一種調(diào)控三電平NPC逆變器中點(diǎn)電壓平衡的不對(duì)稱PWM策略

李 銳，鄭中祥，魏 華，吳浩偉，陳 濤

一種調(diào)控三電平NPC逆變器中點(diǎn)電壓平衡的不對(duì)稱PWM策略

李 銳1，鄭中祥1，魏 華1，吳浩偉1，陳 濤1

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

三電平NPC中點(diǎn)電壓不平衡會(huì)帶來開關(guān)管電壓應(yīng)力增加、輸出電壓電流波形畸變等問題。本文通過建立NPC的受控源模型詳細(xì)分析了中點(diǎn)電壓不平衡對(duì)輸出電壓電流波形影響，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的不對(duì)稱SPWM（ASPWM）方案。該方案根據(jù)中點(diǎn)電壓的波動(dòng)大小調(diào)整正負(fù)調(diào)制波的直流偏置和幅值，從而消除中點(diǎn)電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓電流的影響。最后通過RT-LABshi實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。

三相三電平NPC 中點(diǎn)平衡 受控源模型 PWM策略

0 引言

多電平逆變器可以降低輸出電壓的諧波含量，減小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，其中三電平中點(diǎn)鉗位型逆變器研究和應(yīng)用最為廣泛。但是中點(diǎn)電壓不平衡會(huì)導(dǎo)致輸出電壓電流諧波含量增加，若電壓波動(dòng)程度劇烈或出現(xiàn)較大穩(wěn)態(tài)偏差，會(huì)導(dǎo)致橋臂開關(guān)管電壓應(yīng)力增加，甚至使開關(guān)管過壓損壞。

許多學(xué)者對(duì)中點(diǎn)不平衡的特性進(jìn)行了相關(guān)理論分析。文獻(xiàn)[1～5]闡明了影響中點(diǎn)電壓波動(dòng)的因素有調(diào)制比、功率因數(shù)、輸出電流諧波以及負(fù)序電流等。針對(duì)中點(diǎn)電壓不平衡問題，許多學(xué)者提出了相應(yīng)的控制策略。文獻(xiàn)[1]、[7～9]均是通過改進(jìn)SVPWM來調(diào)控中點(diǎn)的平衡。文獻(xiàn)[1]基本思想是充分利用冗余小矢量的對(duì)中點(diǎn)電壓影響的對(duì)稱特性，在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)調(diào)節(jié)正負(fù)小矢量的時(shí)間分配，從而實(shí)現(xiàn)平衡。文獻(xiàn)[7][8]利用冗余小矢量與中矢量合成新的虛擬矢量，保證虛擬矢量對(duì)中點(diǎn)電壓不產(chǎn)生任何的影響，從而保持中點(diǎn)電壓的平衡。文獻(xiàn)[9]則是考慮到中矢量是造成中點(diǎn)電壓波動(dòng)的來源，因此完全采用冗余小矢量代替中矢量進(jìn)行調(diào)制，保證中點(diǎn)電壓的平衡?？偟膩碚f，SVPWM方案控制復(fù)雜，計(jì)算量大，并且加入平衡算法后都會(huì)導(dǎo)致開關(guān)頻率增加以及開關(guān)頻率處諧波含量增加。文獻(xiàn)[3]、[10～15]均是通過改進(jìn)PWM調(diào)制方式來解決中點(diǎn)不平衡的問題，均采用了零序電壓注入的調(diào)制方案。通過在調(diào)制波中注入特定的零序電壓使中點(diǎn)電流為零，解決中點(diǎn)電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[13～15]都采用了雙調(diào)制波SPWM調(diào)制方案，該方案基于虛擬矢量控制的思想，利用三相電流和為零的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種雙調(diào)制信號(hào)的調(diào)制策略，保證在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)中點(diǎn)電流平均值為零，但這種雙調(diào)制波SPWM方案增加了開關(guān)頻率。上述方案著重點(diǎn)都在于消除中點(diǎn)電壓波動(dòng)，沒有關(guān)注中點(diǎn)電壓波動(dòng)對(duì)輸出波形具體會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響，文獻(xiàn)[16][17]則是從消除中點(diǎn)不平衡對(duì)輸出電流電壓波形影響的角度出發(fā)，對(duì)SVPWM調(diào)制策略進(jìn)行改進(jìn)，其基本思路是在構(gòu)成空間矢量圖時(shí)將中點(diǎn)的不平衡考慮進(jìn)來，各種空間矢量是考慮實(shí)際實(shí)時(shí)的中點(diǎn)電壓不平衡狀態(tài)后的矢量，在此矢量圖中再進(jìn)行平衡調(diào)控，從而保證輸出波形不受中點(diǎn)不平衡的影響。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠消除中點(diǎn)不平衡對(duì)輸出波形的影響，并且具有調(diào)節(jié)平衡的能力，缺點(diǎn)是算法變的十分復(fù)雜，在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)各個(gè)空間矢量大小方向需要根據(jù)不平衡情況計(jì)算。

本文首先建立了三相三電平NPC逆變器的受控源模型，該模型具有非常明確的物理意義，可以很直觀的分析得出中點(diǎn)電壓不平衡對(duì)輸出電壓和電流波形的影響。然后基于模型和分析，提出了一種正負(fù)調(diào)制波幅值不對(duì)稱的一種調(diào)制方案，能夠快速調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓平衡，并能在中點(diǎn)電壓不平衡情況下消除對(duì)輸出波形的影響。

1 三相三電平NPC的受控源模型

圖1所示為三電平NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)逆變器的建模方法有很多，但是基本原理都是基于沖量等效的原則，各種建模方法也各有利弊。為了從物理上更為直觀的分析三相三電平NPC中點(diǎn)電壓不平衡的問題，本文選用了一種將每相橋臂等效為受控源的建模方法[19]。將等效受控源建模方法應(yīng)用到三相三電平NPC拓?fù)渲校梢越⑷鐖D2所示的等效受控源電路模型。其中d和d（x表示a、b、c）的表達(dá)式與具體采用的調(diào)制方式有關(guān)。

圖2所示模型中以輸入直流母線中點(diǎn)為參考點(diǎn)，可以得到每相電壓的表達(dá)式如式(1)所示，中點(diǎn)電流如式(2)所示。假設(shè)C1=C2=C，可以得到中點(diǎn)電壓變化量Δ與中點(diǎn)電流的關(guān)系如式（3）所示。式(1)～(3)具有通用性，在不同調(diào)制方式下僅d和d的表達(dá)式不同。觀察式(1)我們可以發(fā)現(xiàn)由于相電壓表達(dá)式中含有關(guān)于Δ的項(xiàng)，中點(diǎn)電壓不平衡會(huì)影響輸出相電壓波形。式(2)(3)顯示了調(diào)制方式和輸出電流對(duì)中點(diǎn)電壓平衡的影響。

圖1 三相三電平NPC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 三相三電平NPC逆變器受控源模型

2 中點(diǎn)電壓不平衡對(duì)輸出波形的影響

利用上一節(jié)建立的受控源模型分析常規(guī)SPWM策略下中點(diǎn)電壓不平衡對(duì)輸出波形的影響。式(1)是每相電壓的表達(dá)式，當(dāng)采用SPWM調(diào)制方式時(shí)，具體表示為式(4)。

根據(jù)圖2所示等效模型可以推導(dǎo)出星形連接的負(fù)載端中點(diǎn)N到參考點(diǎn)o的電壓表達(dá)式如(6)所示。式(6)可以看作是三個(gè)方程，聯(lián)立這3個(gè)方程進(jìn)一步可以得到N點(diǎn)電壓和直流側(cè)中點(diǎn)電壓波動(dòng)的關(guān)系，如式(7)所示：

3 零序電壓注入式ASPWM方案

(13)

基于上述的思路，采用一種新的PWM方案，這種方案具體描述如下：

1）加入零序分量

2）幅值調(diào)整

按照上述方法改造后的調(diào)制波表達(dá)式如式(14)。

按照式(14)進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)某個(gè)電容電壓偏高時(shí)，非對(duì)稱調(diào)制波V對(duì)應(yīng)半波部分面積會(huì)加大，逆變器抽取電壓偏高電容能量的時(shí)間增加，從而主動(dòng)使中點(diǎn)電壓恢復(fù)平衡。同時(shí)式(14)所示的V表達(dá)式總是滿足V≤1，該調(diào)制方法對(duì)直流電壓利用率沒有任何損失。

采用這種調(diào)制后，最后得到的每相電壓表達(dá)式為：

1）可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓，使中點(diǎn)電壓迅速恢復(fù)平衡；

2）相比較傳統(tǒng)零序電壓注入方法，該方案不會(huì)造成直流電壓利用率的下降；

3）相比較其他中點(diǎn)電位平衡算法，該方法可以保證即使中點(diǎn)電壓持續(xù)存在不平衡，輸出電壓和電流不會(huì)產(chǎn)生更多的諧波；

4）該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易于拓展，能方便的運(yùn)用于各種多電平逆變器的直流電壓平衡控制。

4 半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證ASPWM算法的有效性，基于實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，在RT-LAB平臺(tái)上對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示，ASPWM算法在一塊集成了DSP28335、AD7864的控制板上實(shí)現(xiàn)，并通過一個(gè)接口板與RT-LAB仿真機(jī)相連，在RT-LAB內(nèi)建立有三電平逆變器的實(shí)時(shí)模型。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在RT-LAB中建立如圖1所示的實(shí)時(shí)三電平逆變器模型，該模型具體參數(shù)如下：

表1 設(shè)備參數(shù)

4.1 中點(diǎn)電壓不平衡對(duì)波形影響的試驗(yàn)

設(shè)置電容C1電壓保持為500 V，電容C2電壓保持為100 V，調(diào)制比為0.95，常規(guī)SPWM調(diào)制與ASPWM調(diào)制下輸出電壓波形以及THD分析如圖5所示。

圖5（a）所示波形分別是電容C1電壓和輸出線電壓V，在波形前半段采用常規(guī)SPWM調(diào)制，后半段改為采用ASPWM調(diào)制，可以看到ASPWM調(diào)制下輸出電壓波形明顯優(yōu)于常規(guī)SPWM調(diào)制。常規(guī)SPWM調(diào)制下輸出電壓中出現(xiàn)了大量的2次、4次等偶次諧波分量，ASPWM調(diào)制方法則完全消除了不平衡對(duì)輸出波形中諧波的影響。從圖5（b）的THD分析結(jié)果中可以看到，常規(guī)PWM控制下2、4次等偶次諧波非常嚴(yán)重，其中2次諧波達(dá)到28.69%，4次諧波達(dá)到5.94%，整體THD達(dá)到了29.35%；而采用APWM算法后，偶次諧波基本被消除，整體THD降低到了1.34%。

4.2 中點(diǎn)電壓不平衡控制效果試驗(yàn)

1）不平衡恢復(fù)的動(dòng)態(tài)效果

在表1參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，調(diào)制比為0.95，將電容1電壓鉗位為500 V，電容2電壓鉗位為100 V，在某一時(shí)刻放開電壓鉗位。兩種調(diào)制方式下中點(diǎn)電壓不平衡恢復(fù)的過程如圖6所示，圖中所示分別是電容1和2的電壓。從圖6中可以看到，兩種算法最終都能實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓平衡的恢復(fù)，而ASPWM算法由于主動(dòng)根據(jù)電壓不平衡進(jìn)行調(diào)控，具有明顯更快的恢復(fù)速度。ASPWM調(diào)制下恢復(fù)時(shí)間小于2 s，而常規(guī)SPWM調(diào)制方式恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)9 s。值得注意的是在ASPWM控制下，不平衡的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中輸出電壓波形始終保持非常好的正弦輸出。

圖5 中性點(diǎn)電壓偏移時(shí)輸出電壓波形

2）參數(shù)不對(duì)稱時(shí)的不平衡控制效果

在表1參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，調(diào)制比為0.95，將電容1并聯(lián)350歐電阻，電容2并聯(lián)250歐電阻，人為造成電路上的不對(duì)稱。兩種調(diào)制方式下中點(diǎn)電壓平衡的控制效果如圖7所示，在波形前半段采用常規(guī)SPWM調(diào)制，后半段切換為ASPWM調(diào)制，圖中波形分別是電容1、2的電壓以及兩個(gè)電壓的差值。可以看到，常規(guī)SPWM調(diào)制下電容1和2的電壓差達(dá)到了40 V，而采用ASPWM方法后，電壓差減小到了10 V左右?？梢钥吹紸SPWM具有更優(yōu)的中點(diǎn)電壓平衡控制效果，并且即使存在不平衡情況下仍能保持輸出電壓波形很好的正弦度。

圖6 中性點(diǎn)電壓動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程

圖7 中性點(diǎn)電壓平衡控制效果

5 結(jié)論

本文建立了三相三電平NPC逆變器的受控源模型，根據(jù)此模型詳細(xì)分析了中點(diǎn)電壓波動(dòng)對(duì)輸出波形的影響?；谏鲜龇治鎏岢隽艘环N不對(duì)稱SPWM方案，可以快速調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓平衡，并且可以有效的消除中點(diǎn)電壓不平衡對(duì)輸出波形的影響。該調(diào)制方案具有以下優(yōu)勢(shì)：1）不會(huì)降低直流電壓利用率；2）消除了中點(diǎn)電壓不平衡對(duì)輸出電壓電流波形的影響；3）算法簡(jiǎn)單，沒有提高變換器開關(guān)頻率，可以簡(jiǎn)單擴(kuò)展到更多電平的逆變器控制。最后基于RT-LAB平臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。

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Asymmetric PWM method to obtain balanced NP voltage in a three-level neutral-point-clamped converter

Li Rui1, Zheng Zhongxiang1, Wei Hua1,Wu Haowei1, Chen Tao1

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TM464

A

1003-4862(2022)08-0001-06

2022-02-10

海洋核動(dòng)力平臺(tái)技術(shù)、裝備研制及示范應(yīng)用（2017YFC0307800）

李銳（1987-），男，博士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)與裝備。E-mail: learoylr@136.com