基于VMV的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制研究

陳 淼，蘇朝葵，彭 新，歐陽(yáng)暉

應(yīng)用研究

基于VMV的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制研究

陳 淼1，蘇朝葵2，彭 新1，歐陽(yáng)暉1

（1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；2. 中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518172）

本文從空間矢量和中點(diǎn)電流影響的角度分析了二極管箝位型三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的原因，比較研究了兩種中點(diǎn)電位平衡控制方法，并提出了一種基于虛擬中矢量的中點(diǎn)電位平衡控制方法,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明這種方法的有效性。

三電平逆變器 空間矢量調(diào)制 中點(diǎn)電位控制 虛擬中矢量

0 引言

二極管箝位型三電平逆變器通過(guò)直流側(cè)的串聯(lián)的兩個(gè)電容把母線電壓均分成三個(gè)電平。因?yàn)轶槲欢O管的存在，使橋臂中點(diǎn)能輸出三個(gè)電平，每個(gè)器件只承受一半的直流母線電壓。這種拓?fù)渚哂休敵鲭妷褐C波含量少，器件承受電壓低等優(yōu)點(diǎn)[1]。在高壓大容量場(chǎng)合取得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2, 3]。

中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題是二極管箝位型三電平逆變器的缺點(diǎn)。當(dāng)中點(diǎn)電位不平衡時(shí)，會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出電壓畸變產(chǎn)生低次諧波，開(kāi)關(guān)器件承受電壓過(guò)高，損壞開(kāi)關(guān)器件，直流電容電壓波動(dòng)縮短電容使用壽命[4]。近年來(lái)學(xué)者提出多種中點(diǎn)平衡控制的方法。文獻(xiàn)[5]通過(guò)在調(diào)制波中加入零序分量來(lái)實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡的控制?；诳臻g矢量調(diào)制的中點(diǎn)平衡策略主要滯環(huán)控制和平衡因子控制。矢量取舍法根據(jù)三相電流的方向和中點(diǎn)電壓的正負(fù)來(lái)調(diào)節(jié)小矢量的相對(duì)作用時(shí)間，使中點(diǎn)電壓恢復(fù)平衡。這種方法僅需要判斷三相電流的方向，反饋量少，魯棒性好。但是采用矢量取舍法時(shí)會(huì)出現(xiàn)中點(diǎn)電壓的過(guò)補(bǔ)償和欠補(bǔ)償，中點(diǎn)電壓中包含頻率為開(kāi)關(guān)頻率一半的高頻分量，且中點(diǎn)電壓仍會(huì)以基波頻率的三倍頻波動(dòng)，特別是當(dāng)調(diào)制比高負(fù)載功率因數(shù)低時(shí)波動(dòng)更加明顯[6]。平衡因子控制[7]根據(jù)檢測(cè)到的中點(diǎn)電壓和中點(diǎn)電流，預(yù)估出合理的冗余小矢量作用時(shí)間分配比例，使中點(diǎn)電位達(dá)到平衡。當(dāng)中點(diǎn)電位為零時(shí)，使本開(kāi)關(guān)周期內(nèi)中點(diǎn)電流能夠抽走或注入一定的電荷，使中點(diǎn)電位恢復(fù)平衡，但是在高調(diào)制比和較低功率因數(shù)時(shí)補(bǔ)償度依然不夠，導(dǎo)致欠補(bǔ)償，導(dǎo)致中點(diǎn)電位仍出現(xiàn)幅度較大的低頻脈動(dòng)。

圖1 NPC型三電平逆變器電路結(jié)構(gòu)圖

本節(jié)研究了一種新型的基于虛擬中矢量調(diào)制的控制策略，能有效抑制由于中矢量引入的中點(diǎn)電荷不能被小矢量中點(diǎn)電荷完全抵消的問(wèn)題，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該方案的優(yōu)越性。

1 中點(diǎn)電壓不平衡的原因

NPC型逆變器的中點(diǎn)電壓由中點(diǎn)電流和直流電容決定[9]。中點(diǎn)電壓的增大或減小由中點(diǎn)電流的方向決定的。規(guī)定流向負(fù)載為正方向，為正時(shí)，上側(cè)電容充電，下側(cè)電容放電，增大；為負(fù)時(shí)，上側(cè)電容放電，下側(cè)電容充電，減小。

圖2 三電平基本矢量分布圖

如圖2，三電平空間矢量的基本矢量按矢量長(zhǎng)度可以分為四種：零矢量（PPP，OOO，NNN）、小矢量（ONN/POO，PPO/OON，NON/OPO，OPP/NOO，NNO/OOP，POP/ONO）、中矢量（PON，OPN，NPO，NOP，ONP，PNO）和大矢量（PNN，PPN，NPN，NPP，NNP，PNP）。零矢量作用時(shí)直流母線電容并不向負(fù)載供應(yīng)電流，中點(diǎn)電流為零，所以中點(diǎn)電壓不會(huì)變化。6個(gè)大矢量工作時(shí)，負(fù)載電流只流過(guò)正負(fù)母線，兩組串聯(lián)電容的放電充電是同時(shí)進(jìn)行的，所以中點(diǎn)電位也不會(huì)變化。

圖3 小矢量ONN/POO與中點(diǎn)電流關(guān)系

圖4 中矢量PON與中點(diǎn)電流關(guān)系

但當(dāng)6個(gè)小矢量的12個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)和6個(gè)中矢量狀態(tài)工作時(shí)，就存在中點(diǎn)電流，導(dǎo)致中點(diǎn)電位發(fā)生變化。圖3是小矢量ONN和POO作用時(shí)的示意圖。小矢量ONN下，中點(diǎn)電流等于A相電流，稱其為正小矢量；小矢量POO下，中點(diǎn)電流等于B，C相電流互為之和，若負(fù)載無(wú)中線，則中點(diǎn)電流大小與A相電流相同，方向相反，故稱其為負(fù)小矢量。有中點(diǎn)電流就說(shuō)明兩個(gè)串聯(lián)電容有一個(gè)在充電，另一個(gè)在放電，必然造成中點(diǎn)電位不平衡。由于正負(fù)小矢量造成的中點(diǎn)電流方向相反，正負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的作用完全相反。圖4以中矢量PON為例說(shuō)明中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響。中矢量作用時(shí)三相輸出有且僅有一相與O點(diǎn)相連，中點(diǎn)電流即這一相的輸出電流，會(huì)造成中點(diǎn)電位波動(dòng)。

2 中點(diǎn)平衡控制方案比較

基于對(duì)中點(diǎn)電位不平衡根源的分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不少中點(diǎn)電位平衡的控制方法。基于三電平空間矢量調(diào)制方法的中點(diǎn)平衡控制算法主要有滯環(huán)控制法，平衡因子法。

2.1 矢量取舍法

矢量取舍法通過(guò)檢測(cè)中點(diǎn)電流方向和中點(diǎn)電位的正負(fù)對(duì)正負(fù)小矢量進(jìn)行取舍，使中點(diǎn)電壓向零恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位的控制。這種方法思路清晰簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的魯棒性，然而這種控制作用量不精確，中點(diǎn)電位會(huì)產(chǎn)生低頻波動(dòng)，在高調(diào)制比和負(fù)載功率因數(shù)較低時(shí)波動(dòng)幅度較大。

當(dāng)參考矢量仍位于圖5中的位置，假設(shè)此時(shí)中點(diǎn)電流中的正向的A相和C相電流有利于中點(diǎn)平衡，即開(kāi)關(guān)狀態(tài)ONN，PPO有利于中點(diǎn)平衡，而開(kāi)關(guān)矢量POO，OON不利于中點(diǎn)平衡，則舍去開(kāi)關(guān)狀態(tài)POO和OON。

圖5 參考矢量位置

2.2 衡因子法

矢量取舍法對(duì)冗余小矢量采取整體取舍的做法，比較簡(jiǎn)便，但是調(diào)節(jié)作用有些粗略，因此中點(diǎn)電位雖然穩(wěn)定，但是仍會(huì)有較大幅度的波動(dòng)。平衡因子法通過(guò)采樣中點(diǎn)電位和電流，計(jì)算分配小矢量的作用時(shí)間，來(lái)精確補(bǔ)償中點(diǎn)電位的不平衡。

假設(shè)參考矢量位于第一扇區(qū)C區(qū)域，矢量ONN，PNN，PON，POO的作用時(shí)間分別為t1，t2，t3，t4。采用平衡因子法時(shí)，引入平衡因子k。

其中，-1

本次開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)中點(diǎn)電荷量為：

為了使中點(diǎn)能在本開(kāi)關(guān)周期內(nèi)達(dá)到平衡，k必須取合適的值，使Q+ΔQ=0。則可得：

3 基于虛擬中矢量的中點(diǎn)電位控制

基于虛擬中矢量的空間矢量調(diào)制方法為了避免在高調(diào)制比和低功率因數(shù)時(shí)中點(diǎn)電位波動(dòng)過(guò)大，引入虛擬中矢量來(lái)限制中矢量的作用時(shí)間，以免單個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)中矢量引入中點(diǎn)電流超出了小矢量的補(bǔ)償能力。

在第一扇區(qū)，用正小矢量ONN，PPO和中矢量PON來(lái)合成虛擬中矢量來(lái)代替原來(lái)的中矢量。小矢量ONN引入的中點(diǎn)電流為ia，PON引入的電流為ib，PPO對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流為ic。若系統(tǒng)無(wú)中線，ia+ib+ic=0。虛擬中矢量引入的平均中點(diǎn)電流為：

因此虛擬中矢量完全不會(huì)引入中點(diǎn)電流，即不會(huì)造成中點(diǎn)電位波動(dòng)。所以用這個(gè)中矢量來(lái)代替原來(lái)的中矢量，就能避免因?yàn)橹惺噶恳氲闹悬c(diǎn)電荷不能完全被小矢量的抵消而造成的中點(diǎn)電位波動(dòng)。采用虛擬中矢量后，扇區(qū)內(nèi)的小區(qū)間劃分也隨之改變，如圖6，可以分為5個(gè)小區(qū)間。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

在Matlab/simulink建立NPC三電平逆變器的仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 NPC三電平逆變器仿真模型參數(shù)

由仿真結(jié)果可以看出，矢量取舍法能保持中點(diǎn)電位穩(wěn)定，但存在三倍頻脈動(dòng)，峰峰值接近50 V，相對(duì)于60 V的直流母線電壓很大，可見(jiàn)這種控制方案有很大的局限性。平衡因子法的控制效果明顯好于前面兩種方法，中點(diǎn)電位基本都在±6 V以內(nèi)，但是中點(diǎn)電位低頻脈動(dòng)依然存在，波動(dòng)幅度相對(duì)于60 V的直流母線電壓仍然比較大，這是因?yàn)檎{(diào)整冗余小矢量的作用時(shí)間已經(jīng)不足以補(bǔ)償中點(diǎn)電位的變化?；谔摂M中矢量的空間矢量調(diào)制大大改善了中點(diǎn)電位控制效果，波動(dòng)峰峰值小于1 V。

圖7 三種控制方法下中點(diǎn)電位的波動(dòng)情況

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證以上分析特別是基于虛擬中矢量SVPWM抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)的有效性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由NPC型三電平逆變器主電路和dSPACE系統(tǒng)組成，逆變器的各項(xiàng)參數(shù)與仿真模型相同，見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制部分用dSPACE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。逆變器主電路選用英飛凌的IGBT模塊BSM100GB1200N2K和IXYS的快恢復(fù)二極管DSEI2×61-12B。為了降低干擾對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光纖發(fā)送。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生板4201FPGA開(kāi)發(fā)板上加入過(guò)流保護(hù)，以利用FPGA響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直流母線過(guò)壓及過(guò)流保護(hù), 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8。

圖9是采用三種控制方法下的中點(diǎn)電位的波動(dòng)情況，結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相符。矢量取舍控制能保證中點(diǎn)電位的穩(wěn)定，但是中點(diǎn)電位存在劇烈波動(dòng)，這都是因?yàn)橹惺噶恳氲闹悬c(diǎn)電荷不能被精確的抵消，平衡因子法能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)中矢量中點(diǎn)電流的精確補(bǔ)償，但是在高調(diào)制比和低功率因數(shù)時(shí)，中矢量的中點(diǎn)電流超出了小矢量的補(bǔ)償能力，仍然不能避免中點(diǎn)電位的大幅波動(dòng)?；谔摂M中矢量的空間矢量調(diào)制方法，從根本上解決了中小矢量引入中點(diǎn)電流造成中點(diǎn)電位波動(dòng)的問(wèn)題，大幅抑制了中點(diǎn)電位的波動(dòng)，波動(dòng)峰峰值降低到不足4 V。

圖8 NPC型三電平逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖9 三種控制方法下中點(diǎn)電位的波動(dòng)情況

5 結(jié)論

本文首先分析了NPC型三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的原因，明確了各個(gè)矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響。比較了常見(jiàn)的控制策略，從中點(diǎn)電位穩(wěn)定性和中點(diǎn)電位低頻脈動(dòng)的角度進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了基于虛擬中矢量調(diào)制的控制策略，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該方案有的有效性。

[1] Nabae A, Takahashi I, Akagi H. A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter[J]. Industry Applications, IEEE Transactions on. 1981, IA-17(5): 518-523.

[2] 何湘寧, 陳阿蓮. 多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[3] 劉鳳君. 多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007: 397.

[4] 李永東，肖曦，高躍. 大容量多電平變換器原理·控制·應(yīng)用[M]. 北京市: 科學(xué)出版社, 2005: 255.

[5] 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.

[6] 姜衛(wèi)東, 王群京, 李爭(zhēng), 王智, 陳權(quán). 中點(diǎn)電壓偏移對(duì)SVM控制的三電平逆變器的影響及補(bǔ)償措施[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2006, 21(9): 76-80.

[7] 苑春明．三電平變換器SVPWM關(guān)鍵技術(shù)研究.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2008

[8] Busquets-Monge S, Bordonau J, Boroyevich D, et al. The nearest three virtual space vector PWM-a modulation for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter[J]. Power Electronics Letters, IEEE. 2004, 2(1): 11-15.

[9] Pou J, Pindado R, Boroyevich D, et al. Evaluation of the low-frequency neutral-point voltage oscillations in the three-level inverter[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on. 2005, 52(6): 1582-1588.

Study on neutral point potential balance control of three-level inverter based on virtual medium-vector

Chen Miao1, Su Zhaokui2, Peng Xin1, Ouyang Hui1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064；2. State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment, China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518172)

TM464

A

1003-4862（2022）12-0042-04

2011-11-26

陳淼（1976-），女，高級(jí)工程師。從事艦船電力系統(tǒng)試驗(yàn)和研究。E-mail: wh4001@163.com