一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法
阅读：284发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法。所述控制方法针对三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略的情况，在中点电位偏差超过限定值时，首先确定当前相 角 区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；然后检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点 电流 ，判断三者的乘积方向，并送入PI 控制器 得到中矢量时间调整因子ΔUneu；通过将中矢量时间调整因子ΔUneu 叠加 到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡。本 发明 控制方法可以将载波反相层叠PWM方法作用下的中点电位偏差控制在限定范围内，提高了三电平变流器的可靠性。，下面是一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法专利的具体信息内容。
1.一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述控制方法针对三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略的情况，在中点电位偏差超过限定值时，首先确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；然后检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu；通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡。
2.根据权利要求1所述的载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述控制方法在中点电位偏差超过限定值时，首先确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；定义三电平变流器由高到低输出的三个电平状态分别为P、O、N，在不同相角区域内，所述载波反相层叠PWM使用的中矢量分别如下：
1)对于30度到90度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PNO；
2)对于90度到150度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PON；
3)对于150度到210度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为OPN；
4)对于210度到270度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NPO；
5)对于270度到330度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NOP；
6)对于330度到30度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为ONP。
3.根据权利要求1所述的载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述控制方法检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu；定义中矢量对应的调制波和中点电流分别为Ux和ix，所述中矢量对应的调制波和中点电流检测方法如下：
1)当中矢量为PNO或NPO时，有Ux＝Umc，ix＝ic；
2)当中矢量为PON或NOP时，有Ux＝Umb，ix＝ib；
3)当中矢量为OPN或ONP时，有Ux＝Uma，ix＝ia；
上述检测方法中，Uma、Umb、Umc分别代表A相、B相、C相的调制波，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的电流。
4.根据权利要求3所述的载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述三相调制波Uma、Umb和Umc定义如下：
对Uma、Umb和Umc定义中，Ua、Ub、Uc分别代表A相、B相、C相的正弦波，U0为零序分量。Ua、Ub、Uc和U0的定义如下：
对Ua、Ub、Uc和U0定义中，M为标幺后的调制波幅值，ωb为角频率，Umax和Umin分别代表Ua、Ub、Uc中的最大值和最小值。
5.根据权利要求3所述的载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述中点电位偏差值的检测方法如下：
ΔU＝Udc1-Udc2
上式中，ΔU代表中点电位偏差值，Udc1为三电平变流器直流侧上端电压，Udc2为三电平变流器直流侧下端电压。
6.根据权利要求1所述的载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述控制方法通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡；所述将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应调制波的具体方式如下：
1)对于30度到90度、210度到270度相角区域，有Uma＝Uma，Umb＝Umb，Umc＝Umc+ΔUneu；
2)对于90度到150度、270度到330度相角区域，有Uma＝Uma，Umb＝Umb+ΔUneu，Umc＝Umc；
3)对于150度到210度、330度到30度相角区域，有Uma＝Uma+ΔUneu，Umb＝Umb，Umc＝Umc；
上述方式中，Uma、Umb、Umc分别代表A相、B相、C相的调制波，ΔUneu为中矢量时间调整因子。
7.根据权利要求6所述的载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述叠加中矢量时间调整因子ΔUneu后的中矢量对应调制波的范围应限定为-1到1，具体限定方法为：
1)对于30度到90度、210度到270度相角区域，有：
2)对于90度到150度、270度到330度相角区域，有：
3)对于150度到210度、330度到30度相角区域，有：
上述限定方法中，Uma、Umb、Umc分别代表A相、B相、C相的调制波。
8.根据权利要求1所述的载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法，其特征在于：所述控制方法只在中点电位偏差超过限定值时投入使用，当三电平变流器中点电位偏差值在限定范围内时，令ΔUneu＝0，不对调制波进行调整。ΔUneu为中矢量时间调整因子。
一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种中点电位平衡控制方法，尤其涉及一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法。
背景技术
[0002] 典型的三电平变流器如三电平中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC)变流器，其主电路拓扑如图1所示。相比于传统的两电平变流器，三电平NPC变流器通过控制三相桥臂各开关器件的导通与关断可输出三种不同的电平状态，具有输出功率大、器件电压应力低等优点；相比于级联H桥多电平拓扑，具有电路结构简单、便于背靠背运行等优点。基于以上优点，三电平NPC变流器目前被普遍应用于中高压大功率电机的调速场合。
[0003] 共模电压为负载中性点与参考电位点之间具有高频、高幅值特性的零序电压。文献《一种基于优化电压矢量选择的电压源逆变器模型预测共模电压抑制方法》(郭磊磊,金楠,申永鹏[J].电工技术学报,2018,33(6):1347-2355.)指出，当三电平变流器应用于中高压大功率电机的调速场合时，共模电压会对牵引电机的轴承寿命和绝缘性能产生不良影响并造成电磁干扰。为延长牵引电机寿命，必须设法降低三电平变流器的共模电压。
[0004] 载波反相层叠PWM是一种基于载波比较的调制策略，其通过两个频率相同、相位相同，幅值等大反向的三角载波与三相调制波进行比较产生相应的PWM控制信号，并由此控制三电平变流器各桥臂功率开关器件的开通或关断。载波反相层叠PWM原理简单，易于实现，其具体原理示意图如图2所示。
[0005] 文献《Pulse width modulation for power converters:principles and practice》(Holmes D.G,Lipo T A[M].New York:IEEE Press,2003.)指出，相比传统SPWM和SVPWM，载波反相层叠PWM可将三电平变流器的共模电压值由直流电压值的三分之一降至六分之一。故载波反相层叠PWM更符合三电平变流器对降低共模电压的要求。
[0006] 除降低共模电压外，三电平变流器还需注意维持中点电位平衡，即维持三电平变流器的直流侧上端电压和下端电压的偏差值在限定范围内。不平衡的中点电位会在输出电压中产生低次谐波并使三电平变流器某半边桥臂的功率器件承受过高的电压，危及运行安全，因此必须要采取措施保证三电平变流器中点电位平衡。
[0007] 定义三电平变流器直流侧电压为2E，其由高到低输出的三种电平状态分别为P、O、N，对应输出电压分别为E、0、-E，则可将三电平变流器的各电压空间矢量总结于图3。图3中的各电压空间矢量依据其幅值大小和对应电平状态可分类为零矢量、P型小矢量、N型小矢量、中矢量和大矢量。其中，相同相角处的P型小矢量和N型小矢量互为冗余小矢量。表1总结了三电平变流器各电压空间矢量的具体分类情况。
[0008] 表1三电平变流器各电压空间矢量类型
[0009]
[0010] 现有中点电位平衡控制方法主要借助相同相位角处的P型小矢量和N型小矢量对应中点电流方向相反的原理，当出现中点电位不平衡现象时，判断三相电流的方向，然后增加有利于中点电位平衡的冗余小矢量作用时间，从而控制直流侧上端电压和下端电压重新恢复平衡。文献《混合式三电平中点电位平衡控制策略》(周京华，[J].中国电机工程学报,2013,33(24):82-89.)详细介绍了该种方法的原理。
[0011] 图4为载波反相层叠PWM在载波比12下的三相电压波形。从中分析可知，载波反相层叠PWM在0度到60度相角区域内的等效电压空间矢量序列为PNP→ONP→ONO→OOO→ONO→ONP→PNP、PNP→PNO→ONO→OOO→ONO→PNO→PNN，其在每个载波周期内只使用了小矢量ONO，而未使用对应的冗余小矢量POP。由于载波反相层叠PWM在每个载波周期内只使用了一个小矢量，故其无法利用现有重新分配冗余小矢量作用时间的方法来调控中点电位平衡。
[0012] 载波反相层叠PWM可有效降低三电平变流器的共模电压，但其无法利用现有重新分配冗余小矢量作用时间的方法来调控中点电位平衡。为在三电平变流器中更好的应用载波反相层叠PWM，需设计适用于载波反相层叠PWM的中点电位平衡控制方法。
发明内容
[0013] 为克服载波反相层叠PWM无法利用现有重新分配冗余小矢量作用时间方法进行中点电位平衡控制的缺点，本发明提出一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法。本发明可以将载波反相层叠PWM作用下的中点电位偏差控制在限定范围内，从而提高了载波反相层叠PWM作为调制策略时三电平变流器的可靠性。
[0014] 本发明载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法针对三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略的情况，在中点电位偏差超过限定值时，首先确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；然后检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu；通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡。
[0015] 在中点电位偏差超过限定值时，本发明载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法具体如下：
[0016] 1、确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；
[0017] 本发明控制方法在中点电位偏差超过限定值时，首先确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；定义三电平变流器由高到低输出的三个电平状态分别为P、O、N，在不同相角区域内，载波反相层叠PWM使用的中矢量分别如下：
[0018] 1)对于30度到90度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PNO；
[0019] 2)对于90度到150度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PON；
[0020] 3)对于150度到210度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为OPN；
[0021] 4)对于210度到270度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NPO；
[0022] 5)对于270度到330度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NOP；
[0023] 6)对于330度到30度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为ONP。
[0024] 2、检测中矢量对应的调制波和中点电流；
[0025] 本发明控制方法通过检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu；定义中矢量对应的调制波和中点电流分别为Ux和ix，中矢量对应的调制波和中点电流检测方法如下：
[0026] 1)当中矢量为PNO或NPO时，有Ux＝Umc，ix＝ic；
[0027] 2)当中矢量为PON或NOP时，有Ux＝Umb，ix＝ib；
[0028] 3)当中矢量为OPN或ONP时，有Ux＝Uma，ix＝ia；
[0029] 上述检测方法中，Uma、Umb、Umc分别代表A相、B相、C相的调制波，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的电流。三相调制波Uma、Umb和Umc定义如下：
[0030]
[0031] 对Uma、Umb和Umc定义中，Ua、Ub、Uc分别代表A相、B相、C相的正弦波，U0为零序分量。Ua、Ub、Uc和U0的定义如下：
[0032]
[0033] 对Ua、Ub、Uc和U0定义中，M为标幺后的调制波幅值，ωb为角频率，Umax和Umin分别代表Ua、Ub、Uc中的最大值和最小值。
[0034] 3、检测中点电位偏差值；
[0035] 本发明控制方法通过检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu；其中，中点电位偏差值的检测方法如下：
[0036] ΔU＝Udc1-Udc2
[0037] 上式中，ΔU代表中点电位偏差值，Udc1为三电平变流器直流侧上端电压，Udc2为三电平变流器直流侧下端电压。
[0038] 4、将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波；
[0039] 本发明控制方法通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡；将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应调制波的具体方式如下：
[0040] 1)对于30度到90度、210度到270度相角区域，有Uma＝Uma，Umb＝Umb，Umc＝Umc+ΔUneu；
[0041] 2)对于90度到150度、270度到330度相角区域，有Uma＝Uma，Umb＝Umb+ΔUneu，Umc＝Umc；
[0042] 3)对于150度到210度、330度到30度相角区域，有Uma＝Uma+ΔUneu，Umb＝Umb，Umc＝Umc；
[0043] 上述方式中，Uma、Umb、Umc分别代表A相、B相、C相的调制波，ΔUneu为中矢量时间调整因子。
[0044] 5、将中矢量对应调制波的范围应限定为-1到1；
[0045] 本发明控制方法通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡；其中，叠加中矢量时间调整因子ΔUneu后的中矢量对应调制波的范围应限定为-1到1，具体限定方法为：
[0046] 1)对于30度到90度、210度到270度相角区域，有：
[0047] 2)对于90度到150度、270度到330度相角区域，有：
[0048] 3)对于150度到210度、330度到30度相角区域，有：
[0049] 上述限定方法中，Uma、Umb、Umc分别代表A相、B相、C相的调制波。
[0050] 6、当三电平变流器中点电位偏差值在限定范围内时，令中矢量时间调整因子ΔUneu＝0；
[0052] 图1三电平NPC变流器拓扑图；
[0053] 图2载波反相层叠PWM原理图；
[0054] 图3三电平变流器的电压空间矢量图；
[0055] 图4载波比12下，0度到60度相角区域内，载波反相层叠PWM作用下的三相电压；
[0056] 图5相角90度到120度区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量对应调制波上移或下移对中矢量作用时间的影响示意图；
[0057] 图6相角120度到150度区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量对应调制波上移或下移对中矢量作用时间的影响示意图；
[0058] 图7本发明一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法的具体原理图；
[0059] 图8为实施例基波频率50Hz，调制比固定0.8，不添加中点电位平衡保护措施下的直流侧上端电压和下端电压的变化情况；
[0060] 图9为实施例基波频率50Hz，调制比固定0.8，在本发明中点电位平衡控制方法作用下的实施例结果；其中，图9a为直流侧上端电压和下端电压的变化情况，图9b为中点电位偏差值与限定值的比较情况；
[0061] 图10为实施例基波频率50Hz，调制比0.1到1循环变化，不添加中点电位平衡保护措施下的直流侧上端电压和下端电压的变化情况；
[0062] 图11为实施例基波频率50Hz，调制比0.1到1循环变化，在本发明中点电位平衡控制方法作用下的实施例结果；其中，图11a为直流侧上端电压和下端电压的变化情况，图11b为中点电位偏差值与限定值的比较情况；图11c为循环变化的调制比。
具体实施方式
[0063] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0064] 本发明载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法针对三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略的情况，在中点电位偏差超过限定值时，首先确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；然后检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu；通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡。
[0065] 本发明载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法具体如下：
[0066] 首先判断中点电位偏差是否超过限定值，如是，执行以下步骤，如否，则设定中矢量时间调整因子ΔUneu＝0。
[0067] 当中点电位偏差超过限定值时，本发明控制方法执行步骤如下：
[0068] 1、确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量；
[0069] 本发明控制方法在中点电位偏差超过限定值时，首先确定当前相角区域内载波反相层叠PWM使用的中矢量。需要确定载波反相层叠PWM使用中矢量的原因如下：
[0070] 如果一个采样周期内，流入中点的电流与时间的乘积不等于流出中点的电流与时间的乘积，会导致直流侧上端电容和下端电容充电电压和放电电压不相等，进而造成中点电位不平衡。只有小矢量和中矢量会产生中点电流，即只有小矢量和中矢量会对中点电位产生影响，故可通过调整小矢量或中矢量的作用时间来控制中点电位的平衡。
[0071] 由图4可知，载波反相层叠PWM在一个采样周期内的等效电压空间矢量序列为PNP→ONP→ONO→OOO。设采样周期为T，PNP、ONP、ONO和OOO在一个采样周期内的作用时间分别为TL、TM、TS和TZ，由伏秒等效原理可知：
[0072]
[0073] 式(1)中，m代表调制比，θ代表相位角，T为采样周期，TL为大矢量PNP的作用时间，TM为中矢量ONP的作用时间，TS为小矢量ONO的作用时间，TZ为零矢量OOO的作用时间。分析式(1)可知，随着调制比m的增加，中矢量和大矢量的作用时间会增加，零矢量和小矢量的作用时间会减小。
[0074] 调制比与三电平变流器输出线电压的基波幅值成正比，故中点电流会随着调制比的增加而逐渐增加。综合以上结论可知，对于载波反相层叠PWM，中矢量对中点电位的影响要比小矢量更大。故可通过控制载波反相层叠PWM对应中矢量的作用时间，来控制载波反相层叠PWM作用下的中点电位平衡。
[0075] 在不同相角区域内，载波反相层叠PWM使用的中矢量分别如下：
[0076] 1)对于0度到30度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为PNP→ONP→ONO→OOO，对应使用的中矢量为ONP；
[0077] 2)对于30度到60度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为PNP→PNO→ONO→OOO，对应使用的中矢量为PNO；
[0078] 3)对于60度到90度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为PNN→PNO→POO→OOO，对应使用的中矢量为PNO；
[0079] 4)对于90度到120度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为PNN→PON→POO→OOO，对应使用的中矢量为PON；
[0080] 5)对于120度到150度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为PPN→PON→OON→OOO，对应使用的中矢量为PON；
[0081] 6)对于150度到180度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为PPN→OPN→OON→OOO，对应使用的中矢量为OPN；
[0082] 7)对于180度到210度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为NPN→OPN→OPO→OOO，对应使用的中矢量为OPN；
[0083] 8)对于210度到240度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为NPN→NPO→OPO→OOO，对应使用的中矢量为NPO；
[0084] 9)对于240度到270度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为NPP→NPO→NOO→OOO，对应使用的中矢量为NPO；
[0085] 10)对于270度到300度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为NPP→NOP→NOO→OOO，对应使用的中矢量为NOP；
[0086] 11)对于300度到330度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为NNP→NOP→OOP→OOO，对应使用的中矢量为NOP；
[0087] 12)对于330度到360度相角区域，载波反相层叠PWM等效电压空间矢量序列为NNP→ONP→OOP→OOO，对应使用的中矢量为ONP。
[0088] 2、检测中矢量对应的调制波和中点电流；
[0089] 本发明控制方法通过检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu。定义中矢量对应的调制波和中点电流分别为Ux和ix，本发明控制方法中矢量对应的调制波和中点电流检测方法如下：
[0090] 1)对于30度到90度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PNO，流入、流出中点相对应C相，有Ux＝Umc，ix＝ic；
[0091] 2)对于90度到150度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PON，流入、流出中点相对应B相，有Ux＝Umb，ix＝ib；
[0092] 3)对于150度到210度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为OPN，流入、流出中点相对应A相，有Ux＝Uma，ix＝ia；
[0093] 4)对于210度到270度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NPO，流入、流出中点相对应C相，有Ux＝Umc，ix＝ic；
[0094] 5)对于270度到330度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NOP，流入、流出中点相对应B相，有Ux＝Umb，ix＝ib；
[0095] 6)对于330度到30度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为ONP，流入、流出中点相对应A相，有Ux＝Uma，ix＝ia。
[0096] 上述检测方法中，Uma、Umb、Umc分别代表A相、B相、C相的调制波，ia、ib、ic分别为A相、B相、C相的电流。为提高载波反相层叠PWM作用下的直流电压利用率，载波反相层叠PWM的三相调制波Uma、Umb和Umc由三相正弦波Ua、Ub、Uc叠加特定零序分量U0得到，其具体定义如下：
[0097]
[0098] 对Uma、Umb和Umc定义中，Ua、Ub、Uc分别代表A相、B相、C相的正弦波，U0为零序分量，M为标幺后的调制波幅值，ωb为角频率，Umax和Umin分别代表Ua、Ub、Uc中的最大值和最小值。
[0099] 3、检测中点电位偏差值；
[0100] 本发明控制方法通过检测中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流，判断三者的乘积方向，并送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu。在检测得到载波反相层叠PWM等效中矢量对应的调制波和中点电流基础上，还需进一步检测中点电位偏差值。具体检测方法如下：
[0101] ΔU＝Udc1-Udc2 (3)
[0102] 上式中，ΔU代表中点电位偏差值，Udc1为三电平变流器直流侧上端电压，Udc2为三电平变流器直流侧下端电压。
[0103] 4、将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波；
[0104] 本发明控制方法通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡。利用中矢量时间调整因子ΔUneu控制中点电位平衡的原理如下：
[0105] 对于30度到90度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PNO，对应中点电流为C相电流ic。当中点电位偏差值ΔU<0时，为恢复中点电位平衡，应使三电平变流器直流侧上端电压Udc1上升。此时若ic>0，增加PNO作用时间可使Udc1上升；若ic<0，减小PNO作用时间可使Udc1上升；当中点电位偏差值ΔU>0时，为恢复中点电位平衡，应使Udc1下降。此时若ic>0，减小PNO作用时间可使Udc1下降；若ic<0，增加PNO作用时间可使Udc1下降；
[0106] 对于90度到150度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PON，对应中点电流为B相电流ib。当中点电位偏差值ΔU<0时，为恢复中点电位平衡，应使三电平变流器直流侧上端电压Udc1上升。此时若ib>0，增加PON作用时间可使Udc1上升；若ib<0，减小PON作用时间可使Udc1上升；当中点电位偏差值ΔU>0时，为恢复中点电位平衡，应使Udc1下降。此时若ib>0，减小PON作用时间可使Udc1下降；若ib<0，增加PON作用时间可使Udc1下降；
[0107] 对于150度到210度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为OPN，对应中点电流为A相电流ia。当中点电位偏差值ΔU<0时，为恢复中点电位平衡，应使三电平变流器直流侧上端电压Udc1上升。此时若ia>0，增加OPN作用时间可使Udc1上升；若ia<0，减小OPN作用时间可使Udc1上升；当中点电位偏差值ΔU>0时，为恢复中点电位平衡，应使Udc1下降。此时若ia>0，减小OPN作用时间可使Udc1下降；若ia<0，增加OPN作用时间可使Udc1下降；
[0108] 对于210度到270度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NPO，对应中点电流为C相电流ic。当中点电位偏差值ΔU<0时，为恢复中点电位平衡，应使三电平变流器直流侧上端电压Udc1上升。此时若ic>0，增加NPO作用时间可使Udc1上升；若ic<0，减小NPO作用时间可使Udc1上升；当中点电位偏差值ΔU>0时，为恢复中点电位平衡，应使Udc1下降。此时若ic>0，减小NPO作用时间可使Udc1下降；若ic<0，增加NPO作用时间可使Udc1下降；
[0109] 对于270度到330度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为NOP，对应中点电流为B相电流ib。当中点电位偏差值ΔU<0时，为恢复中点电位平衡，应使三电平变流器直流侧上端电压Udc1上升。此时若ib>0，增加NOP作用时间可使Udc1上升；若ib<0，减小NOP作用时间可使Udc1上升；当中点电位偏差值ΔU>0时，为恢复中点电位平衡，应使Udc1下降。此时若ib>0，减小NOP作用时间可使Udc1下降；若ib<0，增加NOP作用时间可使Udc1下降；
[0110] 对于330度到30度相角区域，载波反相层叠PWM使用的中矢量为ONP，对应中点电流为A相电流ia。当中点电位偏差值ΔU<0时，为恢复中点电位平衡，应使三电平变流器直流侧上端电压Udc1上升。此时若ia>0，增加ONP作用时间可使Udc1上升；若ia<0，减小ONP作用时间可使Udc1上升；当中点电位偏差值ΔU>0时，为恢复中点电位平衡，应使Udc1下降。此时若ia>0，减小ONP作用时间可使Udc1下降；若ia<0，增加ONP作用时间可使Udc1下降。
[0111] 总结以上分析可知：
[0112] 对于任意相角区域，当中点电位偏差值ΔU与中点电流ix的乘积小于零时，增加载波反相层叠PWM对应中矢量的作用时间更利于中点电位恢复平衡；而当ΔU与ix的乘积大于零时，减小载波反相层叠PWM对应中矢量的作用时间更利于中点电位恢复平衡。
[0113] 进一步分析将中矢量对应调制波上移或下移对中矢量作用时间的影响。以相角90度到120度区域为例，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PON，中矢量对应调制波Umb<0，此时将中矢量对应调制波上移或下移对中矢量作用时间的影响示意图如图5：上移调制波，会导致中矢量作用时间增加，下移调制波，会导致中矢量作用时间减小。以相角120度到150度区域为例，载波反相层叠PWM使用的中矢量为PON，中矢量对应调制波Umb>0，此时将中矢量对应调制波上移或下移对中矢量作用时间的影响示意图如图6：上移调制波，会导致中矢量作用时间增加，下移调制波，会导致中矢量作用时间减小。
[0114] 同样思路分析可知，针对60度到120度、180度到240度、300度到360度相角区域，均有中矢量对应调制波的值小于零，此时将调制波上移会导致中矢量作用时间增加，下移会导致中矢量作用时间减小；针对0度到60度、120度到180度、240度到300度相角区域，均有中矢量对应调制波的值大于零，此时将调制波上移会导致中矢量作用时间减小，下移会导致中矢量作用时间增加。
[0115] 中矢量对应的调制波叠加一个正值会导致调制波上移，叠加一个负值会导致调制波下移，综合以上所有分析，可得到以下结论：
[0116] 对于任意相角区域，当中点电位偏差值ΔU与中点电流ix、中矢量对应的调制波Umx的乘积小于零时，将载波反相层叠PWM中矢量对应的调制波下移更利于中点电位恢复平衡；而当中点电位偏差值ΔU与中点电流ix、中矢量对应的调制波Umx的乘积大于零时，将载波反相层叠PWM中矢量对应的调制波上移更利于中点电位恢复平衡。
[0117] 基于以上结论，将中点电位偏差值和中矢量对应的调制波、中点电流的乘积方向送入PI控制器得到中矢量时间调整因子ΔUneu，并将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上来控制中矢量的作用时间，可在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡。
[0118] 5、将中矢量对应调制波的范围应限定为-1到1；
[0119] 本发明控制方法通过将中矢量时间调整因子ΔUneu叠加到中矢量对应的调制波上，控制中矢量的作用时间，从而在载波反相层叠PWM作用下控制中点电位平衡；载波反相层叠PWM基于三相调制波与三角载波比较得到各功率器件的PWM信号，由于三角载波取值范围为-1到1，为防止过调制，叠加中矢量时间调整因子ΔUneu后的中矢量对应调制波的范围应限定为-1到1。
[0120] 6、当三电平变流器中点电位偏差值在限定范围内时，令中矢量时间调整因子ΔUneu＝0；
[0121] 本发明控制方法只在中点电位偏差超过限定值时投入使用。当三电平变流器中点电位偏差值在限定范围内时，为提高谐波性能，令中矢量时间调整因子ΔUneu＝0，不对调制波进行调整。
[0122] 本发明载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法的具体原理如图7所示。
[0123] 本发明克服了载波反相层叠PWM无法利用现有重新分配冗余小矢量作用时间方法进行中点电位平衡控制的缺陷，通过上移或下移中矢量对应的调制波，本发明提出了一种适用于载波反相层叠PWM的中点电位平衡控制方法。本发明控制方法可以将载波反相层叠PWM作用下的中点电位偏差控制在限定范围内，从而提高了载波反相层叠PWM作为调制策略时三电平变流器的可靠性。
[0124] 下面结合实施例说明本发明的实施效果。
[0126] 三电平变流器所使用的调制策略为载波反相层叠PWM，仿真步长10us，采样频率1200Hz，载波频率750Hz，输出侧三相各接1Ω电阻串联5mH电感，直流侧电压为500V，其中，直流侧上端电压初值为400V，下端电压初值为100V，中点电位偏差限定值设定为30V。
[0127] 图8为实施例基波频率50Hz，调制比固定0.8，不添加中点电位平衡保护措施下的直流侧上端电压和下端电压的变化情况。由图8可知，三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略时，当在固定调制比下出现中点电位不平衡问题，若不添加中点电位平衡控制方法，中点电位不平衡问题会一直存在，从而对三电平变流器的安全可靠运行产生不良影响。
[0128] 图9为实施例基波频率50Hz，调制比固定0.8，在本发明中点电位平衡控制方法作用下的实施例结果；其中，图9a为直流侧上端电压和下端电压的变化情况，图9b为中点电位偏差值与限定值的比较情况。图9实施例结果表明，三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略时，当在固定调制比下出现中点电位不平衡问题，使用本发明中点电位平衡控制方法，可使得直流母线上端电压和下端电压的偏差值减小到限制值内，从而使得中点电位重新恢复平衡。
[0129] 图10为实施例基波频率50Hz，调制比0.1到1循环变化，不添加中点电位平衡保护措施下的直流侧上端电压和下端电压的变化情况。由图10可知，三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略时，当在循环变化的调制比下出现中点电位不平衡问题，若不添加中点电位平衡控制方法，中点电位不平衡问题会一直存在，从而对三电平变流器的安全可靠运行产生不良影响。
[0130] 图11为实施例基波频率50Hz，调制比0.1到1循环变化，在本发明中点电位平衡控制方法作用下的实施例结果；其中，图11a为直流侧上端电压和下端电压的变化情况，图11b为中点电位偏差值与限定值的比较情况；图11c为循环变化的调制比。图11实施例结果表明，三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略时，当在循环变化的调制比下出现中点电位不平衡问题，使用本发明中点电位平衡控制方法，可使得直流母线上端电压和下端电压的偏差值减小到限制值内，从而使得中点电位重新恢复平衡。
[0131] 如图8～图11所示，实施例的结果验证了本发明一种载波反相层叠PWM中点电位平衡控制方法的有效性。针对三电平变流器使用载波反相层叠PWM作为调制策略的情况，本发明无论调制比是否变化，均可有效控制中点电位重新恢复平衡。本发明克服了载波反相层叠PWM无法利用现有重新分配冗余小矢量作用时间方法进行中点电位平衡控制的缺陷，可以将载波反相层叠PWM作用下的中点电位偏差控制在限定范围内，从而提高了载波反相层叠PWM作为调制策略时三电平变流器的可靠性。
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