一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置及方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102843055 A (43)申请公布日 2012.12.26 C N 1 0 2 8 4 3 0 5 5 A *CN102843055A* (21)申请号 201210324672.9 (22)申请日 2012.09.04 H02M 7/483(2007.01) (71)申请人江苏中航动力控制有限公司 地址 214135 江苏省无锡市新区太科园清源 路大学科技园立业楼E区408 (72)发明人王律明 张志红 陈东 (74)专利代理机构北京品源专利代理有限公司 11332 代理人马晓亚 (54) 发明名称 一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置及 方法 (57) 摘要。

2、 本发明适用于电力电子领域，涉及一种三电 平逆变器中点电位平衡控制装置及方法。所述装 置包括电压采集单元、比例积分控制单元、脉宽控 制单元、电压调节单元。本发明所提供的中点电位 平衡装置通过实时检测母线上下电容电压然后对 其进行比例积分控制处理生成控制量，并根据该 控制量对电压调节单元功率管的脉宽调制占空比 进行调节。本发明具有结构简单，控制实现简便， 控制效果与逆变系统的调制比及功率因素无关， 可以将中点电位控制在一个比较小的范围内。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 。

3、附图 3 页 1/2页 2 1.一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置，用于控制三电平逆变器的中点电位平 衡，其特征在于，该装置包括：电压采集单元、比例积分控制单元、脉宽控制单元以及电压调 节单元，其中： 电压采集单元，用于获取母线上电容电压和母线下电容电压，所述电压采集单元输入 端与三电平逆变器的母线及母线中点端子连接； 比例积分控制单元，用于对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理， 所述比例积分控制单元的输入端与电压采集单元的输出端连接； 脉宽控制单元，用于根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号从而控制电压调节单 元，所述脉宽控制单元的输入端与比例积分控制单元的输出端连接； 电压调。

4、节单元，用于根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡，所 述电压调节单元的输入端与脉宽控制单元的输出端连接。 2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述比例积分控制单元进一步包括： 计算模块，用于根据母线上电容电压和母线下电容电压计算三电平逆变器中点电压偏 移量，所述计算模块的输入端与电压采集单元的输出端连接； 核心控制模块，用于对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量，所述 核心控制模块的输入端与计算模块的输出端连接，所述核心控制模块的输出端为比例积分 控制单元的输出端。 3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述脉宽控制单元进一步包括： 微调模块，用于判断中点。

5、电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半达到对母线 上下电容电压进行微调，所述微调模块输入端与比例积分控制单元输出端连接； 调制模块，用于根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号，所述调制模块的 输入端与微调模块的输出端连接，调制模块输出端为脉宽控制单元的输出端。 4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电压调节单元进一步包括：两个功率开 关管、两个二极管、一个电感、两组母线电容，其中： 两组母线电容串联跨接在直流母线上，两个功率开关管串联跨接在直流母线上，两个 二极管分别与两个功率开关管反向并联，电感L跨接在两组母线电容中点与两功率开关管 中点间。 5.如权利要求1-4之一所述的装。

6、置，其特征在于： 所述装置利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中的两开关管。 6.如权利要求5所述的装置，其特征在于： 所述电压调节单元具体包括：当第一电容两端电压+BUS大于第二电容两端电压-BUS 时，增加控制第一开关管的调制信号脉宽同时减小控制第二开关管的调制信号的脉宽；当 第一电容两端电压+BUS小于第二电容两端电压-BUS时，减小控制第一开关管的调制信号 脉宽同时增大控制第二开关管的调制信号脉宽。 7.一种三电平逆变器中点电位平衡控制方法，用于控制三电平逆变器的中点电位平 衡，其特征在于，包括如下步骤： S1、电压采集单元获取母线上电容电压和母线下电容电压； S2、比例积分。

7、控制单元对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处理； S3、脉宽控制单元根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号，用于控制电压调节单 权 利 要 求 书CN 102843055 A 2/2页 3 元； S4、电压调节单元根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡。 8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S2具体是： 所述比例积分控制单元通过计算三电平逆变器中点电压偏移量，对中点电压偏移量进 行比例积分处理，产生比例积分控制量。 9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤S3具体是： 所述脉宽控制单元通过判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半以 达到对母线。

8、上下电容电压进行微调，并根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信 号。 10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S4具体是： 利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中的两开关管，当第一电容两 端电压+BUS大于第二电容两端电压-BUS时，增加控制第一开关管的调制信号脉宽同时 减小控制第二开关管的调制信号的脉宽；当第一电容两端电压+BUS小于第二电容两端电 压-BUS时，减小控制第一开关管的调制信号脉宽同时增大控制第二开关管的调制信号脉 宽。 权 利 要 求 书CN 102843055 A 1/4页 4 一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置及方法 技术领域 0001 本发明属于电。

9、力电子领域，涉及一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置及方 法。 背景技术 0002 三电平逆变器具有结构紧凑，输出电压电流谐波含量低，开关管所承受的电压仅 为直流母线电压的一半等优点。所以在中高电压大功率场合得到广泛应用。 0003 三电平逆变器存在一个固有的缺点，即存在中点电压不平衡问题。中点电压不平 衡会造成严重的危害：逆变器输出电压波形发生畸变；开关器件承受的电压不均衡；直流 侧电容的电压波动降低了电容的寿命。为了使逆变器能够正常工作，应努力使得中点电压 保持平衡。 0004 抑制中点电位偏移的方法有硬件和软件两大类。单从软件出发抑制中点电位偏移 将会增加控制的复杂性。单从硬件出发抑制中。

10、点电位平衡将会增加大量元器件使成本增 加。因此，本领域中亟待提出一种从硬件和软件两方面相结合从而能有效抑制三电平逆变 器中点电位的偏移的装置及方法。 发明内容 0005 本发明提供一种三电平逆变器中点平衡控制装置及方法，从软件和硬件两方面出 发有效三电平逆变器抑制中点电位偏移，从而达到正负母线上电压的平衡。 0006 本发明通过以下技术方案实现，一种三电平逆变器中点电位平衡控制装置，所述 装置，用于控制三电平逆变器的中点电位平衡，该装置包括：电压采集单元、比例积分控制 单元、脉宽控制单元以及电压调节单元，其中： 0007 电压采集单元，用于获取母线上电容电压和母线下电容电压，所述电压采集单元 。

11、输入端与三电平逆变器的母线及母线中点端子连接； 0008 比例积分控制单元，用于对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处 理，所述比例积分控制单元的输入端与电压采集单元的输出端连接； 0009 脉宽控制单元，用于根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号从而控制电压调节 单元，所述脉宽控制单元的输入端与比例积分控制单元的输出端连接； 0010 电压调节单元，用于根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平 衡，所述电压调节单元的输入端与脉宽控制单元的输出端连接。 0011 特别的，所述比例积分控制单元进一步包括： 0012 计算模块，用于根据母线上电容电压和母线下电容电压计算三电平逆。

12、变器中点电 压偏移量，所述计算模块的输入端与电压采集单元的输出端连接； 0013 核心控制模块，用于对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量， 所述核心控制模块的输入端与计算模块的输出端连接，所述核心控制模块的输出端为比例 积分控制单元的输出端。 说 明 书CN 102843055 A 2/4页 5 0014 特别的，所述脉宽控制单元进一步包括： 0015 微调模块，用于判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半达到对 母线上下电容电压进行微调，所述微调模块输入端与比例积分控制单元输出端连接； 0016 调制模块，用于根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号，所述调制模。

13、 块的输入端与微调模块的输出端连接，调制模块输出端为脉宽控制单元的输出端。 0017 特别的，所述电压调节单元进一步包括：两个功率开关管、两个二极管、一个电感、 两组母线电容，其中： 0018 两组母线电容串联跨接在直流母线上，两个功率开关管串联跨接在直流母线上， 两个二极管分别与两个功率开关管反向并联，电感L跨接在两组母线电容中点与两功率开 关管中点间。 0019 特别的，所述装置利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中的两开 关管。 0020 特别的，所述电压调节单元具体包括：当第一电容两端电压+BUS大于第二电容两 端电压-BUS时，增加控制第一开关管的调制信号脉宽同时减小控制第。

14、二开关管的调制信 号的脉宽；当第一电容两端电压+BUS小于第二电容两端电压-BUS时，减小控制第一开关管 的调制信号脉宽同时增大控制第二开关管的调制信号脉宽。 0021 本发明还提供了一种三电平逆变器中点电位平衡控制方法，用于控制三电平逆变 器的中点电位平衡，包括如下步骤： 0022 S1、电压采集单元获取母线上电容电压和母线下电容电压； 0023 S2、比例积分控制单元对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处 理； 0024 S3、脉宽控制单元根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号，用于控制电压调节 单元； 0025 S4、电压调节单元根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位。

15、平衡。 0026 特别的，步骤S2具体是：所述比例积分控制单元通过计算三电平逆变器中点电压 偏移量，对中点电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量。 0027 特别的，步骤S3具体是：所述脉宽控制单元通过判断中点电压偏移量大小决定是 否对比例积分控制量减半以达到对母线上下电容电压进行微调，并根据比例积分控制量产 生两路互补的脉宽调制信号。 0028 特别的，步骤S4具体是：利用两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节单元中 的两开关管，当第一电容两端电压+BUS大于第二电容两端电压-BUS时，增加控制第一开 关管的调制信号脉宽同时减小控制第二开关管的调制信号的脉宽；当第一电容两端电压 +B。

16、US小于第二电容两端电压-BUS时，减小控制第一开关管的调制信号脉宽同时增大控制 第二开关管的调制信号脉宽。 0029 本发明通过采取软件和硬件相结合的方式来抑制三电平逆变器中点电位偏移，结 构和控制均比较简单，提高了三电平逆变器的稳定性。 附图说明 0030 图1是实施例所述三电平逆变器中点电位平衡控制装置系统结构框图； 说 明 书CN 102843055 A 3/4页 6 0031 图2是实施例所述比例积分控制单元模块框图； 0032 图3是实施例所述脉宽控制单元模块框图； 0033 图4是实施例所述三电平逆变器中点电位平衡控制方法流程示意图； 0034 图5是本发明优选实施例所述电压调节。

17、单元电路原理图。 具体实施方式 0035 下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。 0036 图1是本实施例所述三电平逆变器中点平衡控制装置系统结构框图，如图1所示， 本发明所述三电平逆变器中点平衡控制装置包括：电压采集单元101、比例积分控制单元 102、脉宽控制单元103和电压调节单元104，其中，上述单元依此相连接。 0037 电压采集单元101，用于获取母线上电容电压和母线下电容电压，所述电压采集单 元输入端与三电平逆变器的母线及母线中点端子连接； 0038 比例积分控制单元102，用于对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积 分处理，所述比例积分控制单元102的输入端与电压。

18、采集单元101的输出端连接； 0039 脉宽控制单元103，用于产生脉宽调制信号，所述脉宽控制单元的输入端与比例积 分控制单元102的输出端连接； 0040 电压调节单元104，用于调节母线上下电容电压使中点电位平衡，所述电压调节单 元104的输入端与脉宽控制单元103的输出端连接。 0041 图2是实施例所述比例积分控制单元模块框图，如图2所示，所述比例积分控制单 元102进一步包括： 0042 计算模块201，用于根据母线上电容电压和母线下电容电压计算三电平逆变器中 点电压偏移量，所述计算模块201的输入端与电压采集单元101的输出端连接； 0043 核心控制模块202，用于对中点电压偏移。

19、量进行比例积分处理，产生比例积分控制 量，所述核心控制模块202的输入端与计算模块201的输出端连接，所述核心控制模块202 的输出端为比例积分控制单元102的输出端。 0044 图3是实施例所述脉宽控制单元模块框图，如图3所示，所述脉宽控制单元103进 一步包括： 0045 微调模块301，用于判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控制量减半达 到对母线上下电容电压进行微调，所述微调模块301输入端与比例积分控制单元102输出 端连接； 0046 调制模块302，用于根据比例积分控制量产生两路互补的脉宽调制信号，所述调制 模块302的输入端与微调模块301的输出端连接，调制模块302输出端。

20、为脉宽控制单元103 的输出端。 0047 图4是实施例所述三电平逆变器中点电位平衡控制方法流程示意图，如图4所示， 图1所述三电平逆变器中点平衡控制装置中各单元、模块的工作流程如下： 0048 S1、电压采集单元获取母线上电容电压和母线下电容电压； 0049 S2、比例积分控制单元对母线上电容电压与母线下电容电压差进行比例积分处 理； 0050 进一步，所述比例积分控制单元通过计算三电平逆变器中点电压偏移量，对中点 说 明 书CN 102843055 A 4/4页 7 电压偏移量进行比例积分处理，产生比例积分控制量。 0051 S3、脉宽控制单元根据比例积分处理结果产生脉宽调制信号，用于控制。

21、电压调节 单元； 0052 进一步，所述脉宽控制单元通过判断中点电压偏移量大小决定是否对比例积分控 制量减半以达到对母线上下电容电压进行微调，并根据比例积分控制量产生两路互补的脉 宽调制信号。 0053 S4、电压调节单元根据脉宽调制信号调节母线上下电容电压，以使中点电位平衡。 0054 作为优选实施例，下面结合图5对本发明做出进一步说明。 0055 图5是本发明所述电压调节单元104电路原理图，如图5所示，所述电压调节单 元104包括：两个功率开关管Q1、Q2、两个二极管D1、D2、一个电感L、两组母线电容C1、C2。 两组母线电容C1、C2串联跨接在直流母线上，两个功率开关管Q1、Q2串联。

22、跨接在直流母线 上，两个二极管D1、D2分别与两个功率开关管Q1、Q2反向并联，电感L跨接在两组母线电容 C1、C2中点与两功率开关管Q1、Q2中点间。 0056 作为优选实施例，本发明中，电压采集单元101采集电容C1两端电压+BUS和电容 C2两端电压-BUS（如图5所示）。 0057 比例积分控制单元102的输入端与电压采集单元101输出端连接，对电容C1、C2 两端电压之差进行比例积分运算得到比例积分控制量。 0058 脉宽控制单元103根据比例积分控制量产生输出两路互补的脉宽调制信号，控制 所述电压调节单元104。 0059 进一步，图5中所示，两路互补的脉宽调制信号分别控制电压调节。

23、单元104中的两 开关管Q1、Q2，当电容C1两端电压+BUS大于电容C2两端电压-BUS时，增加控制开关管Q1 的调制信号脉宽同时减小控制开关管Q2的调制信号的脉宽；当电容C1两端电压+BUS小于 电容C2两端电压-BUS时，减小控制开关管Q1的调制信号脉宽同时增大控制开关管Q2的 调制信号脉宽。 0060 当母线上（即正母线）电压+BUS大于母线下（即负母线）电压-BUS时，开关管Q1开 通、开关管Q2关断，电容C1向电感L转移能量；当开关管Q1关断、开关管Q2开通时，电感 L中电流通过二极管D2续流，电感L中的储能转移至电容C2中，经过一段时间调节，最终 母线上电容电压+BUS和母线下电。

24、容电压-BUS的电压会达到平衡；当母线上电压+BUS小于 母线下电压-BUS时，开关管Q2开通、开关管Q1关断，电容C2向电感L转移能量；当开关管 Q2关断、开关管Q1开通时，电感L中电流通过二极管D1续流，电感L中的储能转移至电容 C1中，经过一段时间调节，最终正母线电压+BUS和负母线电压-BUS的电压会达到平衡。 0061 采取上述方案，本发明采取软件和硬件相结合的方式能有效抑制三电平逆变器中 点电位偏移，结构和控制均比较简单，提高了三电平逆变器的稳定性。 0062 以上仅是针对本发明的具体实施例及其技术原理所做的说明，而并非对本发明的 技术内容所进行的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的技术范围内， 所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。 说 明 书CN 102843055 A 1/3页 8 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102843055 A 2/3页 9 图4 说 明 书 附 图CN 102843055 A 3/3页 10 图5 说 明 书 附 图CN 102843055 A 10 。