三电平中点钳位逆变器的控制

三电平中点钳位逆变器的控制

1理论依据与中点电压平衡如图1所示，a.nabale在ias年会议上提出后，通过将同一级别的开关频率高、单管承受电压低、输出电压波形好、输出波形小，成为当前电子表格的研究热点。但由于NPC逆变器负载电流通过各相桥臂在NPC逆变器的中线产生了一定的交流电流，此中线电流流入到直流电容中，使两个直流电容电压分压不均和产生相应的交流波动。文献详细讨论了中点电压发生不平衡的机理，指出在某些负载条件下中点电压存在低频振荡现象。NPC逆变器的中点电压平衡问题一直受到国内外学者的广泛关注，提出了多种不同的中点电压控制方法。本文在传统空间矢量调制（SVPWM）方法及其对中点电压控制影响的基础上，分析了传统SVPWM最近三矢量合成方法中点电压存在不能平衡的区域，利用基于虚拟空间矢量的调制方法，实现中点电压的有效控制，并进行了实验验证。2以往的ntv方法及中点电压控制的影响2.1中点电压的影响三电平逆变器的空间矢量图如图2所示。且可将空间矢量图分为A～F六个大区，每个大区又可以分为四个小三角形。按照矢量的模长和对中点电压的作用可以将空间电压矢量分为五组：大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量和零矢量。大矢量和零矢量对中点电流没有影响；而中矢量和正/负小矢量对中点电流的影响见表1ㄢ令电流从逆变器流向负载为正，当ia(t)、ib(t)和ic(t)方向为正时，中矢量和正/负小矢量对中点电压的影响见表2ㄢ从表2可见，每对正/负小矢量对中点电压的影响刚好相反，由于中矢量没有冗余矢量，可供选择用于控制中点电压的冗余矢量是小矢量，通过改善位于同一点的两个正/负小矢量的作用时间就可以有效地控制中点电压。在一个采样周期TS内，根据最近三矢量（theNearestThreeSpace-Vector,NTV）合成方法，对于一个给定的参考电压矢量Vref，可以用三个基本电压矢量来合成。由伏秒平衡原理，满足方程基于传统的α-β坐标系空间矢量的分区算法和作用时间的计算在很多论文中都有所讨论，这里就不再赘述。2.2在ntv合成中，中心电压平衡区域为2.2.1内中点电压平衡时调制度根据基于NTV合成方法的中点电压平衡数学模型，可以得到参考矢量位于A大区（其他大区类似），在单采样周期TS内中点电压可以平衡时调制度m、功率因数角ϕ和当前参考矢量的方位角θ需要满足式（2）ㄢ当功率因数角ϕ已知时，由式（2）得到θ-m的曲线，如图3所示（图中虚线表示A2的θ-m曲线，点画线表示A3的θ-m曲线，实线表示A4的θ-m曲线；“曲线1”上方为A2区，“曲线2”上方为A4区，A2区和A4区下方和“曲线3”上方为A3区）。2.2.2中点电压的可平衡平衡值图3给出了在单采样周期TS内的可平衡区域。下面考虑60°扇区内的可平衡情况，由于计算推导过程较复杂，本文就不详细叙述，直接给出了60°扇区内中点电压的可平衡曲线，如图4所示。阴影部分为可以平衡区域。从图4可以看出，在调制度m和一定的功率因数角ϕ时，也存在由于中矢量引起的中点电压不能平衡的区域。3平衡区域的研究由上面分析可知，基于传统SVPWM的NTV合成方法，在调制度m较大或一定的功率因数角ϕ时，中点电压存在不能完全平衡的区域。为此，对传统的基于SVPWM的NTV方法进行改进，利用基于虚拟空间矢量（Virtual-Space-Vector,VSV）的最近三虚拟矢量（theNearestThreeVirtual-Space-Vector,NTV2）合成方法，理论上能够对中点电压进行完全控制。3.1-平面均匀地虚拟空间矢量是由特定的空间电压矢量按照一定的方式合成，均匀地分布在α-β平面上，其方向固定，仅长度可调。基于对中点电压进行完成控制的目的，设计虚拟矢量的原则为虚拟矢量的中点电流为零，对中点电压没有影响。3.1.1相电流输出的校核以A区中的中矢量Vpon为例，由于Vpon对应的中点电流为ib(t)，通常情况下不为零，会导致中点电压的偏移。通常采样周期TS都很短，因此可以认为在一个采样周期内，各相电流输出可以认为是一个恒定值，如果在该采样周期内加入小矢量Vonn和Vppo（对应的中点电流分别为ia,ic），且这三个矢量的作用时间相同，则中点电压偏移的问题就可以得到很好地解决。设虚拟中矢量为当虚拟中矢量VVM1作用时，中点电流式（3）和式（4）中，3k1=1，即1k=1/3ㄢ当输出三相电流之和为零时，iNP=0。由于在一个采样周期TS内，平均中点电流为零，则中点电压的偏移为零。即虚拟中矢量VVM1作用时，总体上中点电流不受影响，不会产生中点电压偏移，解决了传统中矢量产生中点电压偏移的问题。3.1.2正小矢量vvs1和k、k3小矢量会影响中点电压的平衡，但由于每个小矢量分为正小矢量和负小矢量，而它们对中点电压的作用刚好相反，因此可以灵活地利用正/负小矢量的作用时间的分配进行中点电压平衡控制，以小矢量Vpoo、Vonn为例，设其虚拟小矢量为式中，k2+k3=1ㄢ式（5）中，k2、k3为中点电压调整系数，可以通过调整k2、k3来实现对中点电压的平衡。当中点电压平衡时，k2=k3=0.5；当k2>0.5时，正小矢量作用时间较负小矢量长，根据2.1节的电流方向定义，ia(t)为正时虚拟小矢量VVS1的作用使中点电压减小；同理，当k2<0.5时使中点电压增加。k2、k3的具体取值可以根据中点电压数学模型进行计算，为了避免过补偿和减少计算时间，可以将中点电压偏移度δ<5%作为不补偿的区域。3.1.3正/负小矢量的构造众所周知，大矢量不会影响中点电压，但大矢量很容易导致过高的电压幅值跳变，而使用小矢量和零矢量有助于消除过高的电压幅值跳变，因此对应每一种大矢量可以利用正/负小矢量来构造对应的虚拟矢量，以大矢量Vpnn为例对应的虚拟大矢量为式中，k4+2k5=1ㄢ3.1.4零矢量法式中，k6+k7+k8=1ㄢ根据输出电压矢量的开关要求，可以通过调节虚拟零矢量式（7）的系数k6、k7和k8来使用一个零矢量或者多个零矢量实现每相电压的平稳过渡。根据式（3）～式（7），得到虚拟空间矢量图如图5所示。3.2虚拟空间辅助矢量的分区在虚拟空间矢量控制中，首先要确定参考矢量所处的位置，然后根据最近三虚拟矢量方法，得到用于合成目标矢量的空间矢量。从图5a可以看出，由于各虚拟空间矢量与传统空间矢量方向相同，所以同样可以将虚拟空间矢量图划分为A～F六个大区。在A～F六个大区中，由于虚拟中矢量的模长为传统中矢量模长的2/3，所以每个大区分为五个三角形小区，A大区如图5b所示。令虚拟空间矢量图的A区的分区规则见表3。其他大区的分区规则参考A大区。表中,。3.3虚拟电压矢量在一个控制周期TS内，对于一个给定的参考电压矢量Vref，根据NTV2原则，可用三个虚拟电压矢量来合成。以A区为例，每个小三角形矢量选择见表4ㄢ3.4各变量在a区内的信号转换输出电压矢量作用时间的计算步骤：(1）根据伏秒平衡原理，利用式（1）计算出各合成虚拟矢量的作用时间T1、T2和T3;(2）根据式（3）～式（7）、中点电压和开关时序，确定系数k1～k8;(3）根据各虚拟矢量的作用时间T1、T2、T3和系数k1～k8，计算得到各基本矢量的作用时间。设在A区内，虚拟空间矢量为根据式（1）和参考矢量Vref所在的具体小三角形，计算出虚拟矢量VVS1、VVS2、VVM1、VVL1、VVL2和VV0的作用时间分别为TVS1、TVS2、TVM1、TVL1、TVL2和TV0。图6为参考矢量Vref分别位于A1、A2、A3、A4、A5小三角形的每相输出电压矢量的开关时序和作用时间。为了各个小区的矢量平稳过渡，本文提出了在A区全部采用相同正小矢量Vppo为首发矢量，避免了在参考矢量切换扇区时可能出现的矢量突变问题。当然首发小矢量全部采用负小矢量Vonn也可以，只要将图6中的输出矢量的次序颠倒一下即可。且从图6可以得出，当ia+ib+ic=0时，每个采样周期TS内中点电流为零，即不产生中点电压偏移。4实验驱动电路为验证算法的实际效果，实验室构建了三电平NPC逆变器实验平台，原理框图如图7所示。选用瑞士Digital-logic公司的MSM486SV4嵌入式计算机为核心控制器，进行SVPWM和VSVPWM控制方法的计算；采用Altera公司的EPF10K50RC240型FPGA作为驱动信号的外部逻辑分配和死区保护，输出12路PWM信号；使用TLP250功率型光耦作为隔离驱动电路，驱动由2SK2879型MOSFET主开关器件构成的三电平NPC逆变桥工作；输出电流和电压信号采用LEM公司的电流、电压传感器和AD公司的高速采样芯片AD7490。运行频率f=50Hz，采样周期TS=556μs，负载拖动0.75kW风机进行实验。图8是采用TektronixTPS2024数字示波器实测的调制度m=0.8时，SVPWM和VSVPWM方法逆变器输出线电压波形、直流侧电容电压波形和线电压频谱的比较。从实测波形可见，图8a采用传统的SVPWM控制方法时，两直流侧电容电压uC1和uC2（中点电压uNP=uC1-uC2）相差较大，此时中点电压产生明显偏移，线电压uab畸变严重，谐波含量较大；而图8b采用VSVPWM控制方法，两直流侧电容电压基本一致，有效控制了中点电压平衡，线电压uab明显改善，谐波含量较小，验证了算法的有效性。5实验结果分析由于三电平NPC逆变器突出的优点，在国家大力推广节能降耗新技术的背景下，已经成为当今电力电子和电力传动技术的研究热点。但NPC逆变器存在直流电容电压平衡的固有问题，在一定程度上限制了其应用。本文在分析传统空间矢量调制NTV方法对中点电压控制影响的基础上，利用基于虚拟矢量的VSVPWM算法，对中点电压进行了有效控制。搭建了以嵌入式计算机和F