NPC型三電平逆變器SVPWM控制方法及中點(diǎn)電位平衡研究

李 萍，劉國忠

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力機(jī)車、冶金、化工、軋鋼機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ蠊β首儞Q裝置的使用日益增加，多電平逆變器相對于傳統(tǒng)兩電平逆變器表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，已受到廣泛關(guān)注[1-2]。二極管箝位型（NPC）三電平逆變器與兩電平逆變器相比，直流側(cè)電壓利用率高；輸出電壓諧波含量少，且可減少輸出濾波器整體尺寸；開關(guān)頻率低，硅損耗??；功率開關(guān)器件可使用具有較低反向阻斷電壓的芯片，反應(yīng)速度更快，開關(guān)損耗更低。逆變器輸出性能的優(yōu)劣不僅取決于其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且取決于調(diào)制算法?？臻g電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）直流母線電壓利用率較高，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)制，采樣周期間矢量可實(shí)現(xiàn)平滑切換，減少損耗，減少諧波。通過調(diào)節(jié)冗余小矢量的作用時(shí)間達(dá)到抑制直流側(cè)中點(diǎn)電位偏移的目的，簡便易行，作用效果明顯。

1 NPC型三電平逆變器SVPWM控制策略

1.1 三電平逆變器SVPWM控制基本原理

NPC三電平逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 NPC型三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 參考電壓空間矢量示意圖

按照一定頻率在空間旋轉(zhuǎn)的參考電壓矢量為V=r∠θ。當(dāng)參考電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)選擇該區(qū)域內(nèi)的3個(gè)最近的基本電壓矢量，在一定采樣周期內(nèi)各矢量分配作用時(shí)間合成參考電壓矢量[4]。根據(jù)各矢量對應(yīng)橋臂的開關(guān)狀態(tài)來驅(qū)動(dòng)功率管的通斷，并控制各功率管的通斷時(shí)間。這樣逆變器就會(huì)輸出產(chǎn)生三相互差120°的近似正弦波的階梯電壓。

1.2 三電平逆變器SVPWM控制算法

將基本電壓矢量依伏秒平衡法[5-8]擬合參考電壓矢量，根據(jù)所選取的電壓矢量及其作用時(shí)間控制相應(yīng)的功率開關(guān)器件動(dòng)作。該方法包括參考電壓矢量位置確定即判斷所在扇區(qū)和扇區(qū)中的區(qū)域、開關(guān)矢量選擇和矢量作用順序優(yōu)化、各矢量作用時(shí)間計(jì)算。

1.2.1 參考電壓矢量位置確定

參考電壓矢量應(yīng)落在電壓空間矢量圖中以中矢量為半徑的內(nèi)切圓內(nèi)。為了快速利用矢量圖中固有的電壓矢量合成參考電壓矢量，需要確定參考電壓矢量所在位置，因此將以矢量圖中大、小矢量為邊界劃分為6個(gè)扇區(qū)，如圖2所示。每個(gè)扇區(qū)以相鄰的3個(gè)矢量頂點(diǎn)為邊界劃分為4個(gè)區(qū)域，如圖3所示。

圖3 扇區(qū)1內(nèi)空間電壓矢量圖

將參考旋轉(zhuǎn)電壓矢量角度折算到θ∈（-180°～180°），根據(jù)角度大小判斷其所在扇區(qū)。

1.2.2 開關(guān)矢量作用順序

為使各矢量平滑輸出，減少逆變器輸出電壓的諧波含量和減少開關(guān)器件的功率損耗，開關(guān)矢量選擇及其作用時(shí)間確定的基本思想為：所有輸出的首發(fā)矢量全部采用正小矢量或負(fù)小矢量；相鄰兩矢量切換不能突變，僅相差一相狀態(tài)；在每個(gè)PWM控制周期內(nèi)，將參考電壓用其最近的3個(gè)基本電壓矢量按照伏秒平衡原理來表示。

1.2.3 開關(guān)矢量作用時(shí)間

依照伏秒平衡原則列出等式：

表1 扇區(qū)II中各區(qū)域相應(yīng)電壓矢量作用順序（負(fù)小矢量首發(fā)）

式中：Tx、Ty、Tz——在一個(gè)采樣周期內(nèi)空間參考電壓矢量所在區(qū)域內(nèi)的基本電壓矢量Vx、Vy、Vz分別對應(yīng)的作用時(shí)間；

T——采樣周期；

Vref——空間參考電壓矢量。

以第一扇區(qū)D1區(qū)域?yàn)槔?，推?dǎo)作用時(shí)間計(jì)算式。已知

式中：θ——參考電壓矢量Vref的角度；

將 Vx、Vy、Vz、Vref分別帶入式（1）得

等式兩邊實(shí)軸與虛軸分量分別相等，則有

從式（4）中得

將 Ty代入式（2）得

其他區(qū)域可采用類似方法推導(dǎo)空間矢量作用時(shí)間，如表2所示。

參考電壓矢量以一定的幅值和頻率在空間旋轉(zhuǎn)，在各扇區(qū)矢量作用時(shí)間都可歸一到扇區(qū)1的計(jì)算方法，這樣另外5個(gè)扇區(qū)電壓矢量所對應(yīng)的作用時(shí)間均可按式（1）計(jì)算。

表2 第一扇區(qū)各區(qū)域電壓矢量對應(yīng)作用時(shí)間

不同扇區(qū)合成參考電壓矢量過程中，由于各個(gè)區(qū)域電壓矢量的作用順序不同，對應(yīng)區(qū)域電壓矢量作用時(shí)間順序也有變化，如表3所示。

表3 6扇區(qū)中各區(qū)域電壓矢量作用順序及相應(yīng)作用時(shí)間

2 三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制的研究

由于逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，直流側(cè)兩電容的充放電平均電流相等，但電流之間存在相位差，暫態(tài)過程不對稱；因此，三電平逆變器在能量轉(zhuǎn)換時(shí)，直流側(cè)電容上電壓不能保持平衡，中點(diǎn)電位發(fā)生偏離[9]，這樣使得交流側(cè)輸出產(chǎn)生諧波，逆變器的輸出效率較低，嚴(yán)重影響所帶負(fù)載工作性能。逆變器中某些開關(guān)管所承受的電壓上升、直流側(cè)電容電壓不均衡都會(huì)影響這些元器件的壽命[6]。通過分析零矢量和大矢量對應(yīng)開關(guān)狀態(tài)對中點(diǎn)電流無影響；小矢量對應(yīng)的兩種冗余開關(guān)狀態(tài)對中點(diǎn)電流呈互補(bǔ)方式影響。由于電壓矢量在每個(gè)區(qū)域中都由小、中、大矢量合成，小矢量對電容充放電作用的效果是互補(bǔ)的，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測直流側(cè)電容兩端電壓，根據(jù)比較的結(jié)果來控制小矢量作用時(shí)間的長短，同時(shí)彌補(bǔ)中矢量對電容電壓波動(dòng)的影響；因此，保證在一個(gè)采樣周期中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)小矢量和中矢量對電容電壓波動(dòng)的聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)中點(diǎn)之上的電容大于中點(diǎn)之下電容電壓時(shí)，將原伏秒計(jì)算的負(fù)小矢量作用時(shí)間乘以一個(gè)較小的調(diào)整系數(shù)，使其在一個(gè)采樣周期中作用時(shí)間縮短，減緩該矢量或中矢量對中點(diǎn)之下電容造成過度放電的影響；當(dāng)中點(diǎn)之上的電容小于中點(diǎn)之下電容電壓時(shí)，原負(fù)小矢量作用時(shí)間乘以一個(gè)較大的系數(shù)，使其在一個(gè)采樣周期中作用時(shí)間延長，減緩該矢量或中矢量對中點(diǎn)之下電容造成過度充電的影響，這樣可以使中點(diǎn)電位在一個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖4 NPC三電平逆變器SVPWM控制系統(tǒng)

圖5 旋轉(zhuǎn)參考電壓矢量扇區(qū)判斷

圖6 m=0.9，50Hz時(shí)逆變器輸出線電壓

圖7 m=0.9，50Hz時(shí)逆變器輸出濾波后三相線電壓

圖8 m=0.8，30Hz時(shí)逆變器輸出線電壓

3 仿真模型及結(jié)果分析

采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建NPC三電平逆變器調(diào)制系統(tǒng)模型，如圖4所示。三相電源電壓為380V/50Hz，直線側(cè)母線電容為1000μF，采樣周期為0.5μs。圖5為50Hz的空間參考電壓矢量，在一個(gè)周期中檢測其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)經(jīng)過 5，6，1，2，3，4 扇區(qū)，且周而復(fù)始。當(dāng)調(diào)制比為0.9，參考電壓矢量頻率為50Hz時(shí)，逆變器輸出線電壓波形如圖6所示。經(jīng)過電容濾波，可得到只含基波頻率的線電壓如圖7所示。圖8～圖10分別為不同頻率的參考電壓，在不同調(diào)制比下逆變器輸出的線電壓，輸出的線電壓頻率與參考電壓頻率一致，隨著調(diào)制比的不同輸出電壓幅值也不同，調(diào)制比越小輸出電壓幅值越小。仿真模型中三相整流輸出電壓的一半作為理想直流側(cè)母線中點(diǎn)電位。實(shí)驗(yàn)中分別采用帶中點(diǎn)電位平衡控制方法和無此控制方法進(jìn)行測試，其輸出波形如圖11和圖12所示。通過比較可以看出，帶中點(diǎn)電位平衡控制方法的直流側(cè)母線電容兩端電壓均衡，接近理想的中點(diǎn)平衡電壓，而沒有采用此方法的電容兩端電壓不均衡，偏離理想中點(diǎn)電位，導(dǎo)致實(shí)際電容中點(diǎn)電位出現(xiàn)偏移。

圖9 m=0.7，10Hz時(shí)逆變器輸出線電壓

圖10 m=0.5，10Hz時(shí)逆變器輸出線電壓

圖11 帶直流母線電容中點(diǎn)電位平衡策略的直流側(cè)母線中點(diǎn)電壓及兩電容電壓

圖12 無直流母線電容中點(diǎn)電位平衡策略的直流側(cè)母線中點(diǎn)電壓及兩電容電壓

4 結(jié)束語

建立仿真模型，調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)，仿真結(jié)果表明，采用SVPWM調(diào)制方式可以使逆變器輸出5個(gè)電平的線電壓，電壓波形較兩電平逆變器更接近于正弦波，且三相電壓波形對稱，經(jīng)低通濾波器可以得到較高質(zhì)量的三相對稱電壓；在一個(gè)采樣周期內(nèi)根據(jù)控制系統(tǒng)檢測直流側(cè)兩電容端電壓之差與中點(diǎn)電位偏離程度，實(shí)時(shí)調(diào)整作用于負(fù)小矢量作用時(shí)間的控制系數(shù)，從而達(dá)到采樣周期內(nèi)中點(diǎn)電位平衡。證明基于SVPWM控制策略的參考電壓矢量所在扇區(qū)及扇區(qū)區(qū)域判斷、電壓矢量合成和其作用時(shí)間分配方法的正確性，以及逆變器直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡控制方法的有效性。

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