一種用于平衡三電平逆變器中點電位的滯環控制+精確控制策略研究

王建淵,　雷國惠,　鐘彥儒

(西安理工大學 電氣工程系,陜西 西安 710048)

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一種用于平衡三電平逆變器中點電位的滯環控制+精確控制策略研究

王建淵,雷國惠,鐘彥儒

(西安理工大學 電氣工程系,陜西 西安 710048)

摘要:中點電位不平衡是二極管中點箝位(NPC)型三電平逆變器存在的固有問題,在學術及工程實踐中受到了廣泛關注。中點電位平衡控制方法可以分為兩大類,硬件和軟件方法,基于硬件的控制方法主要是依靠外部電路調整,一般通過Boost和Buck等電路對電容進行充放電來調節中點電位以達到平衡,因而增加了整個逆變器的成本。在深入分析引起中點電位不平衡因素的基礎上介紹了一種提高中點電位魯棒性的滯環控制+精確控制策略。該控制策略將滯環控制與精確控制方法相結合,設置一定的環寬作為兩種算法的切換條件,超出設定環寬使用滯環控制,在環寬內使用精確控制方法。進行了仿真和實驗驗證,結果證明該方法解決了滯環控制粗略、存在控制盲區并且控制效果受功率因數影響大的問題,同時彌補了精確控制中當中點電壓發生偏移以后不具備將中點電位拉回平衡點的能力。有效地抑制中點電位波動,提高中點電位控制的魯棒性。

關鍵詞:中點電位; 不平衡; 魯棒性; 滯環控制; 精確控制

雷國惠(1989—),女,碩士研究生,研究方向為NPC背靠背三電平逆變器中點控制策略;

鐘彥儒(1950—),男,教授,博士生導師,研究方向為新型電力電子裝置,高性能電機控制策略。

0引言

NPC型三電平電壓源型逆變器(VSI)相對于傳統的兩電平逆變器具有對開關器件耐壓等級要求降低至一半;增加了一個輸出電平,減小了du/dt;諧波畸變更低,THD更小等顯著的優點。從而在中高壓變頻調速、有源電力濾波裝置和電力系統無功補償等領域有著廣泛的應用前景。NPC 型三電平逆變電路的中點電位平衡問題受到廣泛關注[1-7]。中點電位平衡控制方法可以分為兩大類,硬件和軟件方法[8]。基于硬件的控制方法主要是依靠外部電路調整,一般通過Boost和Buck等電路對電容進行充放電來調節中點電位以達到平衡,因而增加了整個逆變器的成本,故目前采用軟件算法居多。軟件算法實現目前主要有兩種思路,即基于空間矢量調制的PWM法SVPWM)和基于注入零序電壓的載波調制法。其采用比較多的是基于SVPWM法通過改變冗余小矢量作用時間的滯環控制和精確控制。滯環控制通過設置一定的滯環區間,當中點電位超出該區間時,根據偏移方向調整正負小矢量作用時間來進行補償修正。滯環控制方式簡單實用,但控制比較粗,存在控制盲區。精確控制算法是通過對中點電荷量的精確計算,得出冗余小矢量的作用時間,實現對中點電壓平衡的控制。該算法控制精度高,但是一旦中點電壓發生偏移以后就不具備將中點電位拉回平衡點的能力。

為了解決上述滯環控制與精確控制算法單獨作用下所存在的不足,提出一種滯環控制+精確控制策略。該控制策略通過設置一定的環寬作為兩種算法的切換點,超出設定環寬使用滯環控制,在環寬內使用精確中點控制,解決了滯環控制粗略、存在控制盲區并且控制效果受功率因數影響大的問題又可以彌補精確控制中當中點電壓發生偏移以后不具備將中點電位拉回平衡點的能力。更加有效的抑制中點電位波動,提高中點電位的魯棒性,具有重要的實際工程價值。

1三電平逆變器中點電位不平衡原理

以三電平NPC型逆變器為例,分析中點電位不平衡的原理[1]如圖1所示。

由圖1分析可知,直流母線電容電壓有如下關系式:

(1)

(2)

式中:ic1,ic2為流過電容C1,C2上的電流,Vc10,Vc20為電容電壓初始值。

圖1　中點電位分析圖

2傳統中點電位平衡控制方法

傳統的中點電位平衡控制方法主要有[6]滯環控制,精確控制,PWM補償法,這些控制方法均能達到一定的控制效果,但也均存在控制上的不足。其各種方法的性能比較如表1所示。

表1中點電壓控制方法對比

在上表所示的控制方式中,目前采用較多的是滯環控制和精確控制方法,下面簡要介紹這兩種控制方式的原理。

2.1　滯環控制方法

由于電壓小矢量總是成對出現,正負小矢量對于輸出電壓的作用是相同的,而對于中點電壓的作用恰好是相反。在三電平逆變器調制方法中,采用平衡中點電壓的方案大多數都是基于對一對冗余小矢量的控制,對于中矢量是無法直接實施控制的,滯環控制就是如圖2所示對中點電位設置一定的滯環區間[-d,d](滯環區間的選取要平衡考慮其對中點電位波動的影響和對開關頻率的影響),當中點電位超出該區間時,根據偏移方向通過調整正負小矢量的作用時間來平衡中點電位。

圖2　滯環控制原理圖

采用中點電壓反饋控制。通過調整P型和N型小矢量開關狀態的時間,控制中點電壓Vnp

Ta=TaP+TaN。

(3)

(4)

式中:Ta為小矢量作用時間;TaP為正小矢量作用時間;TaN為負小矢量作用時間;k為調節因子。

例如參考矢量位于扇區Ⅰ的A區域,如果首發矢量是正小矢量則輸出矢量的次序為POO-OOO-OON-ONN-OON-OOO-POO,則具體三相輸出時序圖如圖3所示。

圖3　扇區ⅠA區域輸出電壓矢量時序圖

Fig. 3The timing diagram of output voltage

vectors in sector Ⅰtriangle A

加入調節時間因子k,根據檢測到的直流側電容電壓Vc1和Vc2來及時的調整時間因子k,可以使中點電壓偏移減小,為了防止電壓幅值跳變設定調節因子范圍0.25≤k≤0.75。

滯環控制是最簡單也是最實用的中點電壓閉環控制策略。使用這種方法只需要檢測直流母線電壓和直流側單電容上的電壓,當兩電容壓差超出環寬[-d,d]時,則使中點電壓趨于平衡位置的小矢量將會被選擇作用,算法簡單易行。滯環控制是一種近似的定性的調節方案,并且實際控制效果與功率因數關系密切,在功率因數越低的情況下,中點控制的效果越不理想。由于此控制方式存在控制盲區,因此仍然會存在一定的中點電壓波動。

2.2　精確控制方法

中點電壓的精確控制是通過對中點電荷量的精確計算,得出冗余小矢量的作用時間,實現中點電壓平衡的控制。中點電壓精確控制算法的思路就是注入或者抽出適當的中點電荷,使得中點電壓在一個控制周期Ts內盡量向平衡點靠攏。設直流側電容電壓的偏差為:

Voffset=Vc1-Vc2。

(5)

這時流進中點的電荷量應為:

(6)

式中;Cdc為直流側電容容值;Vc1,Vc2分別為上,下直流直流母線電容上的電壓。

在傳統SVPWM調制策略下的空間電壓矢量分布圖如圖4所示,當參考電壓矢量Vref位于三角形區域A或B時計算冗余矢量作用時間需要考慮瞬時中點電流的極性,為了簡化控制算法,兩對冗余小矢量的作用時間調節因子k選取原則為:

圖4　扇區I中的矢量及時間分配圖

1)假設2個P型小矢量作用時流進中點電流的極性相同,則:

tpa=k×ta,

tna=(1-k)×ta,

tpb=k×tb,

tnb=(1-k)×tb。

(7)

2)如果2個P型小矢量作用時流進中點電流的極性相反,則:

tpa=k×ta,

tna=(1-k)×ta,

tpb=(1-k)×tb,

tnb=k×tb。

(8)

其中tpa、tpb和tna、tnb分別為兩對冗余小矢量中正、負小矢量的作用時間。根據對中點電流數學建模分析可列出下表2。

表2冗余小矢量作用流入中點的電流

Table 2Current feed to neutral-point when

redundancy little vectors operating

矢量作用時間流入中點的電流POOk×ta-iaONN(1-k)×taiaPPOk×tbicOON(1-k)×tb-ic

則在一個控制周期里流入中點的平均中點電荷為:

QNP=k×ta(-ia)+(1-k)×taia+k×tbic+(1-k)×tb(-ic)。

(8)

令QNP=QNPO,可以推得下式:

(9)

其他條件不變,如果兩個P型小矢量作用時流進中點電流的極性相反,同理可得

QNP=k×ta(-ia)+(1-k)×taia+(1-k)×tbic+k×tb(-ic)。

(10)

令QNP=QNPO,可以推得下式:

(11)

當參考電壓矢量Vref位于其他區域時,通過同樣的方法可求得調節因子k的計算公式,在此就不再贅述。

實際上,如果能夠保證每一個采樣周期內流入中點的總電荷量為零,即流進或流出中點的電流與作用時間的乘積為零。就必然可以實現中點電位的精確控制,但是由于外在原因:1)電容的制造工藝不可能完全一致,導致上下直流母線上存在偏差,導致中點電位的偏移,一旦中點電位發生偏移以后精確控制不具備將中點電位拉回平衡點的能力,這是最主要原因。2)采樣的延遲以及準確性,使得到的k值都滯后。因此,精確控制算法不但計算量大,而且在實際工程應用中得不到良好的體現。

3滯環控制+精確控制的綜合控制策略

通過上節對2種中點電位控制方法的分析可以知道滯環控制粗,其魯棒性強于精確中點控制方法,而精確中點控制精度高,一旦中點電壓發生偏移以后就不具備將中點拉回平衡點的能力?；诖颂岢鲆环N滯環控制+精確控制策略,如圖5所示。

圖5　滯環+精確控制策略

圖中[-d,d]為滯環控制的環寬,h為滯環控制與精確控制的切換點,h與d值關系如圖6所示。

圖6　滯環控制環寬d與切換點h

Fig. 6Ring widthdof hysteresis-band control

and switching pointh

由圖可知,h取值不同有如下3種工況:

1)當h=0時,滯環控制+精確控制就等于是滯環控制單獨作用。

2)當h=d或h>d時滯環控制+精確控制就等于是精確控制單獨作用。

3)當hh)使用滯環控制方法。(注:ΔVdc=Vdc1-Vdc2)

滯環控制和精確控制方法的原理在上節已經做了詳細的闡述,所以滯環控制+精確控制的綜合控制策略的關鍵點在于h值和d值的選取。下面討論h值和d值選取需要綜合考慮的因素。

1)調制度M的影響:M的大小會影響中點電位平衡性,進一步影響h值和d值的選取。

2)中點電位的波動幅度:中點電位波動幅度太大,可適當減小h值和d值來抑制波動。

3)功率因數:功率因數比較小時,中點電位波動幅度變大,需要適當減小d值和h值。

4)開關損耗:開關損耗太大需要適當增大h值和d值,來減小加入中點平衡算法增加的開關次數以減小開關損耗。

5)控制器的處理速度影響:h的取值會受控制器的處理速度影響,h值太小,控制器處理速度如不能滿足需求會導致計算的延遲和誤差。不能起到較好的控制效果。

因此針對不同的工況,負載,功率等級,可以通過設定功能碼,根據不同的工況選取不同的h值和d值來平衡中點電位。實驗表明一般取5≤d<10,2≤h≤5時中點控制效果比較理想。

4仿真分析與實驗驗證

4.1　仿真研究

按照上述所講述的方法進行設計,應用Matlab軟件在SIMULINK編寫程序,并進行仿真。

仿真參數如下:

比較兩組的產后出血率、剖宮產率、巨大兒率、早產兒率以及低出生體重兒率。采用我院自行編制的護理質量滿意調查表對患者的護理滿意度進行評估，其內容主要包括以下五項：服務及時性（30 分）、服務態度（30 分）、管理規范性（15 分）、住院環境（15 分）以及護理人員的綜合素質（10 分），總計共100分，評分值越高說明患者的臨床分娩護理滿意度越高。

輸入線電壓380 V,直流側母線電壓為538V,母線電容為兩個700 V/470 μF的電容串聯,負載為三相感應電機,電機參數為:Pn=0.75 kW、Un=380 V、P=2、Rs=8.84 Ω、Rr=5.91 Ω、Ls=Lr=28.5 mH、Lm=164.2 mH,載波頻率fc=2 kHz,輸出頻率fo=50 Hz,調制度M=1。(注:中點電位波動最大時)

由圖7加入中點控制前后仿真波形對比可見,加入中點電位控制算法后中點電位不平衡明顯有所改善。滯環控制算法獨立作用時其魯棒性比較好,但是波動范圍比較大,控制比較粗。精確控制算法單獨作用時,波動范圍比較小,精度比較高,但是一旦中點電位偏移后不具備將電壓拉回平衡點的能力。而滯環控制+精確控制沿襲了滯環控制較好的魯棒性又傳承了精確控制精度高的優點。中點電位的偏差可以很好的控制在±2V左右。

圖7　加入中點控制前后仿真波形

4.2　實驗結果

實驗室內搭建了NPC三電平逆變器原型機,實驗系統如圖8所示,控制對象為750W三相異步電機,控制器采用的是TI公司的TMS28335數字信號處理器(digital signal processor,DSP),功率器件為Vincotech公司型號為FZ06NIA050SA的IGBT模塊 控制方式為V/F,系統載波頻率為fc=2kHz,輸出頻率fo=50 Hz,調制度M=1時,異步電機的參數與仿真時異步電機的參數。

圖9為加入中點控制前后的實驗波形,從實驗波形可以看出,滯環控制+精確控制既有效的解決了滯環控制精度粗的問題較滯環控制單獨作用下具有更小的波動,又解決了中點控制算電位偏移后不具備將中點電位拉回平衡點的能力,具有更優越的控制效果,提高了中點電位的魯棒性。

圖8　NPC型三電平逆變器實驗平臺系統

Fig. 8NPC three-level inverter experimental

platform system

圖9　加入算法前后實驗波形

5結論

1)分析了三電平中點電位不平衡基理,提出一種滯環控制+精確控制的綜合控制策略。

2)所采用的策略能使中點電位能得到很好的控制,魯棒性強。

3)將滯環控制與精確控制較好的整合在一個算法中,通過功能碼設定h值滿足不同工況需求。

4)為驗證本文分析方法的正確性,進行了樣機試驗,實驗結果與理論分析結果一致。

參 考 文 獻:

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(編輯：張詩閣)

Research on one hysteresis control+precise control strategy of three-level inverter for neutral-point potential balance

WANG Jian-yuan,LEI Guo-hui,ZHONG Yan-ru

(Department of Electrical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Abstract:The unbalance of neutral-point potential is an inherent problem of three-level neutral point clamped (NPC) inverter, it is paid wide range attention in academic research and engineering practice. This NPC method is divided into two types: hardware and software method. The hardware method mainly depends on external circuit to adjust, in with Boost and Buck circuit are used to control the capacitor charge and discharge and implement the balance of neutral point voltage. This method increases the cost of whole inverter. The factors were analyzed which cause the unbalance of neutral-point voltage, and one hysteresis and precise control strategy of improving the robustness of neutral-point voltage was introduced. This control strategy combines hysteresis control with precise control,and a certain band width is set as the two different control methods switching condition. If the neutral-point voltage exceeds the band width, the hysteresis control strategy was employed,and the precise control strategy was employed vice verse. The method was validated through simulation and experiment. The results of simulation and experiment show that the method solve the hysteresis control problem of rough control, existing blind area and influencing by power factor, at the same time, make up for the ability which balance the neutral point when the neutral voltage is one-sided during adopting the precise control. This method is effective to control fluctuation and deviation of neutral point voltage and improve robustness of neutral point control.

Keywords:neutral-point voltage;unbalance; robustness; hysteresis control; precise control

通訊作者:王建淵

作者簡介：王建淵(1973—),男,博士,講師,研究方向為新型電力電子裝置與三電平逆變器控制;

基金項目：陜西省協同創新基金(105-221421)

收稿日期:2013-06-06

中圖分類號:TM 921

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2015)07-0066-07

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.010