一種三電平逆變器中點電壓平衡控制方法

一種三電平逆變器中點電壓平衡控制方法

1基于三角等空間電壓矢量調(diào)制的中點電壓平衡控制方法眾所周知，中點三平流器存在著中點電壓波動問題，引起了人們的關(guān)注，并提出了各種中點電壓控制方法。電平逆變器電路如圖1所示,每相輸出都可以連接到正(P)、負(N)或者直流母線中性點(O),逆變器的開關(guān)狀態(tài)可用圖2所示空間矢量圖說明,所有空間矢量可以分類為零矢量、小矢量(內(nèi)六邊形的頂點)、中矢量(外六邊形邊的中點)和大矢量(外六邊形的頂點),零矢量和小矢量都有冗余開關(guān)狀態(tài)。工作矢量為小矢量或中矢量意味著三相負載的一相或者兩相被連接到中性點,這將導致引起中點電壓波動的中點電流。每對冗余小矢量產(chǎn)生的輸出線電壓是相同的,但引起的中點電流極性卻相反。中點電壓控制的關(guān)鍵就在于采用合適的小矢量產(chǎn)生期望極性的平均中點電流來平衡電容電壓。迄今為止,解決中點鉗位式三電平逆變器中點波動問題的中點電壓平衡方法都是基于三角載波調(diào)制,或基于空間電壓矢量調(diào)制。文獻從空間矢量的角度全面分析了各開關(guān)狀態(tài)和負載電流對中點電壓平衡的影響,但并沒有給出有效的中點電壓平衡控制方法。文獻提出的基于空間矢量調(diào)制的中點控制方案是一種有效的中點控制方法,但是其實現(xiàn)方法相當繁復。文獻基于三角載波調(diào)制對中點波動進行了深入的研究,提出了一種在給定參考電壓中加入了零序電壓的控制方法,使得電壓不平衡為零,并給出了這種控制方式下的可控區(qū)域。但是這種方法需要知道電機電流的功率因數(shù)角,這在動態(tài)過程中是很難得到的,并且所提出的控制方案頗為復雜,不利于計算機的數(shù)字實現(xiàn)。本文首先分析了空間電壓矢量調(diào)制方式下的三相負載電流流進和流出中點對于中點電位的影響,給出了平均中點電流模型,然后基于三角載波調(diào)制和空間矢量調(diào)制兩類調(diào)制方法的本質(zhì)聯(lián)系,提出了一種新的中點電壓平衡控制方法,這種方法只需電容電壓和負載三相電流信息,控制算法簡便易行,有利于計算機數(shù)字實現(xiàn)。最后對所提出的控制方法進行了仿真與實驗研究,結(jié)果證實了本控制方法的有效性。2中點電位平衡控制對于小矢量和中矢量,三相負載的一相或者兩相被連接到中性點,這將產(chǎn)生引起中點電壓波動的中點電流(inp),中矢量有一相電流連接到中點,因此使得中點電位在一定程度上依賴于負載條件。三相逆變器每個橋臂的輸出共有三種狀態(tài),正電平(P)、負電平(N)和零電平(O),因此可以設(shè)逆變器的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)為式中Sx=-1,0,1,x=a,b,c對于任一相橋臂,當該橋臂連接到中性點時,即Sx(t)=0時,此相負載電流會通過鉗位二極管流入到中性點,所以流入到中性點電流的瞬時值可以表示為inp(t)=[1-abs(Sa)]·ia+[1-abs(Sb)]·ib+[1-abs(Sc)]·ic=-abs(Sa)·ia-abs(Sb)·ib-abs(Sc)·ic(2)此中性點電流流經(jīng)直流電容,必將造成直流電容電壓的波動,所以中點電位平衡控制的任務就是要在一個控制周期Ts中控制流經(jīng)中點的平均中點電流為零,使得在每個控制周期中直流電容電壓的變化為零。3基于空間向量調(diào)理與三角形波調(diào)用性質(zhì)的中點控制策略3.1角濾波器中的三角模型眾所周知,對于傳統(tǒng)兩電平逆變器三相無中線系統(tǒng),如果在SPWM正弦調(diào)制波里適當注入三次諧波(一種零序分量),就可以得到和空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)相同的輸出線電壓,而SVPWM則相當于在正弦波上疊加了一個零序分量然后進行規(guī)則采樣后的結(jié)果。但是不能簡單地把零序分量歸結(jié)為三次諧波,尤其在系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)過程中,調(diào)制波的相位和幅值都在發(fā)生變化,有時甚至調(diào)制波形為非正弦。在三電平逆變器系統(tǒng)中也有類似的結(jié)論,下面就這個問題作進一步的分析。設(shè)一個三角載波PWM周期內(nèi)的工作情況如圖3所示,其中,為三相參考調(diào)制波,Vc1、Vc2為三角載波,根據(jù)三角載波和參考調(diào)制波的比較關(guān)系,可以得到三相橋臂的開關(guān)狀態(tài),也即對應于三相橋臂的動作時序。從SVPWM的角度仔細分析這個三相橋臂的動作時序,可以發(fā)現(xiàn)該模式對應于圖2所示第2扇區(qū)的B三角形的空間矢量合成時序(這里以中矢量PNO為起始沿逆時針每60°依次定義為扇區(qū)1、2、…、6),這個關(guān)系實際上已經(jīng)定性地體現(xiàn)了三電平逆變器三角載波PWM和SVPWM之間的某種聯(lián)系。需要說明的是,圖3中的所有參量都經(jīng)過了歸一化處理。設(shè)合成目標參考矢量的三個空間矢量PPO(OON)、PPN、OPN的作用時間分別是2T0、2T1和2T2,T=Ts/2,系數(shù)k是T0的分配因子。在上述參量已知情況下可以得出SVPWM的隱含三相調(diào)制函數(shù)設(shè)Va、Vb和Vc為正弦參考給定電壓信號,根據(jù)規(guī)則采樣及伏秒平衡原則,可以得出將式(6)、式(7)、式(8)代入式(3)、式(4)、式(5),可以得到由式(12)可以看出,分配因子k在0～1之間變化,對應于三角載波中Vz的變化,k可以是個定值,也可以是隨時間變化的量,隨著k取不同的值,產(chǎn)生的PWM模式也不同。該式與兩電平方式下的三角載波PWM、SVPWM之間關(guān)系的表達式幾乎完全一致,唯一不同的就是零矢量的意義不一樣。由上述分析得出,三電平空間矢量調(diào)制(SVPWM)可以通過對三角載波調(diào)制加入適當?shù)牧阈蚍至縼韺崿F(xiàn),另一方面,三角載波調(diào)制可以通過適當選擇冗余開關(guān)矢量的分配因子由SVPWM來實現(xiàn),這兩種脈寬調(diào)制方式之間存在著內(nèi)在的必然聯(lián)系。3.2中點電壓控制方程最常見也最為常用的就是通過滯環(huán)控制調(diào)整冗余小矢量的作用時間,這是一種定性粗略的調(diào)節(jié)方案,并且這種方案的實際控制效果和負載功率因數(shù)有很大關(guān)系,功率因數(shù)越低,其中點控制效果越不理想。冗余小矢量總是成對出現(xiàn),每對矢量產(chǎn)生同樣的線電壓,然而產(chǎn)生的中點電流方向卻不同,對于中點電壓的影響剛好相反。調(diào)整小矢量的作用時間即調(diào)整該冗余小矢量對的分配因子,由上一節(jié)我們知道,這種調(diào)整分配因子的SVPWM方法可以通過對三角載波調(diào)制加入適當?shù)牧阈蚍至縼韺崿F(xiàn),因此中點電壓控制的任務就可以轉(zhuǎn)化為找到合適的零序電壓分量,精確調(diào)整冗余小矢量的作用時間,以實現(xiàn)中點電壓的穩(wěn)定。由第2節(jié)中對中點電流的分析知道,欲使每個控制周期中直流電壓的變化為零,則需在一個控制周期Ts中控制流經(jīng)中點的平均中點電流為零,由式(2)并考慮到圖3所示三相橋臂開關(guān)狀態(tài),同時假定一個控制周期Ts內(nèi)三相負載電流不變,分別為Ia、Ib、Ic,則可以得出當參考矢量位于第2扇區(qū)B三角形中時,一個控制周期里平均中點電流為且有根據(jù)上一節(jié)的分析,將式(14)、式(15)、式(16)代入式(13)并令I(lǐng)np=0,可得到式(17)就是平均意義上的中點電壓控制方程,根據(jù)此式得出的零序分量加入到參考調(diào)制波和中,即可以實現(xiàn)精確調(diào)整冗余小矢量的時間分配,達到中點電位平衡的目的。式(17)是在參考矢量位于第2扇區(qū)B三角形中時得出的,當位于A、C、D三角形中時中點電壓控制方程表達式一樣。需要指出,當參考矢量位于A和C三角形中時加入零序分量后三相參考調(diào)制波的中間一相(此處指Vb)可能會發(fā)生極性跳變,此時應根據(jù)實際跳變情況計算跳變后的零序分量V0。當參考矢量位于其他扇區(qū)時,同理可以得出相應的中點電壓控制方程。3.3中點電壓控制策略在系統(tǒng)實際運行過程中,中點電位可能偏離平衡點位置,或者電容的初始電壓不相等,這時應施加適當?shù)闹悬c零序控制電壓以控制平均中點電流,使得在一個控制周期Ts內(nèi)中點電壓盡量向平衡點變化。設(shè)每個控制周期中測得兩個直流電容電壓的偏差為則平均注入的中點電流與電容電壓變化的關(guān)系為式中C1為直流電容值,如圖1所示。這時施加控制后流入中點的中點電流并非為零,而應為根據(jù)式(13),并令I(lǐng)np=Inp0,得式(21)就是系統(tǒng)實際運行中平均意義上的中點電壓控制方程,同理當參考矢量位于其他扇區(qū)時,可以得出相應的中點電壓控制方程。3.4約束條件分析控制中點平衡所需零序分量V0是以Inp=0為條件得出的,但實際可加入到參考調(diào)制波的零序分量還將受到調(diào)制波幅值的限制,必須滿足如下約束條件式中x=a,b,c參考矢量位于第2扇區(qū)時,參考調(diào)制電壓為式(3)、(4)、(5),零序分量為式(17),據(jù)此可以對上述約束條件進行分析。滿足約束條件的零序分量,被加入到參考調(diào)制波中,平均中點電流可以被控制到零,中點電位波動可以完全得到抑制。不能滿足約束條件的零序分量,此時只能在約束條件的限制下盡可能大的加入零序分量,以使得流入中點的中點電流盡可能小,中點電位波動可以得到改善,但是不能夠得到完全抑制。4電機動態(tài)中點控制為了驗證本文提出的中點平衡控制算法的有效性,針對三相阻感負載進行了仿真研究。所采用的對稱三相負載參數(shù)為:電阻值為12.6Ω,電感值為20mH,直流電容C1=C2=220μF,系統(tǒng)的直流側(cè)電壓為2000V,控制周期為400μs,基波頻率為50Hz。圖4和圖5分別給出了系統(tǒng)輸出頻率為40Hz、調(diào)制深度為0.8和輸出頻率為25Hz、調(diào)制深度為0.5時的運行波形,圖中t=0.04s之前沒有施加中點控制,之后施加控制,由此比較了中點電壓波動情況?？梢钥闯鑫词┘涌刂浦爸悬c直流電壓有較大的波動,加入了中點控制算法以后,電容電壓波動得到了有效的抑制。圖6給出了輸出頻率為50Hz、調(diào)制深度為1.0有中點電位控制時的系統(tǒng)運行波形?？梢钥闯?此時系統(tǒng)運行于中點非完全可控狀態(tài),這可以由參考給定調(diào)制波形看出,波形出現(xiàn)了平頂狀態(tài),即控制量被限幅在約束條件以內(nèi)。此時中點平衡控制算法可以減小中點電壓波動,但是不能夠得到完全的平衡。圖7給出了設(shè)定輸出頻率為30Hz、調(diào)制深度為0.6沒有中點控制和有中點控制時的電機起動實驗中點波動波形,三相異步電機參數(shù)為:380V,Y接法,3kW?？梢钥闯?系統(tǒng)有效控制了電機起動過程中的中點波動。圖8為運行中的電機線電壓波形。圖9為電機運行過程中施加控制前后的中點波形。由以上結(jié)果看出,本文所提出的中點電位平衡控制算法是正確有效的。5基于三角載荷的雙網(wǎng)融合控制算法本文研究了三電平逆變器三角載波調(diào)制和空間矢量調(diào)制(S