本發明涉及一種三電平T型逆變器高功率因數時的中點電位平衡方法。

背景技術：

隨著分布式電源、儲能系統、電動汽車等領域的迅速發展，對電能質量和系統效率的要求也越來越高。三電平逆變器相比于傳統的兩電平逆變器具有諧波少、開關管電壓應力小、耐壓高、電磁干擾小等優點。T型逆變器相比于其他三電平中點鉗位型逆變器，有兩個主要的優點：當輸出相電壓為直流母線電壓和零的時候，只有一個開關被導通，減少了開通損耗；流過每一個開關管的電流均值相等，每個開關管產生相同的熱量。因此，近年來三電平T型逆變器受到企業和高校的廣泛關注，前景十分廣闊。

然而，與其他三電平逆變器一樣，T型逆變器一樣存在中點電位不平衡問題。中點電位不平衡會造成逆變器開關器件承受電壓不均衡，增大輸出電壓電流諧波，降低電容壽命。因此，研究一種高效及性能優越的中點平衡方法至關重要。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述問題，提出一種三電平T型逆變器工作在高功率因數應用場合的中點電位平衡方法，減小T型逆變器工作在高功率因數時的中點電壓波動，改善逆變器性能。

為了實現上述目的，本發明通過如下技術方案實現：

一種三電平T型逆變器高功率因數時的中點電位平衡方法，包含以下三個步驟：S1、根據空間矢量調制方法，由參考電壓矢量選擇相應的合成矢量并確定各合成矢量作用占空比；S2、選擇零矢量和小矢量中的基礎矢量并確定所選基礎矢量作用順序；S3、采用無差拍控制方法調整兩個重合小矢量的作用占空比。

所述三電平T型逆變器高功率因數時的中點電位平衡方法步驟S1具體方法如下：

三電平T型逆變器每一相的輸出電平都有三種狀態：輸出電壓等于直流母線電壓、輸出電壓等于直流母線電壓的一半、輸出電壓等于0，分別設為P、O、N；因此共有27種基礎矢量分別為：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；

進一步地，27個基礎矢量構成的矢量圖分為六個大扇區，每個大扇區分為四個小扇區，每個大扇區有五種合成矢量，根據參考電壓矢量所在扇區選擇相應的合成矢量并確定各合成矢量作用占空比，具體如下：

(1)當參考矢量位于第一小扇區時，合成矢量選擇零矢量v₀、小矢量v₁、小矢量v₂，作用占空比分別為

(2)當參考矢量位于第二小扇區時，合成矢量選擇小矢量v₁、中矢量v₄、大矢量v₃，作用占空比分別為

(3)當參考矢量位于第三小扇區時，合成矢量選擇小矢量v₁、小矢量v₂、中矢量v₄，作用占空比分別為

(4)當參考矢量位于第四小扇區時，合成矢量選擇小矢量v₂、中矢量v₄、大矢量v₅，作用占空比分別為

所述三電平T型逆變器高功率因數時的中點電位平衡方法的步驟S2分為兩種情況，具體方法如下：

對于第一個大扇區：

(1)第一種情況：當參考矢量處于第二小扇區和第四小扇區的時候，合成矢量中只有一個小矢量，直接選擇和確定基礎矢量作用順序，分別為：

當參考矢量處于第二小扇區時：基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PON-POO；各基礎矢量作用占空比關系分別為：所述基礎矢量ONN、PNN、PON、POO的作用占空比分別為d_ONN、d_PNN、d_PON、d_POO；

當參考矢量處于第四小扇區時：基礎矢量作用順序為OON-PON-PPN-PPO；各基礎矢量作用占空比關系分別為：所述基礎矢量OON、PPN、PPO的作用占空比分別為d_OON、d_PPN、d_PPO；

(2)第二種情況：當參考矢量處于第一小扇區和第三小扇區的時候，合成矢量中含有兩個小矢量，從每個小矢量中選擇合成基礎矢量，并確定矢量順序為：

參考矢量處于第一小扇區且Q₁＞Q₂：基礎矢量作用順序為ONN-OON-OOO-POO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：所述基礎矢量OOO的作用占空比分別為d_OOO；

參考矢量處于第一小扇區且Q₁≤Q₂：基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：

參考矢量處于第三小扇區且Q₁＞Q₂：基礎矢量作用順序為ONN-OON-PON-POO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：

參考矢量處于第三小扇區且Q₁≤Q₂：基礎矢量作用順序為OON-PON-POO-PPO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：

對于其他五個大扇區，以此類推；

所述Q₁和Q₂定義如下：

其中，i_a、i_c為三電平T型逆變器的A相、C相的相電流瞬時值。

所述三電平T型逆變器高功率因數時的中點電位平衡方法的步驟S3具體方法為：

對于第一大扇區：

當參考電壓位于第一小扇區且Q₁＞Q₂時，基礎矢量作用順序為ONN-OON-OOO-POO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第一小扇區且Q₁≤Q₂時，基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第二小扇區，基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PON-POO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第三小扇區且Q₁＞Q₂時，基礎矢量作用順序為ONN-OON-PON-POO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第三小扇區且Q₁≤Q₂時，基礎矢量作用順序為OON-PON-POO-PPO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第四小扇區，基礎矢量作用順序為OON-PON-PPN-PPO時基礎小矢量作用占空比為：

其中，T_s為開關序列周期，C為電容值，上、下電容值相等C＝C₁＝C₂，V_dc為直流母線電壓，v(k)為中點電壓采樣值，i_b為B相的相電流瞬時值；

對于其他五個大扇區，以此類推。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：

本發明的方法計算量小，實現簡單；本發明的方法不需要增加額外的硬件電路，節省成本；本發明的方法可以顯著降低中點電壓波動，減小輸出電流總畸變率，具有良好的實用性。

當逆變器功率因數較高時，由于在空間矢量調制方法中，重合的兩個小矢量對中點電位的影響是相反的，此時中矢量對中點電位的影響可以通過小矢量消除，因此，本發明基于空間矢量調制方法，采用無差拍控制調整兩個重合小矢量的作用占空比來實現中點電位平衡。

附圖說明

圖1是三電平T型逆變器結構圖。

圖2是三電平T型逆變器的空間矢量圖。

圖3是第一大扇區分區及矢量圖。

圖4-1是基礎小矢量POO的開關狀態圖。

圖4-2是基礎小矢量ONN的開關狀態圖。

圖5是基礎中矢量PON的開關狀態圖。

圖6-1是采用中點平衡方法的A相電流的仿真波形圖。

圖6-2是采用中點平衡方法的A、B間相電壓的仿真波形圖。

圖6-3是采用中點平衡方法的上電容電壓與下電容電壓的仿真波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明的具體實施方式作詳細說明。

圖1給出了三電平T型逆變器結構圖，包括并聯的三個橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的IGBT開關管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的IGBT管，另一側與負載連接；在并聯的各橋臂端接入同一臺直流電壓源；輸入電壓源并聯的兩個中點箝位電容的中點連接各相橋臂的兩個方向不同的IGBT管的一端；各個IGBT管均由控制電路驅動。

三電平T型逆變器高功率因數時的中點電位平衡方法，具體實施方式包括三個步驟：第一步：根據空間矢量調制方法選擇合成矢量并確定各合成矢量作用占空比；第二步：選擇零矢量和小矢量中的基礎矢量并確定所選基礎矢量順序；第三步：采用無差拍控制方法調整兩個重合小矢量的作用占空比。

所述第一步中選擇合成矢量并確定各合成矢量作用占空比的實施過程為：三電平T型逆變器每一相的輸出電平都有三種狀態：第一種狀態是輸出電壓等于母線直流電壓，設為P；第二種狀態是輸出電壓等于母線直流電壓的一半，設為O；第三種狀態是輸出電壓等于0，設為N；因此共有27種工作狀態，即有27種基礎矢量分別為：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP，根據矢量大小的不同可分為12個基礎小矢量，6個基礎中矢量，6個基礎大矢量和3個基礎零矢量，其中，12個基礎小矢量又可分為六對小矢量，每對小矢量重合；三個零矢量重合。

圖2為27個基礎矢量構成的矢量圖，分為六個大扇區，每個大扇區又可分為四個小扇區，每個大扇區有五種合成矢量：兩個小矢量對，一個中矢量，兩個大矢量，三個重合零矢量，圖3為第一大扇區的矢量圖。首先經過坐標變換得到參考電壓矢量，并根據參考電壓矢量所在扇區從5種合成矢量中選擇相應的合成矢量并確定各合成矢量作用占空比(以第一大扇區為例，其他大扇區類似)，具體如下：

(1)當參考矢量位于第一小扇區時，合成矢量選擇零矢量v₀、小矢量v₁、小矢量v₂，作用占空比分別為

(2)當參考矢量位于第二小扇區時，合成矢量選擇小矢量v₁、中矢量v₄、大矢量v₃，作用占空比分別為

(3)當參考矢量位于第三小扇區時，合成矢量選擇小矢量v₁、小矢量v₂、中矢量v₄，作用占空比分別為

(4)當參考矢量位于第四小扇區時，合成矢量選擇小矢量v₂、中矢量v₄、大矢量v₅，作用占空比分別為

所述第二步中選擇零矢量和小矢量中的基礎矢量并確定所選基礎矢量順序實施過程為，分為兩種情況討論(以第一個大扇區為例，其他大扇區類似)，具體如下：

第一種情況：當參考矢量處于第二小扇區和第四小扇區的時候，合成矢量中只有一個小矢量，可直接選擇并確定基礎矢量作用順序，分別為：

(1)參考矢量處于第二小扇區：基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PON-POO；各基礎矢量作用占空比關系分別為：

(2)參考矢量處于第四小扇區：基礎矢量作用順序為OON-PON-PPN-PPO；各基礎矢量作用占空比關系分別為：

第二種情況：當參考矢量處于第一小扇區和第三小扇區的時候，合成矢量中含有兩個小矢量，每個小矢量又包含兩個重合的基礎小矢量，根據兩個小矢量以及小矢量內的一對重合基礎矢量作用效果，從每對小矢量中選擇合成基礎矢量，并確定矢量順序：

(1)參考矢量處于第一小扇區且Q₁＞Q₂：基礎矢量作用順序為ONN-OON-OOO-POO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：

(2)參考矢量處于第一小扇區且Q₁≤Q₂：基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：

(3)參考矢量處于第三小扇區且Q₁＞Q₂：基礎矢量作用順序為ONN-OON-PON-POO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：

(4)參考矢量處于第三小扇區且Q₁≤Q₂：基礎矢量作用順序為OON-PON-POO-PPO，各基礎矢量作用占空比關系分別為：

其中，Q₁和Q₂定義步驟如下：

圖4-1、4-2分別給出了當基礎矢量為POO和ONN時的開關電路圖，圖5給出了基礎中矢量PON的開關電路圖。

當POO或ONN作用時，中點電壓變化ΔV₁和ΔV₂分別如下：

當PON作用時，中點電壓變化ΔV₃為：

首先假設第一小扇區的基礎矢量順序為：ONN-OON-OOO-POO，則中點電位變化：

由ΔV表達式定義：

其中，T_s為開關序列周期，C為電容值，上、下電容值相等C＝C₁＝C₂，i_a、i_b、i_c為A、B、C相的相電流瞬時值。

則

又在無差拍控制中

ΔV＝0.5V_dc-v(k)

所以有

所述第三步中的采用無差拍控制方法調整兩個重合小矢量的作用占空比的實施過程為(以第一大扇區為例，其他大扇區的計算方法類似)：

當參考電壓位于第一小扇區且Q₁＞Q₂時，基礎矢量作用順序為ONN-OON-OOO-POO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第一小扇區且Q₁≤Q₂時，基礎矢量作用順序為OON-OOO-POO-PPO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第二小扇區，基礎矢量作用順序為ONN-PNN-PON-POO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第三小扇區且Q₁＞Q₂時，基礎矢量作用順序為ONN-OON-PON-POO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第三小扇區且Q₁≤Q₂時，基礎矢量作用順序為OON-PON-POO-PPO時基礎小矢量作用占空比為：

當參考電壓位于第四小扇區，基礎矢量作用順序為OON-PON-PPN-PPO時基礎小矢量作用占空比為：

其中，V_dc為直流母線電壓，v(k)為中點電壓采樣值。

圖6-1、6-2、6-3為當功率因數為0.99，采用本發明的三電平T型逆變器高功率因數時的中點電位平衡方法時的仿真波形圖，其中圖6-1為A相輸出電流，圖6-2為A、B相間輸出電壓，圖6-3為上電容和下電容兩端的電壓值，仿真結果：中點電壓波動小，輸出電流總畸變率小，充分證明了本發明的實用性。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。