一种三电平逆变器中点电压平衡控制方法

一种三电平逆变器中点电压平衡控制方法

1基于三角等空间电压矢量调制的中点电压平衡控制方法众所周知，中点三平流器存在着中点电压波动问题，引起了人们的关注，并提出了各种中点电压控制方法。电平逆变器电路如图1所示,每相输出都可以连接到正(P)、负(N)或者直流母线中性点(O),逆变器的开关状态可用图2所示空间矢量图说明,所有空间矢量可以分类为零矢量、小矢量(内六边形的顶点)、中矢量(外六边形边的中点)和大矢量(外六边形的顶点),零矢量和小矢量都有冗余开关状态。工作矢量为小矢量或中矢量意味着三相负载的一相或者两相被连接到中性点,这将导致引起中点电压波动的中点电流。每对冗余小矢量产生的输出线电压是相同的,但引起的中点电流极性却相反。中点电压控制的关键就在于采用合适的小矢量产生期望极性的平均中点电流来平衡电容电压。迄今为止,解决中点钳位式三电平逆变器中点波动问题的中点电压平衡方法都是基于三角载波调制,或基于空间电压矢量调制。文献从空间矢量的角度全面分析了各开关状态和负载电流对中点电压平衡的影响,但并没有给出有效的中点电压平衡控制方法。文献提出的基于空间矢量调制的中点控制方案是一种有效的中点控制方法,但是其实现方法相当繁复。文献基于三角载波调制对中点波动进行了深入的研究,提出了一种在给定参考电压中加入了零序电压的控制方法,使得电压不平衡为零,并给出了这种控制方式下的可控区域。但是这种方法需要知道电机电流的功率因数角,这在动态过程中是很难得到的,并且所提出的控制方案颇为复杂,不利于计算机的数字实现。本文首先分析了空间电压矢量调制方式下的三相负载电流流进和流出中点对于中点电位的影响,给出了平均中点电流模型,然后基于三角载波调制和空间矢量调制两类调制方法的本质联系,提出了一种新的中点电压平衡控制方法,这种方法只需电容电压和负载三相电流信息,控制算法简便易行,有利于计算机数字实现。最后对所提出的控制方法进行了仿真与实验研究,结果证实了本控制方法的有效性。2中点电位平衡控制对于小矢量和中矢量,三相负载的一相或者两相被连接到中性点,这将产生引起中点电压波动的中点电流(inp),中矢量有一相电流连接到中点,因此使得中点电位在一定程度上依赖于负载条件。三相逆变器每个桥臂的输出共有三种状态,正电平(P)、负电平(N)和零电平(O),因此可以设逆变器的开关状态函数为式中Sx=-1,0,1,x=a,b,c对于任一相桥臂,当该桥臂连接到中性点时,即Sx(t)=0时,此相负载电流会通过钳位二极管流入到中性点,所以流入到中性点电流的瞬时值可以表示为inp(t)=[1-abs(Sa)]·ia+[1-abs(Sb)]·ib+[1-abs(Sc)]·ic=-abs(Sa)·ia-abs(Sb)·ib-abs(Sc)·ic(2)此中性点电流流经直流电容,必将造成直流电容电压的波动,所以中点电位平衡控制的任务就是要在一个控制周期Ts中控制流经中点的平均中点电流为零,使得在每个控制周期中直流电容电压的变化为零。3基于空间向量调理与三角形波调用性质的中点控制策略3.1角滤波器中的三角模型众所周知,对于传统两电平逆变器三相无中线系统,如果在SPWM正弦调制波里适当注入三次谐波(一种零序分量),就可以得到和空间电压矢量调制(SVPWM)相同的输出线电压,而SVPWM则相当于在正弦波上叠加了一个零序分量然后进行规则采样后的结果。但是不能简单地把零序分量归结为三次谐波,尤其在系统的动态调节过程中,调制波的相位和幅值都在发生变化,有时甚至调制波形为非正弦。在三电平逆变器系统中也有类似的结论,下面就这个问题作进一步的分析。设一个三角载波PWM周期内的工作情况如图3所示,其中,为三相参考调制波,Vc1、Vc2为三角载波,根据三角载波和参考调制波的比较关系,可以得到三相桥臂的开关状态,也即对应于三相桥臂的动作时序。从SVPWM的角度仔细分析这个三相桥臂的动作时序,可以发现该模式对应于图2所示第2扇区的B三角形的空间矢量合成时序(这里以中矢量PNO为起始沿逆时针每60°依次定义为扇区1、2、…、6),这个关系实际上已经定性地体现了三电平逆变器三角载波PWM和SVPWM之间的某种联系。需要说明的是,图3中的所有参量都经过了归一化处理。设合成目标参考矢量的三个空间矢量PPO(OON)、PPN、OPN的作用时间分别是2T0、2T1和2T2,T=Ts/2,系数k是T0的分配因子。在上述参量已知情况下可以得出SVPWM的隐含三相调制函数设Va、Vb和Vc为正弦参考给定电压信号,根据规则采样及伏秒平衡原则,可以得出将式(6)、式(7)、式(8)代入式(3)、式(4)、式(5),可以得到由式(12)可以看出,分配因子k在0～1之间变化,对应于三角载波中Vz的变化,k可以是个定值,也可以是随时间变化的量,随着k取不同的值,产生的PWM模式也不同。该式与两电平方式下的三角载波PWM、SVPWM之间关系的表达式几乎完全一致,唯一不同的就是零矢量的意义不一样。由上述分析得出,三电平空间矢量调制(SVPWM)可以通过对三角载波调制加入适当的零序分量来实现,另一方面,三角载波调制可以通过适当选择冗余开关矢量的分配因子由SVPWM来实现,这两种脉宽调制方式之间存在着内在的必然联系。3.2中点电压控制方程最常见也最为常用的就是通过滞环控制调整冗余小矢量的作用时间,这是一种定性粗略的调节方案,并且这种方案的实际控制效果和负载功率因数有很大关系,功率因数越低,其中点控制效果越不理想。冗余小矢量总是成对出现,每对矢量产生同样的线电压,然而产生的中点电流方向却不同,对于中点电压的影响刚好相反。调整小矢量的作用时间即调整该冗余小矢量对的分配因子,由上一节我们知道,这种调整分配因子的SVPWM方法可以通过对三角载波调制加入适当的零序分量来实现,因此中点电压控制的任务就可以转化为找到合适的零序电压分量,精确调整冗余小矢量的作用时间,以实现中点电压的稳定。由第2节中对中点电流的分析知道,欲使每个控制周期中直流电压的变化为零,则需在一个控制周期Ts中控制流经中点的平均中点电流为零,由式(2)并考虑到图3所示三相桥臂开关状态,同时假定一个控制周期Ts内三相负载电流不变,分别为Ia、Ib、Ic,则可以得出当参考矢量位于第2扇区B三角形中时,一个控制周期里平均中点电流为且有根据上一节的分析,将式(14)、式(15)、式(16)代入式(13)并令Inp=0,可得到式(17)就是平均意义上的中点电压控制方程,根据此式得出的零序分量加入到参考调制波和中,即可以实现精确调整冗余小矢量的时间分配,达到中点电位平衡的目的。式(17)是在参考矢量位于第2扇区B三角形中时得出的,当位于A、C、D三角形中时中点电压控制方程表达式一样。需要指出,当参考矢量位于A和C三角形中时加入零序分量后三相参考调制波的中间一相(此处指Vb)可能会发生极性跳变,此时应根据实际跳变情况计算跳变后的零序分量V0。当参考矢量位于其他扇区时,同理可以得出相应的中点电压控制方程。3.3中点电压控制策略在系统实际运行过程中,中点电位可能偏离平衡点位置,或者电容的初始电压不相等,这时应施加适当的中点零序控制电压以控制平均中点电流,使得在一个控制周期Ts内中点电压尽量向平衡点变化。设每个控制周期中测得两个直流电容电压的偏差为则平均注入的中点电流与电容电压变化的关系为式中C1为直流电容值,如图1所示。这时施加控制后流入中点的中点电流并非为零,而应为根据式(13),并令Inp=Inp0,得式(21)就是系统实际运行中平均意义上的中点电压控制方程,同理当参考矢量位于其他扇区时,可以得出相应的中点电压控制方程。3.4约束条件分析控制中点平衡所需零序分量V0是以Inp=0为条件得出的,但实际可加入到参考调制波的零序分量还将受到调制波幅值的限制,必须满足如下约束条件式中x=a,b,c参考矢量位于第2扇区时,参考调制电压为式(3)、(4)、(5),零序分量为式(17),据此可以对上述约束条件进行分析。满足约束条件的零序分量,被加入到参考调制波中,平均中点电流可以被控制到零,中点电位波动可以完全得到抑制。不能满足约束条件的零序分量,此时只能在约束条件的限制下尽可能大的加入零序分量,以使得流入中点的中点电流尽可能小,中点电位波动可以得到改善,但是不能够得到完全抑制。4电机动态中点控制为了验证本文提出的中点平衡控制算法的有效性,针对三相阻感负载进行了仿真研究。所采用的对称三相负载参数为:电阻值为12.6Ω,电感值为20mH,直流电容C1=C2=220μF,系统的直流侧电压为2000V,控制周期为400μs,基波频率为50Hz。图4和图5分别给出了系统输出频率为40Hz、调制深度为0.8和输出频率为25Hz、调制深度为0.5时的运行波形,图中t=0.04s之前没有施加中点控制,之后施加控制,由此比较了中点电压波动情况。可以看出未施加控制之前中点直流电压有较大的波动,加入了中点控制算法以后,电容电压波动得到了有效的抑制。图6给出了输出频率为50Hz、调制深度为1.0有中点电位控制时的系统运行波形。可以看出,此时系统运行于中点非完全可控状态,这可以由参考给定调制波形看出,波形出现了平顶状态,即控制量被限幅在约束条件以内。此时中点平衡控制算法可以减小中点电压波动,但是不能够得到完全的平衡。图7给出了设定输出频率为30Hz、调制深度为0.6没有中点控制和有中点控制时的电机起动实验中点波动波形,三相异步电机参数为:380V,Y接法,3kW。可以看出,系统有效控制了电机起动过程中的中点波动。图8为运行中的电机线电压波形。图9为电机运行过程中施加控制前后的中点波形。由以上结果看出,本文所提出的中点电位平衡控制算法是正确有效的。5基于三角载荷的双网融合控制算法本文研究了三电平逆变器三角载波调制和空间矢量调制(S