單相三電平電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中點(diǎn)平衡控制算法

錢月娥，沙友濤，戴 亮，施楊華，王 真

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

三電平結(jié)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有輸出電壓諧波含量少、輸出電壓等級(jí)高、輸出濾波器尺寸小以及開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越多地應(yīng)用在中高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、調(diào)速以及交流調(diào)壓等領(lǐng)域，并逐漸成為研究的熱點(diǎn)課題［1-4］。

直流母線電容的均壓?jiǎn)栴}一直是三電平結(jié)構(gòu)控制器應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題所在。直流母線電壓的中點(diǎn)電位偏移會(huì)對(duì)三電平電路造成多種影響:(1)中點(diǎn)電位偏移會(huì)影響輸出電壓的對(duì)稱性，增加輸出電壓的諧波含量，降低輸出效率，影響輸出性能;(2)中點(diǎn)電位偏移還會(huì)使功率器件承受的電壓應(yīng)力不均衡，提高了主開(kāi)關(guān)管的耐壓要求;(3)中點(diǎn)電位偏移還會(huì)造成直流側(cè)電容耐壓不均勻，降低電容的使用壽命，使三電平驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)向兩電平靠攏甚至退后等。因此，對(duì)于三電平控制器研究中的一個(gè)重要任務(wù)就是中點(diǎn)電位的平衡控制。

目前抑制中點(diǎn)電位偏移的方法主要有硬件和軟件兩大類。硬件方面的方法主要是添加中點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器或添加DC/DC 變換器等，對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行調(diào)節(jié)。這類方法會(huì)增加大量元器件，使驅(qū)動(dòng)器的成本增加，可靠性下降。軟件方面主要有冗余小矢量調(diào)節(jié)［5］、零序分量和低頻分量注入［6-9］、死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償［10］等方法。其中冗余小矢量調(diào)節(jié)法是基于SV -PWM 的控制方法;零序分量和低頻分量注入法是針對(duì)三相三電平電路的控制方法。

本文對(duì)單相三電平SPWM 調(diào)制方式進(jìn)行了詳細(xì)研究，將三相三電平SVPWM 調(diào)制方式中的冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)方法融入到SPWM 調(diào)制方式中，給出一種新型的適用于SPWM 調(diào)制方式的單相三電平電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中點(diǎn)平衡控制方法。本算法屬于軟件方法，不會(huì)增加硬件成本;并且本算法基于SPWM 調(diào)制方法，算法簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，也不會(huì)過(guò)多增加軟件開(kāi)銷。本算法適用于各種單相三電平逆變器產(chǎn)品和級(jí)聯(lián)高壓變頻器產(chǎn)品，在不改變?cè)娐份敵鲭妷杭拜敵鲭娏鞯那闆r下，可以有效地將直流母線中點(diǎn)電位偏移控制在合適的范圍內(nèi)，增加了驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性。。

1 單相三電平驅(qū)動(dòng)器電路結(jié)構(gòu)及其開(kāi)關(guān)狀態(tài)

單相二極管嵌位型三電平驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單相三電平驅(qū)動(dòng)器電路結(jié)構(gòu)

圖1 中，M 表示負(fù)載電機(jī)，UPN表示總的直流母線電壓，UON表示直流側(cè)中點(diǎn)電壓，Io表示中點(diǎn)電流，Iout表示負(fù)載電流，電流正方向如圖1 中所示。圖1中直流側(cè)的中點(diǎn)電壓UON可以通過(guò)硬件電阻分壓的方式進(jìn)行檢測(cè);負(fù)載電流Iout需要通過(guò)電流霍爾檢測(cè)，以確定電流方向。這些檢測(cè)回路在普通逆變器和變頻器產(chǎn)品中都已存在，無(wú)需額外添加。

根據(jù)SPWM 調(diào)制方式的調(diào)制原理，單相三電平驅(qū)動(dòng)器的每個(gè)橋臂有三種有效狀態(tài)，用三態(tài)開(kāi)關(guān)Sx(x=L，R;L 表示左橋臂，R 表示右橋臂)表示。Sx=P 表示開(kāi)關(guān)器件1、2 開(kāi)通，3、4 關(guān)斷;Sx=O 表示開(kāi)關(guān)器件2、3 開(kāi)通，1、4 關(guān)斷;Sx=N 表示開(kāi)關(guān)器件3、4 開(kāi)通，1、2 關(guān)斷。左右橋臂組合，共有九種有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)。設(shè)正常情況下直流母線電壓UPN=2E，則各對(duì)應(yīng)有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，單相三電平控制器的輸出電壓和中點(diǎn)電流方向如表1 所示。

表1 各有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)下輸出電壓和中點(diǎn)電流方向

從表1 可以看出，9 種不同的有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)共對(duì)應(yīng)了五種輸出電壓E，2E，0，-E，-2E，其中僅僅輸出電壓為2E 及-2E 時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是唯一不重復(fù)的，輸出電壓為E，-E 和0 時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別有多種，也就是有冗余，在不影響輸出電壓的情況下，冗余狀態(tài)可以互相替換。從表1 中還可以看出，開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別為P 和N，N 和P，P 和P，O 和O，N 和N時(shí)，中點(diǎn)電流才為零，這時(shí)的中性點(diǎn)電位變化不會(huì)受負(fù)載電流影響;開(kāi)關(guān)狀態(tài)為P 和O，O 和N，O 和P，N 和O 時(shí)，會(huì)有中點(diǎn)電流注入或流出直流側(cè)中點(diǎn)處，從而影響中點(diǎn)電位，在此將上述四種開(kāi)關(guān)狀態(tài)稱為中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)。本方法正是利用上述中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)三電平驅(qū)動(dòng)器的中點(diǎn)電位進(jìn)行控制。中點(diǎn)電流方向與負(fù)載電流方向有關(guān)，圖2 為負(fù)載電流為正時(shí)，Sx= PO，ON，OP，NO 四種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下三電平驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化電路。

圖2 四種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下三電平驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化電路

從圖2 中可以看出，Iout為正時(shí)，PO 和NO 狀態(tài)會(huì)對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)注入電流，從而提高中點(diǎn)電位;OP和ON 狀態(tài)會(huì)從直流側(cè)中點(diǎn)流出電流，從而降低中點(diǎn)電位。Iout為負(fù)時(shí)則相反，PO 和NO 狀態(tài)會(huì)降低中點(diǎn)電位，OP 和ON 狀態(tài)會(huì)提高中點(diǎn)電位。本中點(diǎn)平衡控制算法就是根據(jù)當(dāng)前中點(diǎn)電位狀態(tài)和負(fù)載電流方向，選擇合適的中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)互相替換，對(duì)SPWM的調(diào)制結(jié)果進(jìn)行修正，從而對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)電位進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 基于SPWM 調(diào)制方式的單相三電平驅(qū)動(dòng)器中點(diǎn)平衡控制算法

本中點(diǎn)平衡控制算法適用于SPWM 調(diào)制方式，由于單相三電平驅(qū)動(dòng)器有多種SPWM 調(diào)制方法，具體的控制方案需要根據(jù)具體的調(diào)制方法來(lái)確定。下面以雙載波層疊SPWM 調(diào)制方式為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖3 即為雙載波層疊SPWM 調(diào)制方式原理圖。該調(diào)制方式有兩個(gè)調(diào)制波和兩個(gè)載波，左右調(diào)制波分別控制左橋臂和右橋臂，兩個(gè)調(diào)制波大小相等，相位相差180°(正負(fù)相反);上下載波分別控制每個(gè)橋臂的1、3 和2、4 開(kāi)關(guān)器件，兩個(gè)調(diào)制波大小相等，上下平移得到。由于開(kāi)關(guān)器件1、3 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，2、4 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，所以僅需控制VL1，VL2，VR1，VR2 四個(gè)開(kāi)關(guān)器件即可。

圖3 雙載波層疊SPWM 調(diào)制原理及其調(diào)制信號(hào)

如圖3 所示，根據(jù)雙載波層疊SPWM 調(diào)制方式的工作原理，在一個(gè)調(diào)制周期的前半周期，只有OO，ON，PO，PN 四種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。其中ON 和PO 是可調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位的中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且在前半周期會(huì)交替出現(xiàn);同理，調(diào)制波后半周期的四個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)為OO，OP，NO 和NP，其中OP 和NO 是可調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位的中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且在后半周期會(huì)交替出現(xiàn)。所以在調(diào)制波前半周期中可以通過(guò)ON 和PO 狀態(tài)互換來(lái)調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓;在調(diào)制波后半周期可以通過(guò)OP和NO 狀態(tài)互換來(lái)調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓。

下面給出基于SPWM 調(diào)制方式的單相三電平驅(qū)動(dòng)器中點(diǎn)平衡控制算法的具體步驟:

(1)中點(diǎn)電位平衡控制使能判斷:中點(diǎn)電壓與1/2 直流母線電壓進(jìn)行比較，采用滯環(huán)比較方式，若中點(diǎn)電壓超出逆變器允許的波動(dòng)范圍，則給出中點(diǎn)電位平衡控制使能信號(hào);若中點(diǎn)電壓回到穩(wěn)定范圍，則取消中點(diǎn)電位平衡控制使能信號(hào);

(2)對(duì)三電平電路進(jìn)行正常的SPWM 調(diào)制，得到各橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)。若中點(diǎn)電位平衡控制使能，則根據(jù)中點(diǎn)電位和負(fù)載電流方向，選擇合適中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)，對(duì)SPWM 調(diào)制結(jié)果進(jìn)行修正;

(3)若需要提高直流母線中點(diǎn)電壓且負(fù)載電流方向?yàn)檎?，則用PO 狀態(tài)替代ON 狀態(tài)，用NO 狀態(tài)替代OP 狀態(tài);

(4)若需要提高直流母線中點(diǎn)電壓且負(fù)載電流方向?yàn)樨?fù)，則用ON 狀態(tài)替代PO 狀態(tài)，用OP 狀態(tài)替代NO 狀態(tài);

(5)若需要降低直流母線中點(diǎn)電壓且負(fù)載電流方向?yàn)檎?，則用ON 狀態(tài)替代PO 狀態(tài)，用OP 狀態(tài)替代NO 狀態(tài);

(6)若需要降低直流母線中點(diǎn)電壓且負(fù)載電流方向?yàn)樨?fù)，用PO 狀態(tài)替代ON 狀態(tài)，用NO 狀態(tài)替代OP 狀態(tài)。

3 控制算法仿真驗(yàn)證

本文使用Simulink 軟件對(duì)上述控制算法進(jìn)行仿真，主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。取直流側(cè)電容C1=18 mF 且C2=18 mF，負(fù)載電感取39 mH，負(fù)載電阻取1.765 Ω，開(kāi)關(guān)頻率為1 kHz，基波頻率為50 Hz;直流母線電壓UPN=1 600 V(直流)。

采用直流側(cè)電容參數(shù)不一致的方式使中點(diǎn)電位發(fā)生偏移，取電容偏差值為10%，C1=18 mF，C2=16.2 mF。分別用常規(guī)SPWM 控制方式和加入中點(diǎn)電位平衡控制算法的控制方式進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4 ～圖9 所示。

圖4 常規(guī)SPWM 控制方式中點(diǎn)電位差

圖5 加入中點(diǎn)平衡控制算法后中點(diǎn)電位差

圖6 常規(guī)SPWM 控制方式輸出電壓

圖7 加入中點(diǎn)平衡控制算法后的輸出電壓

圖8 常規(guī)SPWM 控制方式輸出電流

圖9 加入中點(diǎn)平衡控制算法后的輸出電流

圖4、圖5 是中點(diǎn)電位與直流母線電壓的一半(0.5UPN)相減后得到的曲線?？梢钥闯?，直流側(cè)電容偏差10%后，中點(diǎn)電位偏移了42 V;加入中點(diǎn)平衡控制算法后，兩個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)，中點(diǎn)電位偏差被抑制到0 V 左右，并在后期保持穩(wěn)定。

圖6、圖7 是兩次仿真輸出電壓曲線，圖8、圖9是兩次仿真輸出的電流曲線。顯而易見(jiàn)，加入了中點(diǎn)平衡控制算法后，輸出電壓及輸出電流并沒(méi)有影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，市場(chǎng)上普通的電容精度一般為±10%，當(dāng)2 個(gè)電容的值不完全相等時(shí)，便會(huì)像圖4、圖5 那樣使電路的中點(diǎn)電壓偏移，從而影響電路的性能。若每次都用萬(wàn)用表量取2 個(gè)容量完全相等的電容，既浪費(fèi)時(shí)間，而且很可能測(cè)量到最后都無(wú)法找出2 個(gè)完全等值的電容。若用高精度的等值電容，既增加了硬件電路的成本，也有可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。

采用加入中點(diǎn)平衡的控制算法，不僅能及時(shí)抑制中點(diǎn)電位偏差，以彌補(bǔ)硬件上的不足，還能不影響電路的輸出電壓及電流，從而使得驅(qū)動(dòng)器的性能更加穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于SPWM 調(diào)制方式的針對(duì)單相三電平電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的中點(diǎn)平衡控制的算法，該算法利用SPWM 調(diào)制中的冗余中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前中點(diǎn)電位狀態(tài)和負(fù)載電流方向，選擇合適的中間開(kāi)關(guān)狀態(tài)互相替換，對(duì)SPWM 的調(diào)制結(jié)果進(jìn)行修正，從而對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)電位進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后通過(guò)Simulink 仿真，驗(yàn)證了該算法的有效性。本文提出的中點(diǎn)平衡控制算法計(jì)算簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可以有效地將直流母線中點(diǎn)電位偏移控制在合適的范圍內(nèi)，且不影響原電路的輸出電壓及輸出電流，更增加了驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性。

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