CN113098309B - 用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法，该方法主要目的是消除数字延迟对于三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的不利影响。实际工程应用中，三电平变换器一般采用数字控制，而数字控制本身存在固有的数字延迟，该数字延迟会造成三电平拓扑直流侧中性点电位的额外波动。本发明通过在一般的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的基础上增加数字延迟补偿环节，从而消除数字延迟造成的三电平拓扑直流侧中性点电位波动。除此之外，本发明提出的数字延迟补偿方法不光适用于三桥臂三电平拓扑，对于任意桥臂数的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制均适用。

Description

用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延 迟补偿方法
技术领域
本发明涉及三电平电力电子变换器技术领域，具体涉及一种用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法。
背景技术
自1981年首次提出以来，中性点二极管钳位式三电平拓扑已广泛用于电机驱动器、并网逆变器、有源电力滤波器等领域。与传统的两电平拓扑相比，三电平拓扑具有明显的优势，例如较低的开关电压应力和较小的无源滤波器体积。但是，三电平拓扑也有其缺点，最突出的一点是：为了保持其直流侧中性点电位平衡需要增加额外的控制方法。如果没有适当的平衡控制，直流侧两个电容器电压之间的差值在某些极端情况下会变得很大，从而导致输出电流波形畸变甚至开关器件过电压损坏。
各种基于载波脉冲宽度调制(CBPWM)的三电平直流侧中性点电位平衡方法应用最为广泛。基于CBPWM的平衡方法本质上在于计算出合适的共模电压，通过将计算出的共模电压叠加到原有的调制信号上，实现三电平直流侧中性点电位的平衡控制。根据直流侧中性点电位和中性点平均电流之间的关系，文献[1]Q.Song,W.Liu,Q.Yu,et al.A neutral-point potential balancing algorithm for three-level NPC inverters usinganalytically injected zero-sequence voltage[C].IEEE Applicaton PowerElectronics Conference,2003.提出了一种基于“计算-验证-修正”思想的平衡方法，它本质上是一种间接的共模电压计算方法，这也导致其在某些情况下计算出的共模电压值不准确。文献[2]C.Wang,Y.Li.Analysis and calculation of zero-sequence voltageconsidering neutral-point potential balancing in three-level NPC converters[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2010,57(7): 2262–2271.提出了一种共模电压的精确计算方法，是一种较为通用的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡方法。但是以上平衡方法忽略了实际工程应用中数字控制延迟的影响。
数字信号处理器(DSP)已广泛应用于工业控制中，其优点在于编程方便，且数字信号处理不易受到外界干扰。但是与模拟控制相比，数字控制方法无法避免一个控制周期的数字延迟，而这会导致平衡方法控制性能降低。文献[3]X.Zhou and S.Lu,"Influence ofDigital Delay on the Zero-Sequence Voltage Injection Neutral-Point PotentialBalance Algorithm for Three-Level NPC Inverters and Its Compensation Method,"in IEEE Access,vol. 7,pp.71593-71606,2019,doi:10.1109/ACCESS.2019.2920275.提出了一种带有数字延迟补偿的三桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡算法，但是该方法并没有讨论适用于任意桥臂数三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明提出了一种用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法，该方法主要目的是消除数字延迟对于三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的不利影响。本发明通过在一般的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的基础上增加数字延迟补偿环节，从而消除数字延迟造成的三电平拓扑直流侧中性点电位波动。除此之外，本发明提出的数字延迟补偿方法不光适用于三桥臂三电平拓扑，对于任意桥臂数的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制均适用。
本发明采取的技术方案为：
用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法，包括以下步骤：
S1:首先定义一般的无数字延迟补偿的多桥臂三电平直流侧中性点电位平衡控制的共模电压计算方法用函数F表示，形式如公式(1)所示：
vcom(kTs)＝F(△vdc(kTs),ia,b,c,...,n(kTs),vA,B,C,...,N(kTs)) (1)；
其中：Ts表示共模电压计算方法的数字控制周期；
k表示共模电压计算方法的第个k数字控制周期；
Δvdc(kTs)表示在kTs数字控制周期时刻多桥臂三电平变流器直流侧上、下电容电压差值；
ia,b,c,...,n(kTs)表示在kTs数字控制周期时刻多桥臂三电平变流器的交流侧输出电流；
vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、…、vN(kTs)表示在kTs数字控制周期未加入共模分量的多桥臂三电平变流器各桥臂归一化调制信号。
S2:将每一个控制周期内的各桥臂归一化调制波信号vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、…、vN(kTs) 按照从大到小依次定义为：v1(kTs)、v2(kTs)、v3(kTs)、…、vn(kTs)，并且定义i1(kTs)、i2(kTs)、 i3(kTs)、…、in(kTs)为v1(kTs)、v2(kTs)、v3(kTs)、…、vn(kTs)对应的交流侧输出电流；
S3:定义Δvdc((k+1)Ts)为(k+1)Ts数字控制周期时刻的多桥臂三电平变流器直流侧上、下电容电压差值，本发明的特征在于提出Δvdc((k+1)Ts)的计算表达式如公式(2)所示：
Figure BDA0002972652420000031
S4:将公式(1)中的Δvdc(kTs)用Δvdc((k+1)Ts)替代来计算共模电压vcom(kTs)的值，计算最终共模电压vcom(kTs)的表达式如公式(3)所示。
vcom(kTs)＝F(△vdc((k+1)Ts),ia,b,c,...,n(kTs),vA,B,C,...,N(kTs)) (3)；
S5:将公式(3)中计算得到的最终共模电压vcom(kTs)加入到各桥臂归一化调制波vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、…、vN(kTs)中，即可实现多桥臂三电平直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明公开了一种用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法，该方法主要目的是消除数字延迟对于三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的不利影响。实际工程应用中，三电平变换器一般采用数字控制，而数字控制本身存在固有的数字延迟，该数字延迟会造成三电平拓扑直流侧中性点电位的额外波动。本发明通过在一般的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的基础上，增加数字延迟补偿环节，从而消除数字延迟造成的三电平拓扑直流侧中性点电位波动。除此之外，本发明提出的数字延迟补偿方法不光适用于三桥臂三电平拓扑，对于任意桥臂数的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制均适用。
附图说明
图1为多桥臂三电平变流器拓扑图。
图2为带有数字延迟补偿的多桥臂三电平变换器直流侧中性点电位平衡控制框图。
图3为采用无数字延迟补偿的一般三电平直流侧中性点电位平衡控制的直流侧电压仿真波形图。
图4为采用本文提出的三电平直流侧中性点电位平衡控制数字延迟补偿方法的直流侧电压仿真波形图。
具体实施方式
一种用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法。该方法主要目的是消除数字延迟对于三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的不利影响。实际工程应用中，三电平变换器一般采用数字控制，而数字控制本身存在固有的数字延迟，该数字延迟会造成三电平拓扑直流侧中性点电位的额外波动。本发明通过在一般的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的基础上增加数字延迟补偿环节，从而消除数字延迟造成的三电平拓扑直流侧中性点电位波动。除此之外，本发明提出的数字延迟补偿方法不光适用于三桥臂三电平拓扑，对于任意桥臂数的三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制均适用。
下面以四桥臂三电平变换器为例，说明本发明的具体实施步骤。
首先，在kTs时刻采样得到四桥臂三电平变流器直流侧上、下电容电压差值为Δvdc(kTs)，四桥臂变流器的交流侧输出电流为ia(kTs)、ib(kTs)、ic(kTs)、id(kTs)，以及未加入共模分量的各桥臂归一化调制信号为vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、vD(kTs)。另外，定义三电平变换器的两个直流侧电容值均为C，定义三电平变流器数字控制算法的控制周期为Ts。定义一般的用于三电平直流侧中性点电位平衡控制的共模电压计算方法用函数F表示，如公式(1)所示。
vcom(kTs)＝F(△vdc(kTs),ia,b,c,d(kTs),vA,B,C,D(kTs)) (1)；
此处并没有给出公式(1)的详细推导过程，仅用函数符号F代替，因为一般的没有数字延迟补偿的三电平直流侧中性点电位平衡控制的共模电压计算方法已经较为成熟，很多文献均有研究，具体推导过程可以参见文献[4]X.Zhou,S.Lu,A simple zero-sequencevoltage injection method to balance the neutral-point potential for three-level NPC inverters,2018IEEE Applied Power Electronics Conference andExposition(APEC),San Antonio,TX,USA,2018,pp.2471-2475.
从公式(1)可以看出，现有的共模电压vcom(kTs)计算过程都是基于kTs时刻采样得到的变量，例如Δvdc(kTs)、vA,B,C,D(kTs)、ia,b,c,d(kTs)，但是由于数字延迟控制的存在共模电压 vcom(kTs)在一个数字延迟控制之后才会输出并产生作用，正是由于此数字延迟，会导致三电平变流器的直流侧中性点电位会产生波动。
为了解决此问题，如果通过某种方法预测得到时刻(k+1)Ts时刻的Δvdc((k+1)Ts)，并且将公式(1)中的Δvdc(kTs)用Δvdc((k+1)Ts)替代来计算共模电压vcom(kTs)的值，即可消除数字延迟对于三电平直流侧中性点电位产生的波动。
为了得到Δvdc((k+1)Ts)的值，首先将采样得到的每一个控制周期内的各桥臂归一化调制波信号vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、vD(kTs)按照从大到小依次定义为v1(kTs)、v2(kTs)、v3(kTs)、 v4(kTs)，并且将ia(kTs)、ib(kTs)、ic(kTs)、id(kTs)定义为i1(kTs)、i2(kTs)、i3(kTs)、i4(kTs)，其中 i1(kTs)、i2(kTs)、i3(kTs)、i4(kTs)为v1(kTs)、v2(kTs)、v3(kTs)、v4(kTs)对应的交流侧输出电流。
本发明的最重要本发明点在于提出了多桥臂三电平变流器直流侧中性点电位平衡算法中Δvdc((k+1)Ts)的表达式，如公式(2)所示，此处以四桥臂三电平变流器为例：
Figure BDA0002972652420000051
其中，vi(kTs)表示kTs时刻四桥臂三电平变流器未加入共模分量的各桥臂归一化调制信号；vcom((k-1)表示(k-1)Ts时刻计算得到的共模电压vcom的值；ii(kTs)表示kTs时刻四桥臂变流器的交流侧输出电流。
进一步，将公式(1)中的Δvdc(kTs)用公式(2)中的Δvdc((k+1)Ts)替代，可以计算得到最终共模电压的表达式，如公式(3)所示。
vcom(kTs)＝F(△vdc((k+1)Ts),ia,b,c,d(kTs),vA,B,C,D(kTs)) (3)；
最后，将计算得到的最终共模电压加入到各桥臂归一化调制波vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、 vD(kTs)中，即可实现带有数字延迟功能的多桥臂三电平直流侧中性点电位的平衡控制。如图2所示。图2中的虚线框表示本发明提出的用于多桥臂三电平直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法，图2中虚线框之外的部分表示一般的无数字延迟补偿的三电平直流侧中性点电位平衡控制框图。
为了说明本发明的有效性，基于MATLAB/SIMULINK软件搭建了四桥臂三电平变流器仿真模型，仿真模型的变流器拓扑部分如图1所示。仿真模型的直流侧总电压vdc为150V，直流侧电容值C为0.7mF，仿真模型交流侧每一相负载电阻R为2欧姆，仿真模型每一相桥臂调制信号的调至比为0.9，仿真模型交流侧每相输出电流峰值为33A，仿真模型中的控制算法控制周期Ts为0.0001秒。
图3和图4展示了基于以上仿真模型所得到的四桥臂三电平变流器直流侧上下两个电容电压的仿真波形，其中图3表示无数字延迟补偿的仿真结果，图4表示采用本发明提出的数字延迟补偿方法后的仿真结果，从仿真结果可以看出，采用本发明提出的数字延迟补偿方法后，四桥臂三电平变流器直流侧上下两个电容电压的差值从6V下降到2V，四桥臂三电平变流器直流侧中性点电位也更加稳定，以上结果说明了本发明的正确性和有效性。

Claims (1)

1.用于多桥臂三电平拓扑直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:首先定义无数字延迟补偿的多桥臂三电平直流侧中性点电位平衡控制的共模电压计算方法用函数F表示，形式如公式(1)所示：
vcom(kTs)＝F(△vdc(kTs),ia,b,c,...,n(kTs),vA,B,C,...,N(kTs)) (1)；
其中：Ts表示共模电压计算方法的数字控制周期；
k表示共模电压计算方法的第个k数字控制周期；
Δvdc(kTs)表示在kTs数字控制周期时刻多桥臂三电平变流器直流侧上、下电容电压差值；
ia,b,c,...,n(kTs)表示在kTs数字控制周期时刻多桥臂三电平变流器的交流侧输出电流；vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、…、vN(kTs)表示在kTs数字控制周期未加入共模分量的多桥臂三电平变流器各桥臂归一化调制信号；
S2:将每一个控制周期内的各桥臂归一化调制波信号vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、…、vN(kTs)按照从大到小依次定义为：v1(kTs)、v2(kTs)、v3(kTs)、…、vn(kTs)，并且定义i1(kTs)、i2(kTs)、i3(kTs)、…、in(kTs)为v1(kTs)、v2(kTs)、v3(kTs)、…、vn(kTs)对应的交流侧输出电流；
S3:定义Δvdc((k+1)Ts)为(k+1)Ts数字控制周期时刻的多桥臂三电平变流器直流侧上、下电容电压差值，Δvdc((k+1)Ts)的计算表达式如公式(2)所示：
Figure FDA0002972652410000011
S4:将公式(1)中的Δvdc(kTs)用Δvdc((k+1)Ts)替代来计算共模电压vcom(kTs)的值，计算最终共模电压vcom(kTs)的表达式如公式(3)所示；
vcom(kTs)＝F(△vdc((k+1)Ts),ia,b,c,...,n(kTs),vA,B,C,...,N(kTs)) (3)；
S5:将公式(3)中计算得到的最终共模电压vcom(kTs)加入到各桥臂归一化调制波vA(kTs)、vB(kTs)、vC(kTs)、…、vN(kTs)中，即可实现多桥臂三电平直流侧中性点电位平衡控制的数字延迟补偿。
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