基于優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制算法的變頻器中點(diǎn)平衡控制*

馬文忠， 吳海波， 郭江艷

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 東營(yíng) 257062)

0 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大功率多電平變頻器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，正日益成為研究的熱點(diǎn)。其中，二極管中點(diǎn)嵌位型(Neutral Point Clamped，NPC)多電平變頻器由于其成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和較好的應(yīng)用效果，已成為多電平變頻器中研究和應(yīng)用最多的類型。但是，在NPC型多電平變頻器的應(yīng)用過程中，也出現(xiàn)了許多亟待解決的問題。其中，中點(diǎn)電位不平衡就是比較突出的問題之一。中點(diǎn)電位不平衡將帶來輸出電壓波形畸變、電平數(shù)降低、逆變器開關(guān)器件承受的電壓不均衡、電容的壽命降低等危害［1-8］。本文將以應(yīng)用最為廣泛的NPC三電平逆變器為研究對(duì)象，對(duì)其中點(diǎn)電位不平衡問題進(jìn)行分析研究，并采用一種優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)算法對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行控制，其算法也可以推廣到任意多電平結(jié)構(gòu)的逆變器中。

1 NPC型三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的機(jī)理

二極管箝位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。對(duì)于三電平逆變器來說，每一相有P、O、N三個(gè)狀態(tài)，所以共有33=27種電壓狀態(tài)組合，得到逆變器輸出電壓空間矢量的分布情況如圖1(b)所示。

導(dǎo)致逆變器中點(diǎn)電位不平衡的主要原因如下。

圖1 三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)及空間矢量分布圖

(1)逆變器電路結(jié)構(gòu)及控制策略對(duì)中點(diǎn)電位的影響。

三電平逆變器除零矢量外，共有24種開關(guān)狀態(tài)，各種狀態(tài)下交流負(fù)載的連接形式雖不盡相同，但其連接情況可歸結(jié)為圖2所示的五種連接方式。圖2以四種不同矢量的五組開關(guān)狀態(tài)PNN，OOO，PON，ONN和POO為例，畫出了三電平逆變器電路拓?fù)浜碗娏骰芈?，分析不同開關(guān)狀態(tài)時(shí)中點(diǎn)電流及電壓的情況。

在三電平逆變器的19個(gè)基本矢量中，大矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)使三相輸出和正負(fù)母線相連，不影響中點(diǎn)電壓;零矢量使負(fù)載三相短接，掛在正、負(fù)、零母線之一，也不會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電壓的變動(dòng)。中矢量和小矢量的開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)至少有一相輸出和零母線相連，并與正、負(fù)母線形成電流回路，從而導(dǎo)致電容C1和C2充放電，使中點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)。

圖2中inp為中點(diǎn)電流，流出中點(diǎn)為正。顯然，大矢量和零矢量時(shí)開關(guān)狀態(tài)的中點(diǎn)電流inp=0，電容C1和C2上的電壓保持不變，處于平衡狀態(tài)(不考慮充電電阻的影響)，如圖2(a)、(b)所示。當(dāng)中矢量開關(guān)狀態(tài)為PON時(shí)，如圖2(c)所示，有inp=ib，當(dāng)負(fù)載電流ib＞0時(shí)，上電容C1充電，UC1升高，下電容C2放電，UC2下降，從而中點(diǎn)電位Umo=(UC1-UC2)/2下降;反之，ib＜0，則C1放電，C2充電，中點(diǎn)電位Umo上升?？梢钥闯觯娏鞣较虿煌瑫r(shí)，對(duì)中點(diǎn)電壓的影響也不同。對(duì)于小矢量的開關(guān)狀態(tài)ONN，滿足inp=ia，如圖2(d)所示;而對(duì)開關(guān)狀態(tài)POO，有inp=ib+ic=-ia，如圖2(e)所示，顯然ONN和POO兩組開關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電壓的作用完全相反。

圖2 基本矢量對(duì)應(yīng)的實(shí)際拓?fù)浜碗娏骰芈?/p>

(2)與直流母線電容有關(guān)。首先兩個(gè)電容在制造工藝上不可能達(dá)到完全相同，勢(shì)必會(huì)造成中點(diǎn)電壓的固有偏移;其次，電容值的大小與直流側(cè)電壓平衡關(guān)系密切，電容值越小，電壓波動(dòng)必然越嚴(yán)重，所以電容值要盡可能大，但考慮到成本和制造工藝上的限制，電容值又不能取得過大。

(3)與負(fù)載有關(guān)。負(fù)載越重，中點(diǎn)電流越大，中點(diǎn)電位波動(dòng)越大，造成的不平衡也越嚴(yán)重;負(fù)載功率因數(shù)也與中點(diǎn)電流的相位關(guān)系密切，是影響中點(diǎn)電壓的重要因素。

(4)與輸出相電壓的幅值有關(guān)。幅值越大，小矢量參與成分越小，中點(diǎn)電壓控制越困難。

(5)輸出電壓基波頻率也決定中點(diǎn)電壓的波動(dòng)頻率。

2 NPC三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制

中點(diǎn)電位不平衡問題引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，也已提出了很多解決方案，目前主要分為硬件控制策略和軟件控制策略兩種。一般硬件控制策略能夠取得較好的控制效果，但將大幅增加電路成本，因此限制了其應(yīng)用［8-15］。本文經(jīng)過分析研究，通過優(yōu)化SVPWM的控制算法，來實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡的控制。具體控制策略如下。

由以上中點(diǎn)電位不平衡的機(jī)理分析可知，零矢量和大矢量作用時(shí)，由于中點(diǎn)不參與能量的傳送，因此它們對(duì)中點(diǎn)電位沒有影響;而中矢量和小矢量作用時(shí)由于中點(diǎn)處都會(huì)有電流流過，也即有能量的流動(dòng)，因此它們會(huì)帶來中點(diǎn)電位的不平衡。其中每個(gè)小矢量都有兩種開關(guān)狀態(tài)(正小矢量和負(fù)小矢量)，而且這兩種開關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響剛好相反。因此，合理安排正、負(fù)小矢量的作用時(shí)間，就可以很好地平衡中點(diǎn)電壓。在三電平的空間矢量中，依據(jù)最近三矢量原則合成參考矢量時(shí)，至少會(huì)用到一個(gè)小矢量對(duì)。因此，該算法通過調(diào)整正負(fù)小矢量對(duì)的相對(duì)作用時(shí)間，對(duì)中點(diǎn)電壓偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

該算法首發(fā)矢量都采用正小矢量，滿足同一橋臂不會(huì)從N狀態(tài)直接到P狀態(tài)切換，且開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，三相橋臂中只有一相開關(guān)動(dòng)作。在控制中點(diǎn)電位時(shí)只需檢測(cè)該矢量作用時(shí)連接到中點(diǎn)的某相實(shí)際負(fù)載電流方向，即可知道該小矢量對(duì)直流電容電壓的影響方向，并考慮到直流電容電壓UC1和UC2的不平衡方向，進(jìn)而調(diào)整正負(fù)小矢量的相對(duì)作用時(shí)間。

定義:ΔU=UC1-UC2。當(dāng) ΔU＞0時(shí)，表示電容C1上的電壓偏大，則應(yīng)該加大正小矢量的作用時(shí)間，以增加電容C1的放電時(shí)間，使之電壓降低;反之，當(dāng)ΔU＜0時(shí)，則應(yīng)該減小正小矢量的作用時(shí)間。這里為了避免中點(diǎn)電位的小波動(dòng)造成開關(guān)管頻繁動(dòng)作，導(dǎo)致出現(xiàn)開關(guān)損耗增加的情況，定義一個(gè)閾值h，即當(dāng)ΔU＞h或ΔU＜-h時(shí)才進(jìn)行調(diào)整。增大或減小小矢量的作用時(shí)間都通過乘以一個(gè)調(diào)制因數(shù)k來實(shí)現(xiàn)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中脈沖切換的死區(qū)時(shí)間，一般取0.25＜k＜0.75，具體控制規(guī)律如下:

當(dāng)-h≤ΔU≤h時(shí)，k取0.5;

當(dāng)ΔU＞h，且此時(shí)首發(fā)小矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流的方向?yàn)榱魅?，則k＞0.5，否則k＜0.5;

當(dāng)ΔU＜-h，且此時(shí)首發(fā)小矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流的方向?yàn)榱魅?，則k＜0.5，否則k＞0.5。

得出調(diào)制因數(shù)后，將之與小矢量作用時(shí)間組合，優(yōu)化小矢量的作用時(shí)間，就可以抑制ΔU，從而削弱中點(diǎn)電位的不平衡。以參考矢量位于第一扇區(qū)為例進(jìn)行說明(由矢量分布的對(duì)稱性，其他扇區(qū)的情況均可轉(zhuǎn)化為第一扇區(qū)進(jìn)行計(jì)算)，空間電壓矢量示意圖如圖3所示。

圖3 第一扇區(qū)空間矢量分布示意圖

T10、T20、T3為矢量 U10、U20、U3合成參考矢量Uref時(shí)分別對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間?？紤]到調(diào)制因數(shù)k，得到優(yōu)化后的一個(gè)周期Ts內(nèi)各矢量的作用時(shí)間分配時(shí)序圖，如圖4所示。

按照上述算法重新進(jìn)行空間電壓矢量的合成，即可有效抑制中點(diǎn)電位的不平衡問題。

圖4 一個(gè)周期Ts內(nèi)加入調(diào)制因子k后電壓矢量分配時(shí)序圖

3 控制算法的MATLAB仿真分析

針對(duì)以上控制算法，采用MATLAB/Simulink搭建仿真模型，進(jìn)行了仿真分析。仿真中直流側(cè)電壓為800 V，負(fù)載為阻感負(fù)載，功率因數(shù)取為0.886，開關(guān)管的頻率為4 kHz。仿真得到中點(diǎn)電位波形如圖5所示。

圖5 仿真分析中點(diǎn)電位波形

由仿真結(jié)果可知，該軟件控制方法可以有效抑制中點(diǎn)電位的偏移。

4 試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建了一套NPC的三電平逆變器控制系統(tǒng)，并使用TMS3202812 DSP芯片對(duì)中點(diǎn)電位抑制算法進(jìn)行了編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)逆變器系統(tǒng)的控制，得到試驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)波形

圖6(a)是未加控制算法的中點(diǎn)電位波形，可見中點(diǎn)電位有較大偏移;圖6(b)是加入控制算法的中點(diǎn)電位波形，可以發(fā)現(xiàn)中點(diǎn)電位不平衡得到了較好抑制。另外，圖6(c)是未加控制算法的線電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)由于中點(diǎn)電位的偏移，輸出線電壓波形發(fā)生了畸變;圖6(d)是加入控制算法的線電壓波形，輸出線電壓波形比較理想，畸變得到了有效抑制。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文所述中點(diǎn)電位平衡算法后，中點(diǎn)電位不平衡問題得到了有效解決。

5 結(jié)語(yǔ)

由于電路器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法及負(fù)載工況等因素的影響，NPC多電平逆變器在應(yīng)用過程中存在中點(diǎn)電位不平衡問題，并帶來相應(yīng)的許多危害。本文通過分析中點(diǎn)電位不平衡的產(chǎn)生機(jī)理，通過優(yōu)化SVPWM控制算法，確定適當(dāng)?shù)恼{(diào)制因數(shù)，合理安排電壓空間矢量中正、負(fù)小矢量的作用時(shí)間，可以較好地抑制中點(diǎn)電位的不平衡。理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)研究，都驗(yàn)證了該控制算法的有效性。

［1］周文生，姚鋼，宋文祥.中點(diǎn)箝位型三電平逆變器控制方法的綜合研究［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2008，30(2):6-9.

［2］宋文祥，陳國(guó)呈，武慧，等.一種具有中點(diǎn)電位平衡功能的三電平空間矢量調(diào)制方法及其實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(12):95-100.

［3］毛承雄，李時(shí)華，陸繼明，等.中性點(diǎn)箝位型三電平高壓變頻器實(shí)驗(yàn)分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008，20(2):78-82.

［4］羅永吉，尹華杰，周艷青.三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位平衡的軟件算法［J］.電氣傳動(dòng)，2008，38(5):3-7.

［5］宋永祥，陳國(guó)呈，陳陳.基于矢量分區(qū)的三電平中點(diǎn)波動(dòng)機(jī)理分析的研究［J］.電工電能新技術(shù)，2007，26(4):17-20.

［6］宋強(qiáng)，劉文華，嚴(yán)干貴，等.基于零序電壓注入的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位平衡控制方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(5):57-62.

［7］張衛(wèi)豐，余岳輝，劉璐.三電平逆變器空間矢量控制算法仿真研究［J］.電力電子技術(shù)，2006，40(1):3-5.

［8］朱希容，周曉鋒，周淵深.NPC三電平逆變器SVPWM算法的研究及仿真實(shí)現(xiàn)［J］.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，16(1):27-30.

［9］宋文祥，陳國(guó)呈，束滿堂，等.中點(diǎn)箝位式三電平逆變器空間矢量調(diào)制及其中點(diǎn)控制研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(5):105-109.

［10］桂紅云，姚文熙，呂征宇.三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問題的研究［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7(9):526-529.

［11］劉學(xué)超.三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的電壓空間矢量控制原理及算法［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2003，6(5):235-238.

［12］Nabae A.A new neutral-point-clamed PWM inverter［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1981，17(5):518-523.

［13］Ginsepper Carrara.A new multilevel PWM method:a theoretical analysis［J］.IEEE Trans on Power Electronics，1992，7(3):497-505.

［14］Menzies R W.Five-level GTO inverter for larger inductors motor drivers［J］.IEEE Trans on Industrial Applications，1994，30(A):938-943.

［15］Jurgen K Sternke.Switching frequency optimal PWM control of a three-level inverter［J］.IEEE Trans on Power Electronics，1996，7(3):487-496.