三電平逆變器空間矢量控制算法研究

2012-09-22 03:20:50趙鋼王磊

電氣傳動 2012年11期

趙鋼王磊

（1.天津理工大學自動化學院，天津 300384；2.天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津 300384）

1 引言

二極管鉗位式三電平逆變器由于其自身的優點使其在高壓大功率場合得到廣泛的應用，相對于傳統的兩電平逆變器，由于采用了比兩電平多一倍的器件，開關管兩端的電壓只為直流側的一半，器件的開關頻率相應地降低，所以三電平逆變器適應于中高壓變換器中；其次，相對于兩電平逆變器，三電平逆變器輸出電壓波形接近于正弦，降低了諧波含量。但是，二極管鉗位式三電平逆變器主電路直流側2個電容由于存在充放電現象，導致中性點波動，嚴重時會導致開關器件損壞，所以需要采用相應的算法加以控制。在控制策略方面，二極管鉗位式三電平逆變器多采用空間矢量算法，該算法提高了電壓利用率，減少了輸出電流諧波，并且易于實現［1－2］。

2 二極管鉗位式三電平逆變器主電路拓撲結構分析

圖1 三電平逆變器主電路Fig.1 Three－level inverter main circuit

在圖1中，逆變器直流側電壓為Ud，每相由4個開關管構成，中間2個開關管輔有二極管，這樣每相有3種開關狀態。當T11，T12導通T13，T14關斷，此時輸出電壓為Ud／2，設此時的開關狀態為1；當T12，T13導通T11，T14關斷，此時輸出電壓為0，設此時的開關狀態為0；當T13，T14導通T11，T12關斷，設此時的開關狀態為－1。這樣，逆變器的輸出有27種開關狀態，除去8種無效的狀態后，剩下19種開關狀態。

逆變器輸出的三相空間矢量為

空間矢量包括4種矢量，大矢量，中矢量，小矢量，零矢量：其中大矢量對應輸出2Ud／3的電壓模長，中矢量對應輸出的電壓模長，小矢量對應輸出Ud／3的電壓模長，零矢量對應輸出為0的電壓模長。將各個矢量依次畫出，并將各頂點用虛線相連，組成如圖2所示的內外2個正六邊形。矢量圖包括6個大三角形，每個大三角形又包括4個小三角形。其中，大矢量位于外圍正六邊形的頂點，中矢量位于外圍正六邊形的中點處，小矢量位于內正六邊形的頂點處，零矢量位于坐標原點處，小矢量又分為正小矢量和負小矢量［3－5］。

圖2 空間矢量合成圖Fig.2 Space vector synthesis map

3 三電平逆變器空間矢量算法

三電平逆變器空間矢量算法首先進行扇區判斷，然后進行小區間判斷，確定參考矢量由哪些矢量合成，最后合理安排這些矢量，控制逆變器電壓的輸出。

3.1 區域判斷

如圖2所示，空間矢量被6個大矢量分為6個正三角形區域，以大矢量1－1－1為起始逆時針方向每60°依次定義扇區Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ。由于整個空間矢量成對稱性，所以只需對Ⅰ進行分析即可。

設三相參考電壓分別為

所以本文在采樣時直接取θ－π／2作為參考矢量的幅角，根據θ－π／2的大小可判斷出參考矢量落在哪一個大扇區。定義調制比為參考矢量與中矢量的模長之比，即根據m與θ可以判斷矢量落在哪個小區間，具體的判斷規則如表1所示。

表1 小區間判斷公式表Tab.1 Inter－cell judgment of the table

3.2 參考矢量合成

每個輸出矢量的作用時間對應相應開關管的導通或關斷時間，以參考矢量落在1區為例，如圖3所示，根據參考矢量由鄰近的3個矢量合成的原則，參考矢量由V0，V1，V2合成，設Ta，Tb，Tc分別為矢量V0，V1，V2的作用時間。Ts為空間矢量調制的控制周期。具體計算方法如下：

聯立可以解出3個合成矢量各自作用的時間：

式中：m為調制深度。

圖3 第1扇區6個小區的矢量合成Fig.3 Vector synthesis map of The first sector

同理，可以推出參考矢量位于2，3，4，5，6區域的作用時間，根據各矢量的作用時間，按照中心化對稱的原則安排矢量，可以得出參考矢量位于各個三角形中時的三相輸出矢量時序圖，由此就可以得到三相橋臂各開關器件的驅動信號［4－5］。

3.3 開關矢量作用順序的確定

為了逆變器能夠安全可靠運行，逆變器3種開關狀態的轉換只能讓1和0，0和－1之間轉換，禁止1和－1狀態之間轉換。當參考電壓矢量旋轉時，特別是當從空間電壓矢量圖中的一個扇區進入另一個扇區時，選擇合成的3個開關矢量將發生改變，則逆變器三相的狀態也將變化。相應地逆變器將按狀態變化來進行開關動作。為了減少開關動作，逆變器每次僅一相進行開關動作，而其它兩相狀態保持不變。

以第1扇區為例，每個小三角形內最少含有一對小矢量，如果以正小矢量作為首發小矢量，則每個小三角形內的矢量作用順序如表2所示，若以負小矢量作為首發小矢量，則每個小三角形內的矢量作用順序正好與表2所示順序相反。本文提出的SVPWM控制算法，所輸出矢量的首發矢量都是正小矢量，由于相鄰的2個正小矢量只相差一個狀態，這樣可以避免相鄰2個扇區切換過程中發生矢量突變。圖4為第1扇區的6個小區的輸出時序圖，根據這個時序圖，就可以得出三相橋臂開關器件的驅動信號。

表2 第1扇區的電壓矢量Tab.2 Voltage vectors of the first sector

圖4 第1扇區各個小區間矢量時序圖Fig.4 Vector timing diagrams of the first sector

4 中點電壓的平衡控制

當逆變器直流側電壓中點不平衡時，逆變器輸出電壓波形將出現畸變，負載中將含有偶次諧波；直流側的2個電容電壓經常變動，影響電容的使用壽命；部分開關器件承受的電壓增大，影響逆變器的正常工作。中矢量中有一相連接到直流側的中點，這樣負載在一定程度上影響中點電位。中點電位不平衡的主要因素來源于中矢量，并且不能調節，只能通過小矢量來間接調節。由于成對小矢量的模長相等，成對的小矢量產生的線電壓也相等，只是流向中點的電流方向相反，所以它們對中點電壓有相反的影響。在空間矢量調制（SVPWM）中，中點電壓平衡控制方法多采用調節成對小矢量作用時間的方法，來改變中點電流流入流出的時間并抑制直流側中點電位的波動［5－7］。

在每個控制周期的開始對中點電壓和電流進行采樣，檢測值經處理后，作為協調正負小矢量作用時間的依據，來平衡中點電位的波動。本文引入參數k調節正負小矢量的作用時間，來調節中點電流流入流出的時間，假設正小矢量作用時間為kTx，負小矢量的作用時間為（1－k）Tx，直流側電容電壓分別為VDC1和VDC2，中點電流流出方向為正，具體的控制規律是：