一种三电平变换中点平衡控制方法、装置及三电平变换器

摘要

本发明适用于电力电子领域，提供了一种三电平变换中点平衡控制方法、装置及三电平变换器，所述方法包括下述步骤：获取三电平变换的输出电流；检测三电平变换中点上的电压偏差；对所述电压偏差进行积分控制处理，生成控制量；根据所述输出电流和所述控制量对三电平载波调制信号进行微调，以控制三电平中点平衡。本发明实施例通过对检测到的三电平变换中点上电压偏差进行积分控制处理生成控制量，并根据该控制量直接对三电平载波调制信号进行微调，能够迅速抑制三电平变换中点的电压偏差，保持三电平变换中点平衡，从而保证了三电平拓扑电路的稳定性。该方法无论电压偏差大、小，均可以迅速有效地控制，并且方法简单，容易实现。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种三电平变换中点平衡控制方法、 装置及三电平变换器。

背景技术

近年来，人们对电力电子装置的电压等级和功率等级的要求不断提高，三 电平变换器作为顺应这一潮流的解决方案受到越来越多的关注。由于三电平变 换器必须采用正负母线的拓扑结构，而控制该拓扑结构的中点平衡，即保持三 电平变换中点两侧的正、负母线电容的电压平衡却一直是个难点。

目前现有的控制方法大部分采用通过空间矢量控制的控制方法控制三电平 变换中点平衡，但是，这种方法在微调时，控制方法非常复杂，调试极为不便， 不利于广泛推广。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种三电平变换中点平衡控制方法，旨在解 决现有三电平变换中点平衡控制复杂，调试不便的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种三电平变换中点平衡控制方法，所述方 法包括下述步骤：

获取三电平变换的输出电流；

检测三电平变换中点上的电压偏差；

对所述电压偏差进行积分控制处理，生成控制量；

根据所述输出电流和所述控制量对所述三电平载波调制信号进行微调，以 控制三电平中点平衡。

本发明实施例的另一目的在于提供一种三电平变换中点平衡控制装置，与 三电平变换单元连接，所述装置包括：

电流获取单元，所述电流获取单元的输入端与所述三电平变换单元的电流 输出端连接，用于检测三电平变换的输出电流；

中点电压检测单元，所述中点电压检测单元的输入端与所述三电平变换单 元的中点检测端连接，用于检测三电平变换中点上的电压偏差；

积分控制单元，所述积分控制单元的输入端与所述中点电压检测单元的输 出端连接，用于对所述电压偏差进行积分控制处理，生成控制量；

脉宽控制单元，所述脉宽控制单元的第一输入端与所述电流获取单元的输 出端连接，所述脉宽控制单元的第二输入端与所述积分控制单元的输出端连接， 用于根据所述输出电流和所述控制量对所述三电平载波调制信号进行微调，以 控制三电平中点平衡。

本发明实施例的另一目的在于提供一种包括上述三电平变换中点平衡控制 装置的三电平变换器。

本发明实施例通过对检测到的三电平变换中点上电压偏差进行积分控制处 理生成控制量，并根据该控制量直接对三电平载波调制信号进行微调，迅速抑 制三电平变换中点的电压偏差，保持三电平变换中点平衡，从而保证了三电平 拓扑电路的稳定性，该方法控制简单，容易实现，不受电压偏差大小的限制， 均可以迅速有效地控制，有利于广泛推广。

附图说明

图1为现有三电平变换单元中点位置结构图；

图2为本发明第一实施例提供的三电平变换中点平衡控制方法的实现流程 图；

图3为本发明第二实施例提供的三电平变换中点平衡控制方法的实现流程 图；

图4为本发明第三实施例提供的三电平变换中点平衡控制方法的实现流程 图；

图5为本发明实施例提供的三电平变换中点平衡控制装置的结构图；

图6为本发明实施例提供的三电平变换中点平衡控制装置的优选结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过对检测到的三电平变换中点上电压偏差进行积分控制处 理生成控制量，并根据该控制量直接对三电平载波调制信号进行微调，迅速抑 制三电平变换中点的电压偏差，保持三电平变换中点平衡。

图2示出了本发明第一实施例提供的三电平变换中点平衡控制方法的实现 流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

作为本发明一实施例，该三电平变换中点平衡控制方法包括下述步骤：

在步骤S201中，获取三电平变换的输出电流；

在本发明实施例中，通过检测三电平转换单元1输出的三个方向的电流I_a、 I_b、I_c获取输出电流，参见图1。

在步骤S202中，检测三电平变换中点G上的电压偏差；

在步骤S203中，对电压偏差进行积分控制处理，生成控制量；

在本发明实施例中，将检测到的三电平变换单元1中的正、负母线上的两 个电容C_BUSP、C_BUSN上的电压偏差U_bus进行积分控制，生成控制量ΔU_ctrl，其积 分表达式为：ΔU_ctrl＝k₁·ΔUbus+k₂·∫ΔUbus，其中K1、K2为比例系数。

在步骤S204中，根据输出电流和控制量对三电平载波调制(Carrier based Pulse Width Modulation，CBPWM)信号进行微调，以控制三电平中点平衡。

在本发明实施例中，根据输出电流和控制量调节三电平载波调制信号的占 空比以及频率等参数，进而控制三电平转换单元1中相应开关管的通断时间的 变化，使正、负母线电容C_BUSP、C_BUSN上的电压相应变化，实现三相电中点G 的平衡控制。

本发明实施例通过对检测到的三电平变换中点上电压偏差进行积分控制处 理生成控制量，并根据该控制量直接对三电平载波调制信号进行微调，迅速抑 制三电平变换中点的电压偏差，保持三电平变换中点平衡，从而保证了三电平 拓扑电路的稳定性，该方法控制简单，容易实现，不受电压偏差大小的限制， 均可以迅速有效地控制，有利于广泛推广。

图3示出了本发明第二实施例提供的三电平变换中点平衡控制方法的实现 流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

在步骤S301中，获取三电平变换的输出电流；

在步骤S302中，分别检测三电平变换中点两侧的正母线电容的电压和负 母线电容上的电压；

在步骤S303中，根据正母线电容上的电压和负母线电容上的电压生成三 电平变换中点上的电压偏差。

在步骤S304中，对电压偏差进行积分控制处理，生成控制量；

在步骤S305中，根据输出电流和控制量对三电平载波调制信号进行微调， 以控制三电平中点平衡。

在本发明实施例中，可以通过分别检测正、负母线电容的电压计算三电平 变换中点的电压偏差，该方法实现简单，可操作性强。

图4示出了本发明第三实施例提供的三电平变换中点平衡控制方法的实现 流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

在步骤S401中，获取三电平变换的输出电流；

在步骤S402中，检测三电平变换中点上的电压偏差；

在步骤S403中，对电压偏差进行积分控制处理，生成控制量；

在步骤S404中，判断输出电流的方向；

在步骤S405中，根据输出电流的方向和控制量进行电压补偿，生成三电 平补偿电压；

在本发明实施例中，分别判断电流I_a、I_b、I_c的方向，从而在三相电压输出 U_a、U_b、U_c的基础上通过判断叠加控制量ΔU_ctrl进行电压补偿，得到补偿电压 Ua′、Ub′、Uc′。

例如，当Ua＞＝0时，判断电流I_a的方向，并通过公式：Ua′＝Ua+sign(ia)·ΔU_ctrl计算补偿电压Ua′，当Ua＜0时，判断电流I_a的方向，并通过公式： Ua′＝Ua-sign(ia)·ΔU_ctrl计算补偿电压Ua′，同理得到补偿电压Ub′、Uc′。

在步骤S406中，根据三电平补偿电压对三电平载波调制信号进行微调， 以控制三电平中点平衡。

在本发明实施例中，将三电平补偿电压Ua′、Ub′、Uc′基于载波脉宽调制分 配对三电平载波调制(CBPWM)信号进行微调，例如当三电平变换中点上的 电压偏差为正值时，降低三相三电平载波调制信号的占空比，以减少开关管Q1 至开关管Q12的导通时间，降低正母线电容在正半周期的功率分配，当三电平 变换中点上的电压偏差为负值时，增加三相三电平载波调制信号的占空比，以 增加开关管Q1至开关管Q12的导通时间，增加负母线电容在负半周期的功率 分配，从而达到三电平变换中点电压平衡，迅速抑制了三电平变换中点的电压 偏差。该功率调节仅对正、负周期的能量重新分配，并不改变其总功率。

该方法不受电压偏差大、小范围的限制，对于任何电压偏差均可以迅速有 效地控制。

本发明实施例通过对检测到的三电平变换中点上电压偏差进行积分控制处 理生成控制量，并根据该控制量直接进行三电平载波调制信号微调，能够迅速 抑制三电平变换中点的电压偏差，保持三电平变换中点平衡，从而保证了三电 平拓扑电路的稳定性。该方法无论电压偏差大、小，均可以迅速有效地控制， 方法简单，容易实现。

图5示出了本发明实施例提供的三电平变换中点平衡控制装置的结构，为 了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

作为本发明一实施例提供的三电平变换中点平衡控制装置可应用于任何类 型的三电平变换器中。

作为本发明一实施例，该三电平变换中点平衡控制装置与三电平变换单元 6连接，包括：

电流获取单元51，该电流获取单元51的输入端与三电平变换单元6的电 流输出端连接，用于获取三电平变换的输出电流；

中点电压检测单元52，该中点电压检测单元52的输入端与三电平变换单 元6的中点检测端连接，用于检测三电平变换中点上的电压偏差；

积分控制单元53，该积分控制单元53的输入端与中点电压检测单元52的 输出端连接，用于对电压偏差进行积分控制处理，生成控制量；

脉宽控制单元54，该脉宽控制单元54的第一输入端与电流获取单元51的 输出端连接，脉宽控制单元54的第二输入端与积分控制单元53的输出端连接， 脉宽控制单元54的输出端与三电平变换单元6的PWM信号控制端连接，用于 根据输出电流和控制量对三电平载波调制信号进行微调，以控制三电平中点平 衡。

本发明实施例通过对检测到的三电平变换中点上电压偏差进行积分控制处 理生成控制量，并根据该控制量直接进行三电平载波调制信号微调，能够迅速 抑制三电平变换中点的电压偏差，保持三电平变换中点平衡，从而保证了三电 平拓扑电路的稳定性。该方法无论电压偏差大、小，均可以迅速有效地控制， 并且方法简单，容易实现，有利于广泛推广。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细说明。

图6示出了本发明实施例提供的三电平变换中点平衡控制装置的优选结 构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

作为本发明一实施例，中点电压检测单元52包括：

电压检测模块521，该电压检测模块521的输入端为中点电压检测单元52 的输入端，用于分别检测三电平变换中点两侧的正母线电容的电压和负母线电 容上的电压；

计算模块522，该计算模块522的输入端与电压检测模块521的输出端连 接，计算模块522的输出端为中点电压检测单元52的输出端，用于根据正母线 电容上的电压和负母线电容上的电压生成三电平变换中点上的电压偏差。

作为本发明一实施例，脉宽控制单元54包括：

电流判断模块541，该电流判断模块541的输入端为脉宽控制单元54的第 一输入端，用于判断输出电流的方向；

电压补偿模块542，该电压补偿模块542的第一输入端与电流判断模块541 的输出端连接，电压补偿模块542的第二输入端为脉宽控制单元54的第二输入 端，用于根据输出电流的方向和控制量进行电压补偿，生成三电平补偿电压；

微调模块543，该微调模块543的输入端与电压补偿模块542的输出端连 接，用于根据三电平补偿电压对PWM信号进行微调，以控制三电平中点平衡。

作为本发明一优选实施例，微调模块543将三电平补偿电压基于载波脉宽 调制分配对PWM信号进行微调。

本发明实施例通过对检测到的三电平变换中点上电压偏差进行积分控制处 理生成控制量，根据该控制量基于载波脉宽调制分配直接对三电平载波调制信 号进行微调，迅速抑制了三电平变换中点的电压偏差，保持三电平变换中点平 衡，该方法无论电压偏差大、小，均可以迅速有效地控制，并且方法简单，容 易实现，调试极为方便，有利于广泛推广。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。