带输入电感的中性点钳位升压单元的电容均压控制方法、控制装置及电力电子变换器

本发明涉及电力电子变换器控制技术，具体涉及一种带输入电感的中性点钳位升压单元的电容均压控制方法、控制装置及电力电子变换器。

背景技术：

1、中性点钳位单元（npc）是一种成熟电路结构，可提升电压增益和输出电平数，常用于多电平电源变换器。带输入电感的中性点钳位升压单元通常包括输入电感、两个串联电容以及多个功率开关管。由于两个电容的充电时间、放电时间和电流路径不同，加之功率器件参数偏差、负载变化以及输入电压波动，两个电容的电压容易出现不平衡。电容电压不平衡会增加功率器件的电压应力，影响输出电平质量，严重时还可能造成电容过压或失效。

2、传统均压控制方法通常需要同时检测电容电压、电感电流和输出电流，并通过功率计算、闭环调节或模型预测控制等算法调节开关模态，控制过程复杂，占用较多控制器资源。部分均压方法还需要增加辅助开关或均压电路，提高了系统成本。

技术实现思路

1、本发明提出带输入电感的中性点钳位升压单元的电容均压控制方法、控制装置及电力电子变换器，以解决带输入电感的中性点钳位升压单元中两个电容容易出现电压不平衡的问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种带输入电感的中性点钳位升压单元的电容均压控制方法，所述中性点钳位升压单元包括直流输入电源、输入电感、串联连接的第一电容和第二电容以及开关网络，所述开关网络用于形成输入电感充电状态、输入电感放电状态以及第一电容和第二电容的不同充放电状态，包括：

3、采集第一电容电压和第二电容电压；

4、根据调制波确定当前输出电压所在的输出电平区间，并从预存的载波表中调用与输出电平区间相对应的一组候选载波，所述一组候选载波包括第一载波和第二载波，所述第一载波与第二载波具有相同的幅值和频率，且第一载波与所述第二载波的相位相差180°；

5、针对每一个输出电平区间设置第一冗余开关状态组合和第二冗余开关状态组合，所述第一冗余开关状态组合与第二冗余开关状态组合产生相同的输出电平，并分别对应第一载波和第二载波；其中，第一冗余开关状态组合用于增加第二电容相对于第一电容的净充电时间，所述第二冗余开关状态组合用于增加第一电容相对于第二电容的净充电时间；

6、根据第一电容电压和第二电容电压之间的大小关系，从第一载波和第二载波中选择一个作为工作载波，并将工作载波与调制波进行比较，以产生开关网络的开关驱动信号；

7、其中，第一冗余开关状态组合与第二冗余开关状态组合在每一个开关周期内具有相同的输入电感充电状态总持续时间和相同的输入电感放电状态总持续时间，使载波切换仅改变第一电容和第二电容的充放电时间分配，而不改变输入电感的充放电占空比。

8、进一步的，所述中性点钳位升压单元包括输入电感、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容和第二电容；

9、所述直流输入电源的正极经输入电感连接至第一节点，所述直流输入电源的负极连接至公共地；

10、所述第一开关与第二开关串联连接于第一节点与公共地之间，所述第一开关和第二开关的连接点构成第二节点；

11、所述第三开关连接于第一节点与第一电容的正极之间，所述第五开关连接于公共地与第二电容的负极之间；

12、所述第一电容与第二电容串联连接，所述第一电容与第二电容的连接点构成电容中点，所述第四开关连接于第二节点与电容中点之间；

13、所述第一电容的正极与第二电容的负极分别构成中性点钳位升压单元的正输出端和负输出端，所述正输出端与负输出端之间的电压为中性点钳位升压单元的输出电压。

14、进一步的，定义电容电压偏差为：

15、；

16、其中，为第一电容电压，为第二电容电压；

17、当电容电压偏差大于正向滞环阈值时，选择用于增加第一电容净充电时间的候选载波；

18、当电容电压偏差小于负向滞环阈值时，选择用于增加第二电容净充电时间的候选载波；

19、当电容电压偏差位于负向滞环阈值与正向滞环阈值之间时，保持当前工作载波不变。

20、进一步的，采用电平移位正弦脉宽调制策略，将正弦调制波分别与多个沿幅值方向移位的三角载波进行比较，以产生多电平输出；

21、与每一个输出电平区间相对应的三角载波均设置有一个反相载波，所述三角载波与其反相载波具有相同的幅值和频率，且相位相差180°，并根据第一电容电压和第二电容电压大小关系，选择三角载波或其反相载波作为当前工作载波。

22、进一步的，在选择工作载波并产生开关驱动信号的过程中，保持输入电感的充电占空比不变，使输入电感在每一个开关周期内满足伏秒平衡，并通过充电占空比调节第一电容和第二电容的平均电压；

23、在理想稳态条件下，当第一电容电压和第二电容电压达到平衡时，满足：

24、；

25、其中，为直流输入电源的输入电压，为第一电容和第二电容达到平衡后的稳态平均电压。

26、进一步的，用于实现中性点钳位升压单元内部第一和第二电容的均压控制，所述带输入电感的中性点钳位升压单元的输出电平至少包括：；

27、针对相邻输出电平之间的输出电平区间设置两组候选载波，分别为第一载波对和第二载波对，每一组候选载波均包括相位相差180°的两个载波；

28、所述第一载波对与区间相对应；

29、所述第二载波对与区间相对应。

30、一种带输入电感的中性点钳位升压单元的电容均压控制装置，所述中性点钳位升压单元包括输入电感、串联连接的第一电容和第二电容以及开关网络，所述电容均压控制装置包括：

31、电压采样模块，分别与第一电容和第二电容连接，用于采集第一电容电压和第二电容电压；

32、电压偏差处理模块，与电压采样模块连接，用于获得第一电容与第二电容之间的电压偏差，并对电压偏差进行滞环比较，输出载波切换信号；

33、输出电平区间判断模块，用于根据调制波或输出电压确定当前输出电压所在的输出电平区间；

34、载波生成模块，用于针对每一个输出电平区间生成一组候选载波，每一组候选载波均包括幅值和频率相同且相位相差180°的第一载波和第二载波；

35、载波选择模块，分别与电压偏差处理模块、输出电平区间判断模块和载波生成模块连接，用于接收来自所述电压偏差处理模块的载波切换信号和来自输出电平区间判断模块的当前输出电平区间信息，从载波生成模块中调用与当前输出电平区间相对应的一组候选载波，并根据载波切换信号选择第一载波或第二载波作为工作载波；

36、脉宽调制模块，与载波选择模块连接，用于将工作载波与调制波进行比较，并产生开关网络的开关驱动信号；

37、其中，第一载波和第二载波分别对应产生相同输出电平的第一冗余开关状态组合和第二冗余开关状态组合，所述第一冗余开关状态组合与第二冗余开关状态组合在每一个开关周期内具有相同的输入电感充电状态总持续时间和相同的输入电感放电状态总持续时间。

38、进一步的，所述电压采样模块和电压偏差处理模块包括第一隔离采样运算放大器、第二隔离采样运算放大器、差分运算放大器、滞环比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和反馈电阻；

39、所述第一隔离采样运算放大器的两个输入端分别连接于第一电容的正端和负端，用于采集第一电容电压；

40、所述第二隔离采样运算放大器的两个输入端分别连接于第二电容的正端和负端，用于采集第二电容电压；

41、所述第一隔离采样运算放大器的输出端经第一电阻连接至差分运算放大器的反相输入端，所述差分运算放大器的输出端经第二电阻连接至其反相输入端；

42、所述第二隔离采样运算放大器的输出端经第三电阻连接至差分运算放大器的同相输入端，所述差分运算放大器的同相输入端还经第四电阻连接至参考电压；

43、所述第一电阻至第四电阻满足：

44、；

45、使差分运算放大器的输出电压满足：

46、；

47、其中，为由第一隔离采样运算放大器和第二隔离采样运算放大器的采样比例以及差分运算放大器的放大倍数共同确定的增益系数；

48、所述差分运算放大器的输出端连接至滞环比较器的反相输入端，参考电压经第五电阻连接至滞环比较器的同相输入端，所述滞环比较器的输出端经反馈电阻连接至其同相输入端，以形成正反馈滞环比较电路；

49、所述滞环比较器的输出端连接至载波选择模块，用于向载波选择模块输出载波切换信号。

50、一种电力电子变换器，包括带输入电感的中性点钳位升压单元、与中性点钳位升压单元的输出端连接的功率变换单元以及所述的电容均压控制装置；

51、所述功率变换单元用于将中性点钳位升压单元的输出电压变换为负载所需的交流或直流输出电压；

52、所述电力电子变换器为多电平逆变器、直流升压变换器或光伏并网变换器中的任意一种；

53、所述电容均压控制装置通过选择相位相差180°的候选载波，调节中性点钳位升压单元中第一电容和第二电容的相对充放电时间，并在保持输入电感充放电占空比不变的条件下实现第一电容电压和第二电容电压均衡。

54、进一步的，所述电力电子变换器为九电平共地型开关电容逆变器，所述中性点钳位升压单元构成九电平共地型开关电容逆变器的前级升压单元；

55、所述九电平共地型开关电容逆变器的输出电平包括：；所述电容均压控制装置设置有分别与四类相邻输出电平区间对应的四组候选载波，每一组候选载波均包括相位相差180°的两个载波，所述第一载波对与区间和区间相对应；所述第二载波对与区间和区间相对应；所述第三载波对与区间和区间相对应；所述第四载波对与区间和区间相对应，并根据第一电容与第二电容之间的电压偏差，在每一组候选载波的两个载波之间进行选择。

56、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：仅通过比较两个电容的电压并切换相位相差180°的载波，即可改变对应工作模态的持续时间，实现两个电容的电压均衡；均压过程中输入电感在每个开关周期内保持伏秒平衡，不改变升压单元的占空比和电压增益；该控制方法无需复杂功率计算，也无需增加额外功率均压电路，具有控制简单和实现成本低的优点。