[发明专利]三电平变换器中点电位平衡控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明专利属于电力电子技术应用领域，提出了一种新的三电平变换器中点电位平衡控制方法。

背景技术

在电力电子大功率应用场合中，三电平变换器是目前最常用的多电平变换器之一，它具有开关器件承受电压应力低，系统电压等级高，输出电压谐波小等特点，在大功率应用领域优势明显，因此得到了越来越广泛的应用。但是由于三电平变换器的直流侧是通过两个电容串联组成的，所以往往会造成三电平变换器中点电位不平衡问题。

中点电位不平衡问题一直是三电平变换器中存在的一个重要问题，中点电压波动会对系统造成以下一些方面的危害：1）输出侧含有低次谐波，降低系统输出效率，影响输出性能；2）功率器件承受的电压不均衡，影响器件的正常工作，甚至毁坏器件；3）降低直流侧电容的使用寿命。

中点电压波动分为两大类：1）直流分量不变的波动，即中点电压脉动；2）直流分量变化的波动，即中点电压漂移。

中点电压脉动的根本原因由拓扑和控制方法决定。在每个开关周期内，当有电流流过中点时，直流侧上下两个电容充放电过程相反，此时中点电压产生波动。而由于三相调制波在一个工频周期中存在对称性变化，使得中点电流在一个周期内换流三次，故产生三倍工频的中点电压波动。产生中点电压漂移的原因为：1）直流侧电容参数存在差异。这些差异直接导致直流侧两个电容上的电压分配不均；2）开关器件特性差异。即使是同一批开关，在一些参数上仍不同，这会对直流侧中点电压产生影响；3）负载的不对称性和非线性。这会导致三相电流的不对称，使得中点电压偏离理论值；4）控制算法本身存在的缺陷，仿真或分析时常将控制算法理想化，而实际运行时，控制算法本身就会引起直流分量平均值的变化；另一方面，即使采用了一些中点电压控制方法，但若没有合理地选择开关状态，使得整个控制算法对中点电压波动的可控区域很小，实际应用时仍会使中点电压存在漂移。

中点电压波动的几种常用控制方法包括：1）多个直流电源法，用直流源代替直流侧电容，该方法大大简化了系统的控制算法，使软件成本下降，使用于硬件成本较低的电路。2）附加硬件电路法，通过在直流侧增加附加电路来控制其中点电压波动，该方法减少了软件控制的复杂度，但是增加了系统硬件成本，同时该方法对电感的依赖性太强，若参数设计不好，仍然不会得到很好的控制效果。3）改进拓扑法，当不对控制策略进行改进时，可以改进控制拓扑。4）软件控制法，控制算法本身具有一定的自由度，充分利用这些自由度，可通过软件控制中点电压波动。节省了硬件成本，但是增加了软件复杂性，在一些情况下，软件算法只能对中点电压波动进行抑制而不能完全控制。

为了有效避免中点电位不平衡造成的危害，保证三电平拓扑电路的稳定性，提高系统输出效率，本发明提出了一种抑制中点电压波动的方法，采用交错DC/DC的电路拓扑、根据中点电位的情况对三电平变换器直流侧两个支撑电容进行交错PI控制，以较好地抑制中点电压波动。

发明内容

针对上述问题本发明所提供的一种三电平变换器中点电位平衡控制系统及方法解决了三电平变换器中点电压波动的问题，提供了一种新的三电平变换器中点电位平衡控制方法，采用在三电平变换器前级增加交错DC/DC的电路拓扑、根据中点电位的情况对三电平变换器直流侧两个支撑电容进行交错PI控制的新方法，以有效减小或抑制三电平变换器中点电压波动，从而改善了系统的输出性能，提高了三电平拓扑电路的稳定性。

本发明为了实现上述目的，可以使用以下方案：