一种NPC三电平逆变器及其低电压穿越调制方法与流程
本技术涉及逆变器，尤其是涉及一种npc三电平逆变器及其低压穿越调制方法。
背景技术：
1、vsg构网型逆变器依靠内部电势幅值、虚拟转子角和摆动方程维持受控电压源特性。交流端口发生电压跌落时，端口电压可以在很短时间内下降，而vsg内部电势和相位不能同步突变，滤波电感两端的电压差增大，使逆变器电流在数个开关周期内快速上升。现有低穿方案多采用虚拟阻抗增大、内部电势削减、参考限幅或电压源/电流源模式切换，其主要目标是限制故障电流，难以从功率回路本身提高允许暂态过流值。
2、这类方法虽然能够降低器件风险，但本质上是通过压低故障电流来换取安全裕度，会削弱vsg的电压源特性和无功支撑能力，难以满足提升暂态过流能力本身的需求。对于传统三电平npc逆变器，低穿时本机交流端口电压下降、调制比降低，零电平及小矢量作用时间增加，而无功支撑电流又显著增大，使正电流下的上内管和上钳位二极管、负电流下的下内管和下钳位二极管在较长时间内反复承担高幅值电流，导致其rms电流、短时电流积分及导通损耗明显高于外侧器件，容易成为限制整机暂态过流能力的薄弱环节。
3、同时，现有三电平调制方法虽可利用冗余矢量进行中点电压平衡、共模电压控制或损耗分配，但并未增加独立的物理零电平通流通道，因而无法从根本上分担原npc零电平回路中的大电流；同时，传统onpc状态直接向p或n状态换流时，钳位续流二极管在仍有较大正向电流的情况下快速承受反向电压，容易产生反向恢复电流、主开关附加开通损耗及较大的换流过冲，而现有方案通常也缺少一条能够在保持零电平不变的条件下先接管电流、再退出原npc零电平回路的主动转流路径。
技术实现思路
1、本技术的其中一个目的在于提供一种能够解决上述背景技术中至少一个缺陷的npc三电平逆变器。
2、本技术的另一个目的在于提供一种利用上述npc三电平逆变器所实施的低压穿越调制方法。
3、为达到上述的至少一个目的，本技术的一个方面提供了一种npc三电平逆变器，每相均设置有主桥臂和辅助零电平回路；所述主桥臂由四个功率开关形成的开关路径以及两个续流二极管形成的续流路径构成，所述开关路径设置有相输出点，所述续流路径设置有直流中点，所述续流二极管和所述功率开关之间构成原始零电平回路；所述辅助零电平回路连接于所述相输出点和所述直流中点之间，所述辅助零电平回路在导通时允许相电流在所述相输出点和所述直流中点之间双向流动；基于逆变器的电压跌落深度和相电流大小，对所述原始零电平回路和所述辅助零电平回路进行选择导通并控制各自的导通作用时间。
4、优选的，所述辅助零电平回路包括两个反向串联的全控器件，所述全控器件采用绝缘栅双极型晶体管、场效应晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
5、一种采用上述npc三电平逆变器的低电压穿越调制方法，包括如下步骤：由vsg控制器生成三相电压参考并通过基础调制决定p、n或o电平的输出；在决定输出o电平时，控制环路输出侧设置的零电平选择控制模块根据逆变器的交流端口电压和相电流，确定表征辅助零电平回路作用时间占o电平总作用时间的目标辅助比例；根据确定的目标辅助比例，在o电平脉冲期间控制辅助零电平回路与原始零电平回路的导通时间，执行o电平输出；其中，当需要在辅助零电平回路与原始零电平回路之间进行切换时，采用先建立目标回路，再退出原回路的短时重叠换流方式。
6、优选的，对目标辅助比例的确定包括如下过程：当逆变器的交流端口电压大于等于预设的第一电压阈值时，判定逆变器处于正常工况，此时目标辅助比例的取值为0~0.3；当逆变器的交流端口电压跌落至位于预设的第一电压阈值和第二电压阈值之间，且相电流的绝对值大于预设的第一电流阈值时，判定逆变器处于浅度低电压穿越工况，此时目标辅助比例的取值为0.3~0.5；当逆变器的交流端口电压跌落至小于等于第二电压阈值，或相电流的绝对值与额定过流值的偏差小于±5%时，判定逆变器处于中度低电压穿越工况，此时目标辅助比例的取值为0.6~0.8；当逆变器的交流端口电压跌落至小于等于第二电压阈值，且相电流的绝对值大于预设的第二电流阈值时，判定逆变器处于深度低电压穿越工况，此时目标辅助比例的取值为1；其中，第一电压阈值小于第二电压阈值，第一电流阈值小于额定过流值，第二电流阈值大于额定过流值。
7、优选的，根据确定的目标辅助比例，对辅助零电平回路与原始零电平回路的导通时间进行分配时，在满足o电平总作用时间的连续多个o电平脉冲时段中，选择满足目标辅助比例数量的完整脉冲时段使用辅助零电平回路，其余脉冲时段使用原始零电平回路。
8、优选的，构成原始零电平回路的功率开关包括相邻于相输出点两侧的内上开关管和内下开关管；当需要由原始零电平回路向辅助零电平回路进行切换时，具体包括如下过程：在保持原始零电平回路导通的同时，将辅助零电平回路进行导通，使得两条零电平回路进行短时重叠导通；在经过辅助零电平回路的开通延迟后，将原始零电平回路中相电流经过的内上开关管或内下开关管进行关断，使得相电流转移至辅助零电平回路；在经过功率开关的关断延迟后，对原始零电平回路的另一功率开关进行关断。
9、优选的，当需要由辅助零电平回路向原始零电平回路进行切换时，具体包括如下过程：在保持辅助零电平回路导通的同时，将原始零电平回路进行导通，使得两条零电平回路进行短时重叠导通；在经过原始零电平回路的开通延迟后，将辅助零电平回路进行关断。
10、优选的，在通过辅助零电平回路与原始零电平回路进行o电平输出时，基于两条零电平回路的热应力，对目标辅助比例进行修正，具体包括如下过程：将o电平总作用时间划分为连续的多个周期；在每个周期内，基于相电流和两条零电平回路的实际导通时间，对两条零电平回路在下一周期的累积电流应力进行计算；根据两条零电平回路的累积电流应力的偏差，对下一周期的目标辅助比例进行调整。
11、优选的，对于零电平回路的累积电流应力通过滑动平滑电流积分得到的累计平方电流指标进行表示，具体的计算表达式为：
12、；
13、式中，和分别表示当前第k个周期和第k+1个周期的累计平方电流指标，λ表示遗忘因子，i表示相电流，表示零电平回路在当前第k个周期的实际作用时间。
14、优选的，当逆变器的交流端口电压恢复至大于等于预设的第一电压阈值时，将目标辅助比例在若干个调制周期内逐级降低至零，使得逆变器退出低电压穿越工况；此时已启动的辅助零电平回路维持当前导通状态直至当前调制周期结束时进行关断，自下一调制周期开始，o电平输出由原始零电平回路承担。
15、与现有技术相比，本技术的有益效果在于：
16、（1）本技术通过增设独立的辅助零电平回路，在低电压穿越导致调制比降低、零电平作用时间大幅增加的恶劣工况下，能够根据电压跌落深度和相电流大小，将原本集中作用于原始零电平回路内开关管及钳位续流二极管上的大电流，主动、定量地转移至新增的辅助零电平回路。该分流机制不改变p、o、n电平的总电压秒积，即不削弱vsg的电压源特性和内部电势，从而在器件安全边界内，允许逆变器输出幅值更高或持续时间更长的无功电流，显著增强对并网点电压的动态支撑能力，有效避免因局部器件过载而提前限流或退出低电压穿越运行。
17、（2）本技术仅在输出o电平时由新增的零电平选择控制模块介入路径分配，vsg外环、电压电流闭环等上层控制算法无需重构。同时新增的辅助零电平回路仅需两个反向串联全控器件，使得本技术能够以极小的软硬件改动成本，在现有npc三电平逆变器平台上升级实现，具有良好的兼容性和工程价值。
18、（3）本技术在两条零电平路径切换过程中，采用先建立目标回路、再退出原回路的短时重叠换流方式，确保在切换瞬间直流中点与相输出点始终保持电气连通，滤波电感电流不存在完全中断的间隙。该方式既避免了因路径同时关断导致的相电压跳变和感性电流过冲，又通过严格限制重叠导通时长，防止了两条路径因导通压降差异形成不可控的循环并联电流，从而实现了原零电平回路与辅助零电平回路之间电平不变、电流连续、电压无跳变的安全换流，保证了输出波形质量和系统运行稳定性。