[发明专利]参数在线整定的中点电压控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术中的控制技术领域，特别是一种参数在线整定的中点电压控制系统及方法。

背景技术

随着电力电子器件的迅速发展，高压大功率的电力电子装置及交流调速系统在炼钢轧钢工业系统、电化学工业系统、铁路船舶动力系统等领域得到了广泛的应用。这些电力电子装置都具有控制要求高、功率大、电压等级高、系统复杂等特点。两电平逆变器存在开关损耗高、电磁干扰大、开关管承受的电压应力高等诸多限制使得两电平逆变器很难满足这些应用场合。与两电平逆变器相比，多电平逆变器输出电平数多，所得到的阶梯波平台阶数多，从而越接近标准正弦波，其谐波成分越少，多电平逆变器的出现为高压大功率系统的实现提供了一种兼顾高性能和大容量的可能，其电路拓扑结构与控制方法成为了当今的研究热点。

多电平逆变器的拓扑大体可以分为三类：中点箝位型、级联型、飞跨电容型，其中应用最广泛的为中点箝位型逆变器。以三电平逆变器为例，三电平中点箝位型逆变器可分为二极管箝位型(NPC)逆变器和T型逆变器。理想情况下，这两种拓扑中直流母线电压被上下直流母线电容均分；但实际应用中，由于各种原因使得上下直流母线电容分压不均衡，即中点电压不平衡，其表现形式可分为：(1)中点电压直流偏置；(2)中点电压波动。中点电压不平衡现象会导致输出波形质量差、功率开关管不安全运行、严重时影响系统正常工作。所以中点电压平衡控制问题一直是三电平逆变器的研究重点。

针对该问题，国内外学者提出诸多解决中点电压平衡问题的方法，常用的方法主要分为改变硬件拓扑的方法和调节控制算法的软件实施方法。改变硬件拓扑的方法有：(1)多个直流源法；用直流源代替直流母线分压电容；(2)附加硬件电路法。硬件方法的优点是控制效果不受逆变器的工况和负载变化的影响，但是都会增加硬件成本。因此，目前研究最多中点电压平衡控制方法是基于控制算法的软件实施方法，例如：(1)基于空间矢量调制进行中点电压平衡的研究；(2)基于载波调制进行中点电压平衡的研究。第一种方法的实现主要是通过重新分配冗余正负小矢量的作用时间实现中点电压平衡。第二种方法的实现主要是通过在调制波中加入零序分量实现中点电压平衡。例如：文献1(龚博,程善美,秦忆.基于载波的三电平中点电压平衡控制策略[J].电工技术学报,2013,28(6):172-177.)和专利1(程善美,龚博,宁博文,刘江.一种基于载波幅移的NPC型三电平逆变器中点电压控制方法:中国,CN201210140269.0.2012-09-19.)提出了一种基于载波变幅的SPWM控制方案，通过采样中点电压实时改变载波幅值实现消除中点电压直流偏置，但该方法控制的对象为中点电压不平衡分量在一个工频周期的平均值，因此对于中点电压的波动无控制效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制方法简单、易于数字实现的参数在线整定的中点电压控制系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种参数在线整定的中点电压控制系统，包括三电平逆变器和数字处理控制模块，其中：

所述数字处理控制模块包括采样单元、数字锁相环单元、输出闭环控制单元、PI参数在线整定单元、中点电压PI控制单元和SVPWM矢量控制单元；

所述采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号；

所述SVPWM矢量控制单元的输出端经驱动电路接入三电平逆变器每相桥臂各个开关管；

在每个开关周期内，数字处理控制模块的采样单元分别采集三电平逆变器的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、三电平逆变器输出的三相电压信号、三电平逆变器输出的三相电流信号，经输出闭环控制单元处理得到三相参考相电压信号；

采样单元采集到的逆变器输出的相电压、逆变器输出的相电流信号经数字锁相环单元得到相电压、相电流的相角差即功率因数角

数字锁相环单元得到的功率因数角采样单元得到的三相电流信号经PI参数在线整定单元处理得到PI参数；

PI参数在线整定单元得到的PI参数、采样单元得到的直流母线电压以及直流母线中点电压信号、输出闭环控制单元处理得到三相参考相电压信号V_a、V_b、V_c经中点电压PI控制单元得到新的三相参考相电压信号V_a'、V_b'、V_c'，该三相参考相电压信号经SVPWM矢量控制单元处理得到脉宽调制控制信号；