基于SVPWM調制算法下中點電位平衡控制策略研究

朱寒　陳健　葉輕舟

摘 要：本文首先綜述中點電位不平衡產生原因及其危害；其次，對開關矢量對中點電位的影響作了具體講解；再次，介紹了基于分配因子思想下的四種不同的中點電位控制策略研究；最后，對比這四種中點電位控制策略，選出本文使用的中點電位控制算法即PI控制，并利用MATLAB/5imulink仿真，論證此方法有效性及合理性。

關鍵詞：矢量調制算法；中點電位平衡控制；策略研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.216

1 中點電位不平衡產生原因及危害

成中點電位不平衡的原因有很多，主要有：

（1）由于兩電容上的電流之間在中矢量和小矢量作用時存在著相位或幅值的差異，這種不對稱會出現在充放電的暫態過程，這種不對稱還會由于其三相連接在某些情況下會將其加劇。

（2）從電容的生產過程中，制作用于直流側的兩個電容不會在各項指標上全都一樣，因此作為中間直流穩壓部分，必然會使中點電壓有波動。

（3）在實際使用中，用于直流側穩壓的電容它們的值都比較大，可是從現實角度看，電容的成本以及電容值等級都會有限制，必然產生矛盾。

（4）中點電流越大，波動越嚴重。而中點電流是定子電流的直接反映，所以負載轉矩越大，波動越嚴重。

（5）由于中點電位的控制與小矢量的權重有關，小矢量的權重與輸出的相電壓的模值有關，模值越大，則參與權重越小，這樣中點電位的控制就會越困難。

中點電位不平衡造成的危害：

（1）逆變器輸出電壓波形發生畸變。這樣，輸入給感應電機的電壓中就會帶有低次諧波，從而使電機負載產生脈動轉矩，影響調速性能；

（2）開關器件承受的電壓不均衡。每相中有的器件承受的電壓偏低，嚴重時將影響正常工作。

（3）由于直流側電容上的電壓不平衡，導致電容壽命降低。

2 開關矢量對中點電位的影響

中點電流只被小矢量及中矢量作用時影響。成對出現的正負小矢量，對中點電流的影響相反，可作為控制量；而中矢量由于不存在冗余狀態，不可作為控制量。現有的中點電位平衡控制方法基本上都是基于在一個開關周期中通過調節冗余小矢量的作用時間，利用中點電流使直流側上下電容存儲的電荷趨于穩定。

3 中點電位控制策略研究

中點電位控制策略研究中的核心思想就是通過改變上下電容兩端的電荷量，使得上下兩電容電荷量相同。并且各自的原理都是一樣的：上面的電容電壓UC1比下面電容電壓UC2大，由此導致中性點電位不足，此時控制策略即為：對中性點就應該注入電荷（亦或是讓電流流進中性點）；反之，則對中性點需要抽出電荷（亦或是電流從中性點中流出來）。

在不采取中點電位控制策略時，在一個采樣周期內負小矢量在最開始與最后作用時持續的時間總和等于中間的正小矢量的作用的時間總和。這里由于正負小矢量在作用時是等價的，只是電流的方向相反。由此導致對于中點電位的調節可以適當地改變正負小矢量對其產生影響時的時間，這樣對于中點電位的平衡策略起到緩和的作用。

綜上所述這里采用基于分配因子思想的幾種控制策略，并在比較之后選擇適合的控制策略。基于此思想的控制策略的操作過程：首先引入小矢量時間因子，其次確定起作用的小矢量在一個采樣周期內產生影響持續的時間，然后調整正、負小矢量作用時間，最終實現控制目標。

下面對四種不同控制策略的策略特點進行詳細說明：首先作出假設條件：設時間因子是 k（-1≤k≤1），在其作用之后，負小矢量作用的時間總和為（1+k）T1/2，正小矢量作用的總的時間為（1-k）T1/2，且另外的矢量作用時間并不變。

（1）滯環控制策略特點：該方法只要知道上下兩端電容電壓差即可，需要說明的是這里上下兩端電容電壓差非常容易確定；初此之外該方法無須確定中性點電流，由此得以獲得：整個控制策略操作過程較簡便。

（2）PI 控制算法的特點：它與滯環控制一樣，二者不需要推算出中性點電流，只需要計算出上下電容的電壓差，推導過程簡單方便。一般條件下，對PI參數值，可以根據實際經驗獲得。此外，根據自動控制原理的傳遞函數的知識，PI控制框圖的傳遞函數可以經過數學計算的推導出來，然后計算PI 的參數值，如下式即為傳遞函數。

（3）基于中點電荷守恒控制算法的特點：對于時間因子 k 值的獲得過程比起上文的兩種控制算法復雜的多，時間因子k值得計算過程涉及大量的浮點數運算，不僅如此，此處還需要根據前文的電路圖以及中矢量和小矢量作用時與重點電流的對應關系計算出此時的中性點電流，但是它相對于上文兩種控制算法的優點就是對于中點電位的平衡控制效果比較有效，并且快速性也比較高。

（4）中點平均電流為零控制的特點：確定k值時不考慮上下兩端的電壓差，但要確定i0模值大小。正是因為在計算k時的方便，由此將導致當以一個開關周期作為單位時間確定i0時，經過調節之后得出的效果并不是很好，并且在上下電容的起始電壓不相同的條件下，在此方法作用下所用的控制時間比起前面的控制算法用的時間更長。

4 結論

對于三電平逆變器有多種控制策略，其中空間矢量調制算法優點突出：調制比大、輸出電壓波形質量好、易于數字化以及母線電壓利用率高，從而成為人們關注的熱點；但中點電位平衡問題是三電平逆變器無法避免的。

參考文獻：

[1]薛飪芝，張力，林紀寧.太陽能光伏技術的研究與發展[J].大連鐵道學院學報，2003，24（04）.

[2]馮垛生.太陽能發電原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]董密.太陽能光伏并網發電系統的優化設計與控制策略研究[D].中南大學博士學位論文，2007（05）.endprint