專利名稱：一種三電平逆變器中點電位平衡控制裝置及方法
技術領域：
本發明屬于電力電子領域，涉及一種三電平逆變器中點電位平衡控制裝置及方法。
背景技術：
三電平逆變器具有結構緊湊，輸出電壓電流諧波含量低，開關管所承受的電壓僅為直流母線電壓的一半等優點。所以在中高電壓大功率場合得到廣泛應用。三電平逆變器存在一個固有的缺點，即存在中點電壓不平衡問題。中點電壓不平衡會造成嚴重的危害逆變器輸出電壓波形發生畸變；開關器件承受的電壓不均衡；直流側電容的電壓波動降低了電容的壽命。為了使逆變器能夠正常工作，應努力使得中點電壓保持平衡。 抑制中點電位偏移的方法有硬件和軟件兩大類。單從軟件出發抑制中點電位偏移將會增加控制的復雜性。單從硬件出發抑制中點電位平衡將會增加大量元器件使成本增力口。因此，本領域中亟待提出一種從硬件和軟件兩方面相結合從而能有效抑制三電平逆變器中點電位的偏移的裝置及方法。

發明內容
本發明提供一種三電平逆變器中點平衡控制裝置及方法，從軟件和硬件兩方面出發有效三電平逆變器抑制中點電位偏移，從而達到正負母線上電壓的平衡。本發明通過以下技術方案實現，一種三電平逆變器中點電位平衡控制裝置，所述裝置，用于控制三電平逆變器的中點電位平衡，該裝置包括電壓采集單元、比例積分控制單元、脈寬控制單元以及電壓調節單元，其中電壓采集單元，用于獲取母線上電容電壓和母線下電容電壓，所述電壓采集單元輸入端與三電平逆變器的母線及母線中點端子連接；比例積分控制單元，用于對母線上電容電壓與母線下電容電壓差進行比例積分處理，所述比例積分控制單元的輸入端與電壓采集單元的輸出端連接；脈寬控制單元，用于根據比例積分處理結果產生脈寬調制信號從而控制電壓調節單元，所述脈寬控制單元的輸入端與比例積分控制單元的輸出端連接；電壓調節單元，用于根據脈寬調制信號調節母線上下電容電壓，以使中點電位平衡，所述電壓調節單元的輸入端與脈寬控制單元的輸出端連接。特別的，所述比例積分控制單元進一步包括計算模塊，用于根據母線上電容電壓和母線下電容電壓計算三電平逆變器中點電壓偏移量，所述計算模塊的輸入端與電壓采集單元的輸出端連接；核心控制模塊，用于對中點電壓偏移量進行比例積分處理，產生比例積分控制量，所述核心控制模塊的輸入端與計算模塊的輸出端連接，所述核心控制模塊的輸出端為比例積分控制單元的輸出端。
特別的，所述脈寬控制單元進一步包括微調模塊，用于判斷中點電壓偏移量大小決定是否對比例積分控制量減半達到對母線上下電容電壓進行微調，所述微調模塊輸入端與比例積分控制單元輸出端連接；調制模塊，用于根據比例積分控制量產生兩路互補的脈寬調制信號，所述調制模塊的輸入端與微調模塊的輸出端連接，調制模塊輸出端為脈寬控制單元的輸出端。特別的，所述電壓調節單元進一步包括兩個功率開關管、兩個二極管、一個電感、兩組母線電容，其中兩組母線電容串聯跨接在直流母線上，兩個功率開關管串聯跨接在直流母線上，兩個二極管分別與兩個功率開關管反向并聯，電感L跨接在兩組母線電容中點與兩功率開關管中點間。
特別的，所述裝置利用兩路互補的脈寬調制信號分別控制電壓調節單元中的兩開關管。特別的，所述電壓調節單元具體包括當第一電容兩端電壓+BUS大于第二電容兩端電壓-BUS時，增加控制第一開關管的調制信號脈寬同時減小控制第二開關管的調制信號的脈寬；當第一電容兩端電壓+BUS小于第二電容兩端電壓-BUS時，減小控制第一開關管的調制信號脈寬同時增大控制第二開關管的調制信號脈寬。 本發明還提供了一種三電平逆變器中點電位平衡控制方法，用于控制三電平逆變器的中點電位平衡，包括如下步驟SI、電壓采集單元獲取母線上電容電壓和母線下電容電壓；S2、比例積分控制單元對母線上電容電壓與母線下電容電壓差進行比例積分處理；S3、脈寬控制單元根據比例積分處理結果產生脈寬調制信號，用于控制電壓調節單元；S4、電壓調節單元根據脈寬調制信號調節母線上下電容電壓，以使中點電位平衡。特別的，步驟S2具體是所述比例積分控制單元通過計算三電平逆變器中點電壓偏移量，對中點電壓偏移量進行比例積分處理，產生比例積分控制量。特別的，步驟S3具體是所述脈寬控制單元通過判斷中點電壓偏移量大小決定是否對比例積分控制量減半以達到對母線上下電容電壓進行微調，并根據比例積分控制量產生兩路互補的脈寬調制信號。特別的，步驟S4具體是利用兩路互補的脈寬調制信號分別控制電壓調節單元中的兩開關管，當第一電容兩端電壓+BUS大于第二電容兩端電壓-BUS時，增加控制第一開關管的調制信號脈寬同時減小控制第二開關管的調制信號的脈寬；當第一電容兩端電壓+BUS小于第二電容兩端電壓-BUS時，減小控制第一開關管的調制信號脈寬同時增大控制第二開關管的調制信號脈寬。本發明通過采取軟件和硬件相結合的方式來抑制三電平逆變器中點電位偏移，結構和控制均比較簡單，提高了三電平逆變器的穩定性。


圖I是實施例所述三電平逆變器中點電位平衡控制裝置系統結構框圖2是實施例所述比例積分控制單元模塊框圖；圖3是實施例所述脈寬控制單元模塊框圖；圖4是實施例所述三電平逆變器中點電位平衡控制方法流程示意圖；圖5是本發明優選實施例所述電壓調節單元電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施實例對本發明進一步說明。圖I是本實施例所述三電平逆變器中點平衡控制裝置系統結構框圖，如圖I所示，本發明所述三電平逆變器中點平衡控制裝置包括電壓采集單元101、比例積分控制單元102、脈寬控制單元103和電壓調節單元104，其中，上述單元依此相連接。
電壓采集單元101，用于獲取母線上電容電壓和母線下電容電壓，所述電壓采集單元輸入端與三電平逆變器的母線及母線中點端子連接；比例積分控制單元102，用于對母線上電容電壓與母線下電容電壓差進行比例積分處理，所述比例積分控制單元102的輸入端與電壓采集單元101的輸出端連接；脈寬控制單元103，用于產生脈寬調制信號，所述脈寬控制單元的輸入端與比例積分控制單元102的輸出端連接；電壓調節單元104，用于調節母線上下電容電壓使中點電位平衡，所述電壓調節單元104的輸入端與脈寬控制單元103的輸出端連接。圖2是實施例所述比例積分控制單元模塊框圖，如圖2所示，所述比例積分控制單元102進一步包括計算模塊201，用于根據母線上電容電壓和母線下電容電壓計算三電平逆變器中點電壓偏移量，所述計算模塊201的輸入端與電壓采集單元101的輸出端連接；核心控制模塊202，用于對中點電壓偏移量進行比例積分處理，產生比例積分控制量，所述核心控制模塊202的輸入端與計算模塊201的輸出端連接，所述核心控制模塊202的輸出端為比例積分控制單元102的輸出端。圖3是實施例所述脈寬控制單元模塊框圖，如圖3所示，所述脈寬控制單元103進一步包括微調模塊301，用于判斷中點電壓偏移量大小決定是否對比例積分控制量減半達到對母線上下電容電壓進行微調，所述微調模塊301輸入端與比例積分控制單元102輸出端連接；調制模塊302，用于根據比例積分控制量產生兩路互補的脈寬調制信號，所述調制模塊302的輸入端與微調模塊301的輸出端連接，調制模塊302輸出端為脈寬控制單元103的輸出端。圖4是實施例所述三電平逆變器中點電位平衡控制方法流程示意圖，如圖4所示，圖I所述三電平逆變器中點平衡控制裝置中各單元、模塊的工作流程如下SI、電壓采集單元獲取母線上電容電壓和母線下電容電壓；S2、比例積分控制單元對母線上電容電壓與母線下電容電壓差進行比例積分處理；進一步，所述比例積分控制單元通過計算三電平逆變器中點電壓偏移量，對中點電壓偏移量進行比例積分處理，產生比例積分控制量。S3、脈寬控制單元根據比例積分處理結果產生脈寬調制信號，用于控制電壓調節單元；進一步，所述脈寬控制單元通過判斷中點電壓偏移量大小決定是否對比例積分控制量減半以達到對母線上下電容電壓進行微調，并根據比例積分控制量產生兩路互補的脈寬調制信號。S4、電壓調節單元根據脈寬調制信號調節母線上下電容電壓，以使中點電位平衡。作為優選實施例，下面結合圖5對本發明做出進一步說明。圖5是本發明所述電壓調節單元104電路原理圖，如圖5所示，所述電壓調節單元104包括兩個功率開關管Q1、Q2、兩個二極管D1、D2、一個電感L、兩組母線電容C1、C2。·兩組母線電容C1、C2串聯跨接在直流母線上，兩個功率開關管Q1、Q2串聯跨接在直流母線上，兩個二極管D1、D2分別與兩個功率開關管Q1、Q2反向并聯，電感L跨接在兩組母線電容C1、C2中點與兩功率開關管Ql、Q2中點間。作為優選實施例，本發明中，電壓采集單元101采集電容Cl兩端電壓+BUS和電容C2兩端電壓-BUS (如圖5所示)。比例積分控制單元102的輸入端與電壓采集單元101輸出端連接，對電容Cl、C2兩端電壓之差進行比例積分運算得到比例積分控制量。脈寬控制單元103根據比例積分控制量產生輸出兩路互補的脈寬調制信號，控制所述電壓調節單元104。進一步，圖5中所示，兩路互補的脈寬調制信號分別控制電壓調節單元104中的兩開關管Q1、Q2，當電容Cl兩端電壓+BUS大于電容C2兩端電壓-BUS時，增加控制開關管Ql的調制信號脈寬同時減小控制開關管Q2的調制信號的脈寬；當電容Cl兩端電壓+BUS小于電容C2兩端電壓-BUS時，減小控制開關管Ql的調制信號脈寬同時增大控制開關管Q2的調制信號脈寬。當母線上(即正母線)電壓+BUS大于母線下(即負母線)電壓-BUS時，開關管Ql開通、開關管Q2關斷，電容Cl向電感L轉移能量；當開關管Ql關斷、開關管Q2開通時，電感L中電流通過二極管D2續流，電感L中的儲能轉移至電容C2中，經過一段時間調節，最終母線上電容電壓+BUS和母線下電容電壓-BUS的電壓會達到平衡；當母線上電壓+BUS小于母線下電壓-BUS時，開關管Q2開通、開關管Ql關斷，電容C2向電感L轉移能量；當開關管Q2關斷、開關管Ql開通時，電感L中電流通過二極管Dl續流，電感L中的儲能轉移至電容Cl中，經過一段時間調節，最終正母線電壓+BUS和負母線電壓-BUS的電壓會達到平衡。采取上述方案，本發明采取軟件和硬件相結合的方式能有效抑制三電平逆變器中點電位偏移，結構和控制均比較簡單，提高了三電平逆變器的穩定性。以上僅是針對本發明的具體實施例及其技術原理所做的說明，而并非對本發明的技術內容所進行的限制，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明所公開的技術范圍內，所容易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種三電平逆變器中點電位平衡控制裝置，用于控制三電平逆變器的中點電位平衡，其特征在于，該裝置包括電壓采集單元、比例積分控制單元、脈寬控制單元以及電壓調節單元，其中 電壓采集單元，用于獲取母線上電容電壓和母線下電容電壓，所述電壓采集單元輸入端與三電平逆變器的母線及母線中點端子連接； 比例積分控制單元，用于對母線上電容電壓與母線下電容電壓差進行比例積分處理，所述比例積分控制單元的輸入端與電壓采集單元的輸出端連接； 脈寬控制單元，用于根據比例積分處理結果產生脈寬調制信號從而控制電壓調節單元，所述脈寬控制單元的輸入端與比例積分控制單元的輸出端連接； 電壓調節單元，用于根據脈寬調制信號調節母線上下電容電壓，以使中點電位平衡，所述電壓調節單元的輸入端與脈寬控制單元的輸出端連接。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述比例積分控制單元進一步包括 計算模塊，用于根據母線上電容電壓和母線下電容電壓計算三電平逆變器中點電壓偏移量，所述計算模塊的輸入端與電壓采集單元的輸出端連接； 核心控制模塊，用于對中點電壓偏移量進行比例積分處理，產生比例積分控制量，所述核心控制模塊的輸入端與計算模塊的輸出端連接，所述核心控制模塊的輸出端為比例積分控制單元的輸出端。
3.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述脈寬控制單元進一步包括 微調模塊，用于判斷中點電壓偏移量大小決定是否對比例積分控制量減半達到對母線上下電容電壓進行微調，所述微調模塊輸入端與比例積分控制單元輸出端連接； 調制模塊，用于根據比例積分控制量產生兩路互補的脈寬調制信號，所述調制模塊的輸入端與微調模塊的輸出端連接，調制模塊輸出端為脈寬控制單元的輸出端。
4.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述電壓調節單元進一步包括兩個功率開關管、兩個二極管、一個電感、兩組母線電容，其中 兩組母線電容串聯跨接在直流母線上，兩個功率開關管串聯跨接在直流母線上，兩個二極管分別與兩個功率開關管反向并聯，電感L跨接在兩組母線電容中點與兩功率開關管中點間。
5.如權利要求1-4之一所述的裝置，其特征在于 所述裝置利用兩路互補的脈寬調制信號分別控制電壓調節單元中的兩開關管。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于 所述電壓調節單元具體包括當第一電容兩端電壓+BUS大于第二電容兩端電壓-BUS時，增加控制第一開關管的調制信號脈寬同時減小控制第二開關管的調制信號的脈寬；當第一電容兩端電壓+BUS小于第二電容兩端電壓-BUS時，減小控制第一開關管的調制信號脈寬同時增大控制第二開關管的調制信號脈寬。
7.一種三電平逆變器中點電位平衡控制方法，用于控制三電平逆變器的中點電位平衡，其特征在于，包括如下步驟 ·51、電壓采集單元獲取母線上電容電壓和母線下電容電壓； ·52、比例積分控制單元對母線上電容電壓與母線下電容電壓差進行比例積分處理； ·53、脈寬控制單元根據比例積分處理結果產生脈寬調制信號，用于控制電壓調節單元; S4、電壓調節單元根據脈寬調制信號調節母線上下電容電壓，以使中點電位平衡。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟S2具體是 所述比例積分控制單元通過計算三電平逆變器中點電壓偏移量，對中點電壓偏移量進行比例積分處理，產生比例積分控制量。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特征在于，步驟S3具體是 所述脈寬控制單元通過判斷中點電壓偏移量大小決定是否對比例積分控制量減半以達到對母線上下電容電壓進行微調，并根據比例積分控制量產生兩路互補的脈寬調制信號。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，步驟S4具體是 利用兩路互補的脈寬調制信號分別控制電壓調節單元中的兩開關管，當第一電容兩端電壓+BUS大于第二電容兩端電壓-BUS時，增加控制第一開關管的調制信號脈寬同時減小控制第二開關管的調制信號的脈寬；當第一電容兩端電壓+BUS小于第二電容兩端電壓-BUS時，減小控制第一開關管的調制信號脈寬同時增大控制第二開關管的調制信號脈寬。
全文摘要
本發明適用于電力電子領域，涉及一種三電平逆變器中點電位平衡控制裝置及方法。所述裝置包括電壓采集單元、比例積分控制單元、脈寬控制單元、電壓調節單元。本發明所提供的中點電位平衡裝置通過實時檢測母線上下電容電壓然后對其進行比例積分控制處理生成控制量，并根據該控制量對電壓調節單元功率管的脈寬調制占空比進行調節。本發明具有結構簡單，控制實現簡便，控制效果與逆變系統的調制比及功率因素無關，可以將中點電位控制在一個比較小的范圍內。
文檔編號H02M7/483GK102843055SQ20121032467
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者王律明, 張志紅, 陳東 申請人:江蘇中航動力控制有限公司