雙三電平變頻器直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡策略研究與實(shí)現(xiàn)

馬秀麗 何鳳有

（1.徐州機(jī)電工程學(xué)校，江蘇 徐州 221131；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221131）

1 引言

雙三電平直流側(cè)中性點(diǎn)電壓（簡(jiǎn)稱為中點(diǎn)電壓或中點(diǎn)電位）是由串聯(lián)連接的平波電容器的分壓決定的，所以當(dāng)中性點(diǎn)與網(wǎng)側(cè)某相電壓相連接或者通過(guò)箝位二極管和負(fù)載連接的時(shí)候，電流流經(jīng)中性點(diǎn)，使得中性點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)，此外，在實(shí)際電路中還要考慮到功率器件的開關(guān)特性與平波電容器容量等的離散性所引起的中性點(diǎn)電位的波動(dòng)。如果因?yàn)檫@些原因造成中性點(diǎn)電位波動(dòng)很大，則將因?yàn)檫^(guò)壓而引起功率器件和平波電容的損壞，并導(dǎo)致電壓控制性能下降等。因此研究中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題是雙三電平系統(tǒng)控制的重要組成部分。

2 雙三電平變頻器直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡原理

下面以三電平逆變器為例，分析中點(diǎn)電位波動(dòng)的原理。

圖1 中點(diǎn)電位分析圖

對(duì)于直流母線電容上的電壓有如下關(guān)系

式中，ic1，ic2為流過(guò)電容C1、C2上的電流，其參考方向見圖1；Vc10，Vc20為電容電壓的初始值。

假設(shè)某時(shí)刻工作于穩(wěn)態(tài)，且兩個(gè)電容上的電壓相等，則有

式中，i0為中點(diǎn)電流。

從圖1的開關(guān)模型可以看出，中點(diǎn)電位的不平衡主要是由于中點(diǎn)電流對(duì)直流環(huán)節(jié)的電容充、放電不均，中點(diǎn)電位的波動(dòng)與中點(diǎn)電流的關(guān)系可以表示為

由式（7）可以看出，中點(diǎn)電位與i0密切相關(guān)，隨i0的大小和方向變化而變化。

3 雙三電平變頻器逆變側(cè)中點(diǎn)電壓控制策略

（1）改變S值法

在判斷參考電壓空間矢量位置時(shí)，如果參考電壓空間矢量位于兩個(gè)小六邊形的重疊區(qū)域，此時(shí)S取值不惟一，例如，當(dāng)參考電壓矢量Vr位于圖2所示的位置時(shí)，S=1或者2，其中，Vr_s1、Vr_s2分別為S=1、2時(shí)，校正之后的兩電平參考電壓矢量。

圖2 重疊區(qū)域S值的兩擇性

此時(shí)可以將參考電壓空間矢量由三電平平面化簡(jiǎn)至S=1或者S=2中的任何一個(gè)兩電平平面。如果選擇化簡(jiǎn)至S=1的兩電平平面，則在這個(gè)平面內(nèi)，參考電壓所確定的矢量作用順序?yàn)椋?100)-(10-1)-(00 -1)-(0 -1 -1)。在這個(gè)作用順序中，反組小矢量的作用時(shí)間明顯多于正組小矢量的作用時(shí)間，在這個(gè)矢量作用序列下，電容C1被充電，C2被放電，中點(diǎn)電位將下降；如果選擇化簡(jiǎn)至S=2的兩電平平面，在這個(gè)平面內(nèi)，參考電壓所確定的矢量作用順序?yàn)椋?110)-(100)-(10 -1)-(00 -1)，則反組小矢量的作用時(shí)間少于正組小矢量的作用時(shí)間，在此矢量作用序列下，電容C1被放電，C2被充電，中點(diǎn)電位將上升。

同理對(duì)其他S值的兩電平平面進(jìn)行分析最終可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)S=1、3、5的時(shí)候，電容C1被充電，C2被放電，中點(diǎn)電位將下降；當(dāng)S=2、4、6的時(shí)候，電容C1被放電，C2被充電，中點(diǎn)電位將上升。所以當(dāng)參考電壓空間矢量位于兩電平平面重疊區(qū)域只需要根據(jù)中點(diǎn)電位的波動(dòng)情況相應(yīng)地改變S值即可對(duì)波動(dòng)進(jìn)行有效的抑制。而在程序編寫的時(shí)候，改變S值只需要對(duì)S進(jìn)行簡(jiǎn)單的加減運(yùn)算，結(jié)合所在的兩電平平面的扇區(qū)號(hào)N就可以達(dá)到控制中點(diǎn)電位的目的。

（2）改變小矢量作用時(shí)間法

由以上分析可知，由于中矢量引起的中點(diǎn)電流取決于負(fù)載相位，因此對(duì)于中矢量無(wú)法直接實(shí)施控制，可以做的常常是通過(guò)調(diào)整正負(fù)冗余小矢量的相對(duì)作用時(shí)間，以對(duì)中點(diǎn)電壓偏移進(jìn)行補(bǔ)償。

例如，當(dāng)參考電壓空間矢量位于S=1，N=2時(shí)，如圖3所示。

圖3 改變小矢量作用時(shí)間法示意圖

電壓空間矢量的作用順序?yàn)?/p>

T1N、T2N、T8、T1P分別為對(duì)應(yīng)矢量的作用時(shí)間，由于T1N、T1P對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量在空間上是重合的，是一對(duì)冗余小矢量，對(duì)中點(diǎn)電位造成的影響效果相反。

由于T1N+T1P＝T1，將T1分成兩部分，一份供正組小矢量作用，一份供反組小矢量作用，由于中點(diǎn)電位的波動(dòng)，所以需要對(duì)兩份作用時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如式（8）～（9）所示，加入平衡因子τ(-1≤τ≤1)對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)

所以在獲得中點(diǎn)電位偏差的情況下，針對(duì)偏差的不同情況動(dòng)態(tài)改變正、負(fù)小矢量的作用時(shí)間即可對(duì)中點(diǎn)電位波動(dòng)進(jìn)行抑制。

（3）仿真研究

按照上述所講述的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用Matlab軟件在SIMULINK編寫程序，并進(jìn)行仿真。

仿真參數(shù)如下：對(duì)稱三相負(fù)載參數(shù)電阻R=0.9Ω，電感L=0.04H；直流電壓Ed=538V；直流側(cè)分壓電容C1＝C2＝2200μF ；仿真中系統(tǒng)的輸出頻率為50Hz；調(diào)制系數(shù)為1.0。

仿真結(jié)果如圖4～5。

圖4 加入中點(diǎn)電壓控制之前波形

圖5 加入中點(diǎn)電壓控制之后波形

由圖4和5對(duì)比可見，三電平SVPWM控制算法中加入中點(diǎn)電壓控制之后，電壓、電流波形的正弦度變好，中性點(diǎn)電壓被合理控制在1V范圍內(nèi)。

（4）雙三電平變頻器整流側(cè)中點(diǎn)電壓控制策略

通過(guò)仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一個(gè)開關(guān)序列，在逆變器中和在整流器中，其對(duì)兩個(gè)電容的中點(diǎn)電位的影響恰好相反。所以其對(duì)中點(diǎn)電位的控制方法可以基本沿用逆變側(cè)中點(diǎn)電位控制策略中所述的方法，但是要做一下稍微的改動(dòng)：要在中點(diǎn)電位偏差值的符號(hào)反相后，把數(shù)值送入整流器的中點(diǎn)電位控制單元中。

按照上述所講述的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用Matlab軟件在Simulink編寫程序，并進(jìn)行仿真。

仿真參數(shù)如下：

電源電壓：311V；

電抗器：10mH 0.04?；

直流側(cè)電容：1000μF；

電阻：14?；

直流側(cè)電壓給定：538V。

仿真結(jié)果如圖6，由圖6可以看出，加入中點(diǎn)電壓控制之后，直流側(cè)中點(diǎn)電位的偏差很好地控制在1V范圍之內(nèi)。

圖6 加入中點(diǎn)電壓控制的波形

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為22kW三相異步電機(jī)，系統(tǒng)載波頻率為1kHz，采用V/F控制，測(cè)量?jī)x器采用Agilent MSO6014A型100M模擬數(shù)字混合示波器，電流測(cè)量采用Agilent 1146A電流探頭，電壓測(cè)量采用Agilent 2771A高壓探頭。

22kW異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：

閩東亨達(dá)機(jī)電有限公司，180L-4，PN=22kW，UN=380V，IN=42.5A，fN=50Hz，nN=1470rpm，Rs=0.5257?，Ls=0.1215H，Rr=0.3017?，Lr=0.12158H，Lm=0.1166H。

從圖7可以看出，對(duì)于雙三電平變頻器，在采用了本文的控制策略后直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)較小，電壓正負(fù)半波對(duì)稱度良好，取得了理想的實(shí)驗(yàn)波形。

圖7 中點(diǎn)電位波形（2V/div）

5 結(jié)論

本文對(duì)雙三電平變頻器逆變側(cè)和整流側(cè)分別進(jìn)行直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)分析，提出抑制直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)的控制方法，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行流計(jì)算機(jī)仿真，得出了比較理想的仿真波形；在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)室22kW異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了理想的效果。

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