三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡的綜合控制策略

曹國鋒　王然風(fēng)　孟潤(rùn)泉

摘 要： 三電平逆變電路普遍存在中點(diǎn)電位不平衡的問題，中點(diǎn)電位的不平衡主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：中點(diǎn)電位偏移和中點(diǎn)電位波動(dòng)?；趥鹘y(tǒng)的SVPWM算法，通過分析造成中點(diǎn)電位不平衡的原因，提出了前饋控制+反饋控制的綜合控制策略。該方法通過采集兩個(gè)電容電壓和三相負(fù)載電流的實(shí)時(shí)值，通過切換函數(shù)的不同值來選擇不同的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位平衡的綜合控制。仿真實(shí)驗(yàn)證明了此綜合控制策略控制精度高，并且不會(huì)出現(xiàn)中點(diǎn)電位偏移的問題，很好地控制了中點(diǎn)電位的平衡，彌補(bǔ)了在只有反饋控制策略下電壓波動(dòng)幅值較大的缺點(diǎn)，達(dá)到了很好的效果。

關(guān)鍵詞： 三電平逆變器； 中點(diǎn)電位； 平衡控制； SVPWM算法

中圖分類號(hào)： TN710?34； TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0165?05

Abstract： Neutral point potential imbalance commonly exists in the three?level inversion circuit. The neutral point potential imbalance is mainly reflected in two aspects： neutral point potential offset and neutral point potential fluctuation. According to the analysis of the cause of the neutral point potential imbalance， an integrated control strategy containing feed?forward control and feed?back control is put forward on the basis of traditional SVPWM algorithm. By collecting the real?time values of two capacitance voltages and three?phase load currents， different control strategies are selected by switching different values of the function， so as to realize the integrated control of the neutral point potential balance. The simulation experiment results show that the control precision of the integrated control strategy is high， the offset of neutral point potential will not occur， and this strategy can control neutral point potential effectively and avoid big voltage fluctuation amplitudes that appear in the strategy with only feed?back control.

Keywords： three?level inverter； neutral point potential； balance control； SVPWM algorithm

0 引 言

在三電平逆變電路中，每個(gè)主開關(guān)器件在關(guān)斷時(shí)承受的電壓僅僅等于直流側(cè)電壓的一半，這使得它廣泛地應(yīng)用于高壓大容量的場(chǎng)合，并且由于三電平逆變電路增加了輸出的電平數(shù)，使輸出的電壓波形更接近正弦波，因此輸出電壓的諧波含量減少了很多，同時(shí)也降低了輸出電壓的跳變。但是三電平逆變電路也存在一些問題，例如：控制算法的復(fù)雜性增加以及普遍存在的中點(diǎn)電位不平衡等問題。中點(diǎn)電位的不平衡會(huì)使電路中IGBT的耐壓裕度大大降低，同時(shí)還會(huì)使輸出電壓波形畸變等，所以研究控制三電平逆變電路的中點(diǎn)電位平衡尤為重要。

控制中點(diǎn)電位平衡的方案可以分為硬件方案和軟件方案?；谟布桨竿ǔＰ枰黾宇~外的電源，增大電容等，這通常會(huì)增大逆變器的體積、增加硬件成本，所以常采用軟件方案；軟件方案主要在于改變控制策略。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)中點(diǎn)電位不平衡的問題進(jìn)行了很多研究。文獻(xiàn)[1?3]提出了滯環(huán)控制策略，當(dāng)中點(diǎn)電位超出所設(shè)置的滯環(huán)區(qū)間時(shí)，通過切換短矢量組合來達(dá)到平衡中點(diǎn)電位的目的，該控制方法控制簡(jiǎn)單，但是存在控制盲區(qū)。文獻(xiàn)[4?5]提出了精確控制策略，能很好地解決中點(diǎn)電位偏移的問題，但是電壓波動(dòng)幅值仍需改善。文獻(xiàn)[6?7]提出了模糊控制策略，實(shí)際效果較好，但是控制算法較復(fù)雜。文獻(xiàn)[8?9]提出了虛擬空間矢量控制策略，該控制在每個(gè)采樣周期內(nèi)的開關(guān)損耗較大，開關(guān)頻率較高。

為了彌補(bǔ)上述中反饋控制的不足，基于中點(diǎn)電位平衡控制理論基礎(chǔ)，提出了前饋控制+反饋控制的綜合控制策略。此綜合控制策略通過切換函數(shù)的不同值來切換選擇不同的控制策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位的平衡控制。此綜合控制可以有效地消除前饋控制策略中由于存在控制盲區(qū)而造成的中點(diǎn)電位偏移，同時(shí)也改善了在反饋控制策略中，存在中點(diǎn)電位控制精度低、波動(dòng)幅值大的問題，具有很重要的工程意義。

1 中點(diǎn)電位不平衡的理論分析

圖1為三電平逆變電路圖，采用的是SVPWM控制法，其開關(guān)狀態(tài)可用圖2所示的空間矢量圖表示。在空間矢量圖中以PNN為起始沿逆時(shí)針將其等分成6個(gè)扇區(qū)，如圖3所示將每個(gè)扇區(qū)劃分為6個(gè)小三角形。

本文以第一扇區(qū)為例說明，如圖3所示?；趥鹘y(tǒng)的SVPWM算法，當(dāng)參考矢量位于第一扇區(qū)的第5個(gè)小三角形中時(shí)，合成參考電壓矢量時(shí)需要選[VS1]，[VL1]，[VM]三個(gè)基本矢量。endprint

在實(shí)現(xiàn)三電平SVPWM算法中，如表1所示，不同的基本矢量和開關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流會(huì)造成不同的影響，同時(shí)也必然會(huì)引起中點(diǎn)電位變化。

2 中點(diǎn)電位平衡控制策略

2.1 前饋控制策略

事實(shí)上，造成中點(diǎn)電位不平衡最重要的原因是在一個(gè)控制周期內(nèi)流入和流出中點(diǎn)的總電荷量不守恒。所以基于上述理論，若要實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡，就要保證每個(gè)控制周期內(nèi)流入和流出中點(diǎn)的總電荷量等于零。

以第一扇區(qū)為例，假設(shè)當(dāng)參考矢量在第一扇區(qū)的第5個(gè)小三角形中時(shí)，其開關(guān)序列、中點(diǎn)電流、中點(diǎn)電流的作用時(shí)間對(duì)應(yīng)圖如圖4所示。

所以在一個(gè)控制周期內(nèi)流入中點(diǎn)的總電荷量為：

[ΔQ=ia×T1×2k-1+ib×T3] （1）

式中：[ia]，[ic]分別為三相負(fù)載電流；k為起始矢量的占空比。

為了控制中點(diǎn)電位平衡，需使[ΔQ=0]來求取分配因子k。k的取值范圍為[0，1]，當(dāng)k≥1時(shí)，取k=1；當(dāng)k≤0時(shí)，取k=0。

所以在中點(diǎn)電位的平衡控制中，冗余小矢量對(duì)的時(shí)間分配因子k不僅受平衡條件制約，還受約束條件[0，1]制約。如果用平衡條件所求的分配因子在約束條件[0，1]內(nèi)，則冗余小矢量對(duì)的作用時(shí)間通過此分配因子的調(diào)整，可以保證一個(gè)控制周期內(nèi)的中點(diǎn)電位平衡。如果用平衡條件所求的分配因子不在約束條件[0，1]內(nèi)，則冗余小矢量對(duì)的作用時(shí)間通過此分配因子的調(diào)整，不能保證一個(gè)控制周期的中點(diǎn)電位平衡。此時(shí)只能取上述約束條件的上下限，保證盡量少的電荷量流入到中點(diǎn)。這時(shí)中點(diǎn)電位的平衡控制就會(huì)存在誤差，并且多個(gè)周期的誤差進(jìn)行積累后，會(huì)造成中點(diǎn)電位偏移。

綜述所述，前饋控制精度較高，但一段時(shí)間后中點(diǎn)電位會(huì)出現(xiàn)偏移。并且在以后的控制周期中，前饋控制策略不具有將中點(diǎn)電位拉回到平衡點(diǎn)的能力。

2.2 反饋控制策略

反饋控制策略是通過實(shí)時(shí)采樣電容電壓和三相負(fù)載電流，來對(duì)冗余小矢量對(duì)的時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)分配調(diào)整，使中點(diǎn)電位在每個(gè)控制周期[TS]內(nèi)都盡可能地向平衡點(diǎn)靠攏，從而對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行平衡控制。

如果一個(gè)控制周期內(nèi)，測(cè)得兩個(gè)電容電壓分別為[UC1]，[UC2]，則直流側(cè)電容電壓偏差值為：

為了抵消造成電容不平衡的電荷，需在下個(gè)控制周期[TS ]內(nèi)，控制流入到直流側(cè)中點(diǎn)電荷量為：

其余扇區(qū)和小三角形通過同樣的方法來求取分配因子。

在反饋控制策略中，每個(gè)控制周期都對(duì)電容電壓和負(fù)載電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然后通過計(jì)算對(duì)冗余小矢量對(duì)的作用時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)分配，以達(dá)到中點(diǎn)電位平衡的目的。實(shí)際情況由于電流和電壓的不同相，以及采樣延遲等因素，使得反饋控制策略能夠有效地消除中點(diǎn)電位的偏移問題，但中點(diǎn)電位控制精度低、波動(dòng)大，在實(shí)際應(yīng)用中其控制優(yōu)勢(shì)得不到很好的發(fā)揮。

2.3 前饋控制+反饋控制的綜合控制策略

根據(jù)上述分析可知，前饋控制策略的控制精度高，但是存在中點(diǎn)電位偏移的問題，而反饋控制策略的中點(diǎn)電位波動(dòng)幅值較大，但該控制能夠消除中點(diǎn)電位偏移的問題。本文在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)兩種控制策略的優(yōu)化，提出了一種前饋控制+反饋控制的綜合控制策略，如圖5所示。

構(gòu)造函數(shù)[FU=UC1-UC2-Us]，[ Us]為前饋控制策略的波動(dòng)幅值，切換函數(shù)為：

[FU=1， fU≥0-1， fU<0] （6）

通過切換函數(shù)的不同值來選擇不同的控制策略，當(dāng)切換函數(shù)[FU=-1]時(shí)，選擇前饋控制策略用以保證控制精度。當(dāng)切換函數(shù)[FU=1]時(shí)，切換選擇反饋控制策略用以消除中點(diǎn)電位的偏移。圖6為兩種控制策略的切換圖。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證此綜合控制策略的有效性，用Simulink仿真軟件搭建仿真模型，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)。仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)直流側(cè)電壓為720 V，電容[C1=C2=400 μF]，三相對(duì)稱負(fù)載電阻值為30 Ω，電感值為66 mH，系統(tǒng)輸出頻率[f=50 Hz]，載波頻率[fs=16 kHz]，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7給出了前饋控制中點(diǎn)電位波形圖，中點(diǎn)電位波動(dòng)幅值為1.7 V，前饋控制的控制精度較高，但是在一段時(shí)間后中點(diǎn)電位會(huì)出現(xiàn)偏移。通過曲線擬合可以看出，在0.2 s時(shí)中點(diǎn)電位偏移幅值達(dá)4.5 V；圖8給出了反饋控制中點(diǎn)電位波形圖，中點(diǎn)電位波動(dòng)幅值達(dá)到2.8 V，但是沒有出現(xiàn)中點(diǎn)電位偏移的問題。

圖9給出了前饋控制+反饋控制的綜合控制策略的中點(diǎn)電位波形圖，該控制策略彌補(bǔ)了反饋控制策略下電壓波動(dòng)幅值較大的缺點(diǎn)，中點(diǎn)電位波動(dòng)幅值控制在1.5 V，比精確控制電壓波動(dòng)幅值減小了46%，并且不會(huì)出現(xiàn)中點(diǎn)電位偏移的現(xiàn)象。

圖10～圖12分別給出了三種控制策略下輸出線電壓總諧波失真。前饋控制策略下輸出線電壓總諧波失真達(dá)到了40.45%，反饋控制策略下輸出線電壓總諧波失真為40.06%，而前饋+反饋的綜合控制策略下輸出線電壓總諧波失真僅為40.01%。

4 結(jié) 語

三電平逆變電路中，中點(diǎn)電位不平衡會(huì)使電路中IGBT的耐壓裕度大大降低，影響逆變電路的性能，同時(shí)還會(huì)使輸出電壓波形畸變等，所以研究控制三電平逆變電路中點(diǎn)電位平衡尤為重要。本文通過對(duì)控制策略的優(yōu)化，提出了前饋+反饋的綜合控制策略，能夠更好地抑制中點(diǎn)電位不平衡，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制策略是有效的。

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