基于電壓反饋VSVPWM三電平中點電位平衡控制

王 璐，范 波，邱玉林

(1.河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471003)

1 引言

三電平中點電位不平衡問題會使得開關(guān)器件由于承受電壓的不同，造成器件的使用壽命縮短，電壓輸出的波形發(fā)生畸變等問題，所以中點電位不平衡是三電平控制需要研究的熱點方向[1]。在解決中點電位不平衡的問題上，可以從硬件和軟件上進(jìn)行，從硬件方面主要是改變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如：在電路的直流側(cè)與電容之間加入換流器，使得中點電流不流經(jīng)電容，從而不會造成電壓不平衡的變動發(fā)生[2]。但是由于在硬件上額外增加了元器件，會使得器件的采購成本增加，因此在經(jīng)濟(jì)上限制了該方案的具體實施應(yīng)用。

在另一方面是在軟件上，主要通過在控制策略的設(shè)計過程中加入一些算法來解決這個問題，這種方式不僅可以不增加硬件設(shè)備從而節(jié)約成本，而且可以減少系統(tǒng)的體積。

當(dāng)VSVPWM方法中點電壓偏移時，需要平衡中點電位的兩個成對的小矢量幅值大小不同，器件動作的開關(guān)損耗高，無電壓反饋等問題[3]，本文提出了一種基于電壓反饋的VSVPWM方法，克服了VSVPWM調(diào)制在產(chǎn)生擾動過程中的中點電壓偏移，加入電容上的電壓作為反饋對系統(tǒng)進(jìn)行控制而達(dá)到快速平衡，最后通過仿真進(jìn)行驗證。

2 NPC型三電平變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NPC三電平變流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每一相有4個功率開關(guān)器件分別為VSi1、VSi2、VSi3、VSi4，4個續(xù)流二極管Di1、Di2、Di3、Di4，其中(i=a，b，c)，兩個鉗位二極管，兩個電容C1、C2在直流側(cè)串聯(lián)起來，并且C1=C2，如圖1所示，以電源的中點為電壓參考，每相將輸出1，0，-1(p、o、n，)三種電平[4]。

圖1 NPC三電平變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)上述的分析，則三相的輸出共有33=27個開關(guān)狀態(tài)，即為27個矢量狀態(tài)[5]，則這些矢量在空間中的分布如圖2所：

圖2 NPC三電平變流器空間矢量圖

3 基于中點電位電壓反饋的不平衡問題控制策略

3.1 基于中點電位電壓反饋的不平衡問題控制策略

VSVPWM調(diào)制原理將第Ⅰ扇區(qū)劃分成5個小扇區(qū)，分別為A、B、C、D、E扇區(qū)[6]，具體劃分如圖3示。

圖3 VSVPWM調(diào)制矢量合成關(guān)系圖

(1)

當(dāng)中點電流不平衡時，為了達(dá)到平衡的目的，其中大矢量V9的中點電流為0，參考矢量Vref采用NTV矢量合成原則，將矢量之間重新組合，使得流過中點的電流為0[7]。

以參考矢量Vref在D扇區(qū)為例，令采樣控制周期TS為單位時間1進(jìn)行分析，則此時的參考電壓矢量合成關(guān)系為

(2)

但是由于這種調(diào)制方式可以在一定程度上等效為九段式調(diào)制，使用成對的小矢量，造成開光損耗比較大，動態(tài)響應(yīng)比較慢，并且系統(tǒng)沒有對中點電壓進(jìn)行反饋閉環(huán)控制[11]，因此，當(dāng)產(chǎn)生擾動時，這種方式自然恢復(fù)過程通常會很慢，并且并沒有解決由于控制策略而產(chǎn)生偏移積累誤差問題[13]。

3.2 基于中點電位電壓反饋的VSVPWM調(diào)制原理

圖4 三電平中點電位偏移時空間矢量圖

電壓偏移后的矢量圖如圖4所示，基于中點電位電壓反饋的VSVPWM調(diào)制方法中引入了中點電位電壓的偏移系數(shù)k和調(diào)制度n，其中

(4)

k表示中點電位電壓偏移的程度，當(dāng)k=1時，表示中點電位電壓平衡，當(dāng)k與1的偏離值的大小與中點電位偏移的程度成正比；UC1為C1電壓，UDC為直流側(cè)電壓。

當(dāng)中點電壓不平衡時，采用改進(jìn)的VSVPWM方法如圖5所示，這樣不僅可以使得平衡中點電位電壓的速度更快，而且器件開關(guān)動作的次數(shù)也變得更少。

圖5 改進(jìn)的VSVPWM調(diào)制方法框圖

由圖5可知，需要測量的量有：輸出側(cè)電壓(Uabc)、相電流(iabc)、直流側(cè)電壓(UDC)和電容器C1的電壓UC1，該控制策略中采用電容電壓UC1作為反饋量。

針對圖5中的扇區(qū)選擇，以第Ⅰ扇區(qū)為例進(jìn)行分析，將它重新以角平分線為邊界，重新劃分為3個部分，分別為：A，B、C扇區(qū)，參考矢量為Vref=|Vref|(cosθ+jsinθ)，扇區(qū)的劃分圖如圖6所示，其它5個大扇區(qū)劃分也是如此分析。

圖6 改進(jìn)的VSVPWM調(diào)制矢量合成圖

當(dāng)Vref位于坐標(biāo)系的A扇區(qū)時，k=1中點電位平衡時，參考矢量合成關(guān)系為：

(5)

因此各個矢量的作用時間為：

(6)

當(dāng)中點電壓不平衡時，選擇不同情況選擇不同的小矢量，具體分以下情況進(jìn)行討論，見表1。

表1 有利于平衡中點電位的小矢量選擇表

經(jīng)過分析上述四種情況，可以將其歸納為兩類：

(7)

由上式(7)可得到作用時間為

(8)

若t0<0，則說明調(diào)制度比較大的情況下，矢量Vref不能用V0來進(jìn)行合成，此時用V7替代V0合成Vref矢量，則代替后的Vref合成表達(dá)關(guān)系為

(9)

由上式(9)，可重新得到各個矢量的作用時間為

(10)

(11)

由上式(11)可得到作用時間為

(12)

若t0<0，則說明調(diào)制度比較大的情況下，矢量Vref不能用V0來進(jìn)行合成，此時用V7替代V0合成Vref矢量，則代替后的Vref合成表達(dá)關(guān)系為

(13)

由上式(13)，可重新得到各個矢量的作用時間為

(14)

(15)

由上式(15)可得到作用時間為

(16)

當(dāng)中點電壓不平衡時，情況與在A扇區(qū)相似，則參考矢量Vref的合成關(guān)系為

(18)

由上式(17)和(18)可以的得到各矢量的作用時間為

當(dāng)kia

(19)

當(dāng)kia>ia時

(20)

VSVPWM調(diào)制方法的開關(guān)順序動作如表2所示(以第一扇區(qū)為例)[15]。

表2 VSVPWM的開關(guān)序列(以第一扇區(qū)為例)

本文提出的基于中點電位電壓反饋VSVPWM方法具有不同的切換順序，以第Ⅰ扇區(qū)的A扇區(qū)為例，開關(guān)順序動作如表3所示。其它扇區(qū)可以按照類似的方式對開關(guān)序列順序進(jìn)行選擇。

表3 基于中點電位電壓反饋的VSVPWM的開關(guān)序列

4 仿真結(jié)果及分析驗證

4.1 仿真驗證

為了驗證所提出算法的可行性，利用matlab搭建了三電平仿真平臺，其中異步電機參數(shù)：電機極對數(shù)P=2，轉(zhuǎn)動慣量J=0.19kg·m2，定子電阻Rs=0.435Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816Ω，定子漏電感Lls=0.002H，轉(zhuǎn)子漏電感Llr=0.002H，定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.069H，控制周期為100μs；基波頻率為50Hz；電機功率為4kW；負(fù)載為25 N·m；直流側(cè)的電壓為600 V，C1=C2=3500μF，調(diào)制比為0.85。

系統(tǒng)的matlab仿真圖如圖7所示。

圖7 Matlab仿真模型圖

當(dāng)電容C1上的電壓UC1與電容C2上的電壓UC2偏移差為50 V，仿真結(jié)果如圖8～11所示，其中(a)表示VSVPWM算法，(b)表示基于中點電位電壓反饋的VSVPWM算法。

圖8 電容電壓平衡仿真圖

圖9 ia電流仿真圖

圖10 輸出電壓uab仿真圖

圖11 k的波動圖

由圖8可以看出，VSVPWM方法在0.05s時還沒有對中點平衡起作用，與之相比，改進(jìn)的VSVPWM方法由于加入了反饋環(huán)節(jié)，中點電位在0.034s就趨于平衡，表明該方法具有較好的動態(tài)性能，選擇一個小矢量能夠較快的控制中點電位，且平衡時中點電壓以300V為中心進(jìn)行波動，同時，由圖9和圖10可看出采用反饋的電壓波形質(zhì)量較好，電流有良好的跟隨性，圖11可以看出k的曲線能夠反映電容的電壓在不斷趨于中點平衡狀態(tài)，圖12中點電壓波動圖可以看出電壓偏移不超過2V，控制效果比較理想。

4.2 實驗驗證

為進(jìn)一步驗證控制算法性能，選擇DSP型號為TMS320F28335作為芯片，開關(guān)器件用IGBT，搭建實驗平臺進(jìn)行驗證，控制周期為1ms，驅(qū)動電路為PSH12012；直流側(cè)的電壓為600V；C1=C2=3500μF，異步電機的額定電壓為380V，頻率為50Hz，極對數(shù)為2，濾波電容型號為STM-1700-0.47，其中該實驗為電機的空載狀態(tài)下進(jìn)行驗證，系統(tǒng)框圖如圖12所示。

圖12 中點電壓波動圖

實驗結(jié)果如下圖所示。

圖13 輸出線電壓Uab圖

圖14 ia電流仿真圖

圖15 平衡時中點電壓波動情況圖

在實驗過程中，由圖13和圖14可知，基于中點電位電壓反饋VSVPWM三電平電位平衡控制算法下的輸出線電壓波形質(zhì)量較好，由圖15可知系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)的中點電壓波動在3V之內(nèi)，具有良好的平衡中點電壓的能力，實驗進(jìn)一步驗證了算法的可行性。

5 結(jié)論

本文針對三電平中點電位不平衡會導(dǎo)致電壓輸出產(chǎn)生畸變并伴隨低次諧波，同時還會影響開關(guān)器件的使用壽命等問題。提出一種基于中點電位電壓反饋的三電平VSVPWM調(diào)制，在中點電位偏移時對扇區(qū)進(jìn)行分區(qū)，通過判定kia與ia之間大小對比關(guān)系，來選擇適合作用的小矢量及其作用的時間，由各矢量的作用時間得到器件的開關(guān)序列。最后搭建了仿真和實驗，結(jié)果表明該調(diào)制方法能夠?qū)χ悬c電位偏移的問題進(jìn)行解決，同時具有開關(guān)損耗小，響應(yīng)速度快的特點。