基于VMV的三電平逆變器中點電位平衡控制研究

陳 淼，蘇朝葵，彭 新，歐陽暉

應(yīng)用研究

基于VMV的三電平逆變器中點電位平衡控制研究

陳 淼1，蘇朝葵2，彭 新1，歐陽暉1

（1. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064；2. 中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點實驗室，深圳 518172）

本文從空間矢量和中點電流影響的角度分析了二極管箝位型三電平逆變器中點電位不平衡的原因，比較研究了兩種中點電位平衡控制方法，并提出了一種基于虛擬中矢量的中點電位平衡控制方法,仿真和實驗結(jié)果均證明這種方法的有效性。

三電平逆變器 空間矢量調(diào)制 中點電位控制 虛擬中矢量

0 引言

二極管箝位型三電平逆變器通過直流側(cè)的串聯(lián)的兩個電容把母線電壓均分成三個電平。因為箝位二極管的存在，使橋臂中點能輸出三個電平，每個器件只承受一半的直流母線電壓。這種拓?fù)渚哂休敵鲭妷褐C波含量少，器件承受電壓低等優(yōu)點[1]。在高壓大容量場合取得了越來越廣泛的應(yīng)用[2, 3]。

中點電位不平衡問題是二極管箝位型三電平逆變器的缺點。當(dāng)中點電位不平衡時，會導(dǎo)致逆變器輸出電壓畸變產(chǎn)生低次諧波，開關(guān)器件承受電壓過高，損壞開關(guān)器件，直流電容電壓波動縮短電容使用壽命[4]。近年來學(xué)者提出多種中點平衡控制的方法。文獻(xiàn)[5]通過在調(diào)制波中加入零序分量來實現(xiàn)中點平衡的控制。基于空間矢量調(diào)制的中點平衡策略主要滯環(huán)控制和平衡因子控制。矢量取舍法根據(jù)三相電流的方向和中點電壓的正負(fù)來調(diào)節(jié)小矢量的相對作用時間，使中點電壓恢復(fù)平衡。這種方法僅需要判斷三相電流的方向，反饋量少，魯棒性好。但是采用矢量取舍法時會出現(xiàn)中點電壓的過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償，中點電壓中包含頻率為開關(guān)頻率一半的高頻分量，且中點電壓仍會以基波頻率的三倍頻波動，特別是當(dāng)調(diào)制比高負(fù)載功率因數(shù)低時波動更加明顯[6]。平衡因子控制[7]根據(jù)檢測到的中點電壓和中點電流，預(yù)估出合理的冗余小矢量作用時間分配比例，使中點電位達(dá)到平衡。當(dāng)中點電位為零時，使本開關(guān)周期內(nèi)中點電流能夠抽走或注入一定的電荷，使中點電位恢復(fù)平衡，但是在高調(diào)制比和較低功率因數(shù)時補(bǔ)償度依然不夠，導(dǎo)致欠補(bǔ)償，導(dǎo)致中點電位仍出現(xiàn)幅度較大的低頻脈動。

圖1 NPC型三電平逆變器電路結(jié)構(gòu)圖

本節(jié)研究了一種新型的基于虛擬中矢量調(diào)制的控制策略，能有效抑制由于中矢量引入的中點電荷不能被小矢量中點電荷完全抵消的問題，仿真和實驗結(jié)果均表明該方案的優(yōu)越性。

1 中點電壓不平衡的原因

NPC型逆變器的中點電壓由中點電流和直流電容決定[9]。中點電壓的增大或減小由中點電流的方向決定的。規(guī)定流向負(fù)載為正方向，為正時，上側(cè)電容充電，下側(cè)電容放電，增大；為負(fù)時，上側(cè)電容放電，下側(cè)電容充電，減小。

圖2 三電平基本矢量分布圖

如圖2，三電平空間矢量的基本矢量按矢量長度可以分為四種：零矢量（PPP，OOO，NNN）、小矢量（ONN/POO，PPO/OON，NON/OPO，OPP/NOO，NNO/OOP，POP/ONO）、中矢量（PON，OPN，NPO，NOP，ONP，PNO）和大矢量（PNN，PPN，NPN，NPP，NNP，PNP）。零矢量作用時直流母線電容并不向負(fù)載供應(yīng)電流，中點電流為零，所以中點電壓不會變化。6個大矢量工作時，負(fù)載電流只流過正負(fù)母線，兩組串聯(lián)電容的放電充電是同時進(jìn)行的，所以中點電位也不會變化。

圖3 小矢量ONN/POO與中點電流關(guān)系

圖4 中矢量PON與中點電流關(guān)系

但當(dāng)6個小矢量的12個開關(guān)狀態(tài)和6個中矢量狀態(tài)工作時，就存在中點電流，導(dǎo)致中點電位發(fā)生變化。圖3是小矢量ONN和POO作用時的示意圖。小矢量ONN下，中點電流等于A相電流，稱其為正小矢量；小矢量POO下，中點電流等于B，C相電流互為之和，若負(fù)載無中線，則中點電流大小與A相電流相同，方向相反，故稱其為負(fù)小矢量。有中點電流就說明兩個串聯(lián)電容有一個在充電，另一個在放電，必然造成中點電位不平衡。由于正負(fù)小矢量造成的中點電流方向相反，正負(fù)小矢量對中點電位的作用完全相反。圖4以中矢量PON為例說明中矢量對中點電位的影響。中矢量作用時三相輸出有且僅有一相與O點相連，中點電流即這一相的輸出電流，會造成中點電位波動。

2 中點平衡控制方案比較

基于對中點電位不平衡根源的分析，國內(nèi)外學(xué)者提出了不少中點電位平衡的控制方法。基于三電平空間矢量調(diào)制方法的中點平衡控制算法主要有滯環(huán)控制法，平衡因子法。

2.1 矢量取舍法

矢量取舍法通過檢測中點電流方向和中點電位的正負(fù)對正負(fù)小矢量進(jìn)行取舍，使中點電壓向零恢復(fù)，實現(xiàn)對中點電位的控制。這種方法思路清晰簡單，具有較強(qiáng)的魯棒性，然而這種控制作用量不精確，中點電位會產(chǎn)生低頻波動，在高調(diào)制比和負(fù)載功率因數(shù)較低時波動幅度較大。

當(dāng)參考矢量仍位于圖5中的位置，假設(shè)此時中點電流中的正向的A相和C相電流有利于中點平衡，即開關(guān)狀態(tài)ONN，PPO有利于中點平衡，而開關(guān)矢量POO，OON不利于中點平衡，則舍去開關(guān)狀態(tài)POO和OON。

圖5 參考矢量位置

2.2 衡因子法

矢量取舍法對冗余小矢量采取整體取舍的做法，比較簡便，但是調(diào)節(jié)作用有些粗略，因此中點電位雖然穩(wěn)定，但是仍會有較大幅度的波動。平衡因子法通過采樣中點電位和電流，計算分配小矢量的作用時間，來精確補(bǔ)償中點電位的不平衡。

假設(shè)參考矢量位于第一扇區(qū)C區(qū)域，矢量ONN，PNN，PON，POO的作用時間分別為t1，t2，t3，t4。采用平衡因子法時，引入平衡因子k。

其中，-1

本次開關(guān)周期開始時中點電荷量為：

為了使中點能在本開關(guān)周期內(nèi)達(dá)到平衡，k必須取合適的值，使Q+ΔQ=0。則可得：

3 基于虛擬中矢量的中點電位控制

基于虛擬中矢量的空間矢量調(diào)制方法為了避免在高調(diào)制比和低功率因數(shù)時中點電位波動過大，引入虛擬中矢量來限制中矢量的作用時間，以免單個開關(guān)周期內(nèi)中矢量引入中點電流超出了小矢量的補(bǔ)償能力。

在第一扇區(qū)，用正小矢量ONN，PPO和中矢量PON來合成虛擬中矢量來代替原來的中矢量。小矢量ONN引入的中點電流為ia，PON引入的電流為ib，PPO對應(yīng)的中點電流為ic。若系統(tǒng)無中線，ia+ib+ic=0。虛擬中矢量引入的平均中點電流為：

因此虛擬中矢量完全不會引入中點電流，即不會造成中點電位波動。所以用這個中矢量來代替原來的中矢量，就能避免因為中矢量引入的中點電荷不能完全被小矢量的抵消而造成的中點電位波動。采用虛擬中矢量后，扇區(qū)內(nèi)的小區(qū)間劃分也隨之改變，如圖6，可以分為5個小區(qū)間。

4 仿真與實驗結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

在Matlab/simulink建立NPC三電平逆變器的仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 NPC三電平逆變器仿真模型參數(shù)

由仿真結(jié)果可以看出，矢量取舍法能保持中點電位穩(wěn)定，但存在三倍頻脈動，峰峰值接近50 V，相對于60 V的直流母線電壓很大，可見這種控制方案有很大的局限性。平衡因子法的控制效果明顯好于前面兩種方法，中點電位基本都在±6 V以內(nèi)，但是中點電位低頻脈動依然存在，波動幅度相對于60 V的直流母線電壓仍然比較大，這是因為調(diào)整冗余小矢量的作用時間已經(jīng)不足以補(bǔ)償中點電位的變化。基于虛擬中矢量的空間矢量調(diào)制大大改善了中點電位控制效果，波動峰峰值小于1 V。

圖7 三種控制方法下中點電位的波動情況

4.2 實驗結(jié)果

為了驗證以上分析特別是基于虛擬中矢量SVPWM抑制中點電位波動的有效性，搭建實驗平臺進(jìn)行對比實驗。實驗平臺由NPC型三電平逆變器主電路和dSPACE系統(tǒng)組成，逆變器的各項參數(shù)與仿真模型相同，見表1。實驗平臺控制部分用dSPACE系統(tǒng)實現(xiàn)。逆變器主電路選用英飛凌的IGBT模塊BSM100GB1200N2K和IXYS的快恢復(fù)二極管DSEI2×61-12B。為了降低干擾對驅(qū)動信號的影響，驅(qū)動信號通過光纖發(fā)送。在驅(qū)動信號發(fā)生板4201FPGA開發(fā)板上加入過流保護(hù)，以利用FPGA響應(yīng)速度快的優(yōu)點實現(xiàn)直流母線過壓及過流保護(hù), 實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖8。

圖9是采用三種控制方法下的中點電位的波動情況，結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相符。矢量取舍控制能保證中點電位的穩(wěn)定，但是中點電位存在劇烈波動，這都是因為中矢量引入的中點電荷不能被精確的抵消，平衡因子法能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對中矢量中點電流的精確補(bǔ)償，但是在高調(diào)制比和低功率因數(shù)時，中矢量的中點電流超出了小矢量的補(bǔ)償能力，仍然不能避免中點電位的大幅波動。基于虛擬中矢量的空間矢量調(diào)制方法，從根本上解決了中小矢量引入中點電流造成中點電位波動的問題，大幅抑制了中點電位的波動，波動峰峰值降低到不足4 V。

圖8 NPC型三電平逆變器實驗平臺結(jié)構(gòu)

圖9 三種控制方法下中點電位的波動情況

5 結(jié)論

本文首先分析了NPC型三電平逆變器中點電位不平衡的原因，明確了各個矢量對中點電位的影響。比較了常見的控制策略，從中點電位穩(wěn)定性和中點電位低頻脈動的角度進(jìn)行分析，重點研究了基于虛擬中矢量調(diào)制的控制策略，仿真和實驗結(jié)果均表明該方案有的有效性。

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Study on neutral point potential balance control of three-level inverter based on virtual medium-vector

Chen Miao1, Su Zhaokui2, Peng Xin1, Ouyang Hui1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064；2. State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment, China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518172)

TM464

A

1003-4862（2022）12-0042-04

2011-11-26

陳淼（1976-），女，高級工程師。從事艦船電力系統(tǒng)試驗和研究。E-mail: wh4001@163.com