單相三電平H橋五電平逆變器電路圖；

圖4為電壓矢量簡化數學模型；

圖5為五電平空間矢量圖；

圖6為本發明預測控制算法的結構框圖；

圖7是三相直流側電容電壓平衡仿真圖；

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案；

參閱圖2所示的三相三電平H橋五電平逆變器直流側電容電壓的平衡控制，采用本發明的技術方案；

圖2所示拓撲結構每相可以輸出{V_dc，V_dc/2，0，-V_dc/2，V_dc}五種狀態，分別以狀態S_x＝{2、1、0、-1、-2}表示。

三電平H橋五電平逆變器對應脈沖映射為：狀態“V_dc”對應“1100 0011”，狀態“V_dc/2”對應“1100 0110”，狀態“0”對應“0110 0110”，狀態“-V_dc/2”對應“0110 1100”，狀態“-V_dc”對應“0011 1100”；

圖3所示為各狀態下的單相電路結構圖，V_dc/2和-V_dc/2會影響電容充放電，其余三個狀態對電容中點電位無影響；

建立五電平所有空間電壓矢量的數學模型(簡化電路)，以12-1為例說明如圖4所示，同時計算出各相的相電流如公式(1)：