三电平逆变器中点电压平衡控制

三电平逆变器中点电压平衡控制

1中点电压平衡控制中点电压平衡是多波形中点支配电压（cnp）的固有问题和研究热点。如何消除中点电压的直流和交流波动,实现中点电压的平衡控制,一直是国内外学者研究NPC逆变器的热点,一般可以采用以下4种方法进行解决:1)采用两路独立的直流电源,需要具有两路独立二次绕组的隔离变压器,这将增加系统成本;2)采用附加的功率变换器向中点注入或者抽取电流,将造成系统成本增加和控制上的困难;3)通过算法合理选择冗余矢量的作用时间和作用顺序来进行中点电压的平衡。方法3)大多数的中点电压平衡控制方法是基于SVPWM调制方法提出的,通过调整小矢量作用时间来实现中点电压的平衡控制,取得了一定的控制效果,但这些方法都是基于传统SVPWM控制和局限于最近三基本矢量(NTV)方法,存在对中点电压平衡控制内在规律缺乏深刻认识,忽视了多电平NPC逆变器在采用传统SVPWM控制方法时,中点电压存在不能平衡的区域,不能对中点电压进行完全控制。本文在论述三电平NPC逆变器传统空间矢量调制方法的基础上,建立了中点电流和电压的数学模型,分析了传统SVPWM控制方法中点电压存在不能平衡的区域,利用基于合成空间矢量的调制方法和中点电压模型,对中点电压进行了有效控制,最后通过仿真和实验研究验证了算法的有效性。2空间电压矢量三电平NPC逆变器,如图1所示,每相臂有+VDC2,0,-VDC2三种可能的输出电压值,分别记做p,o,n3种开关状态。因此三相三电平逆变器可以输出33=27种电压状态组合,对应27种不同的逆变器开关状态,由于冗余矢量的存在实际上只对应着19个空间矢量,在α-β坐标系上,得到三电平逆变器的空间矢量图如图2所示,空间矢量图可以分为A~F6个大区,每个大区又可以分为4个小三角形区域。按照矢量的模长和对中点电压的影响可以将空间电压矢量分为5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影响中点电流和电压。在一个采样周期TS内,根据传统的最近三矢量(thenearestthreespace-vector,NTV)合成原则,用3个基本电压矢量来合成给定的参考电压矢量传统的NTV方法当调制度较大时,小矢量的作用时间很小,而参考矢量主要由大矢量和中矢量来合成,中矢量由于没有冗余矢量,其引起的中点电压偏移就很难进行有效控制。refV。3a区为例的分析方法设参考矢量Vref=Vejθ,参考矢量三相电压va,vb,vc的瞬时值表达式为设负载功率因素角为ϕ,则电流矢量为Iref=Iej(θ-ϕ),三相电流ia,ib,ic的瞬时值表达式为在一个采样周期TS内的中线电流可以表示为:式中:中矢量对应的开关函数Ma、Mb、Mc定义如表1。小矢量对应的开关函数S0a、S0b、S0c和S1a、S1b、S1c定义如表2。以图2所示的A区为例进行分析,其他大区分析方法类似。1)在A区A1小三角形设小矢量V1的作用时间TS0,其中poo的作用时间1(-k0)TS0/2,onn的作用时间1(+k0)TS0/2;小矢量V4的作用时间TS1,其中ppo的作用时间(1-k1)TS1/2,oon的作用时间1(+k1)TS1/2(k0,k1∈[-,1]1)。则中点电流表达式为式(4)。2)在A区A2小三角形设小矢量V1的作用时间TS0,其中poo的作用时间1(-k0)TS0/2,onn的作用时间1(+k0)TS0/2;中矢量V2的作用时间TM。则中点电流表达式为式(5)。3)在A区A3小三角形设小矢量V1的作用时间TS0,其中poo的作用时间1(-k0)TS0/2,onn的作用时间1(+k0)TS0/2;小矢量V4的作用时间TS1,其中ppo的作用时间(1-k1)TS1/2,oon的作用时间1(-k1)TS1/2;中矢量V2的作用时间TM。则中点电流表达式为式(6)。4)在A区A4小三角形设小矢量V1的作用时间TS1,其中ppo的作用时间1(-k1)TS1/2,oon的作用时间1(+k1)TS1/2;中矢量V2的作用时间TM。则中点电流表达式为(7)。4大区内单采样周期ts内中点电压平衡在sT内,iNP=0时,uNP=0。下面以A区为例进行分析,其他区分析方法类似。根据式(4)~(7),可以得到中点电压平衡的数学模型如式(8)。根据传统的NTV中点电压平衡的数学模型,可以得到参考矢量位于A大区内,在单采样周期TS内当中点电压平衡时调制度m、功率因数角ϕ和参考矢量的方位角θ需满足式(9)。当功率因素角ϕ已知时,由式(3)得到θ-m的曲线,如图3所示。(图中“--”线表示A2的θ-m曲线,“-+”线表示A3的θ-m曲线,“实线”表示A4的θ-m曲线;如图3所示“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。)从图3可以看出,在单采样周期TS内当逆变器以一定的频率和调制度m运行时,在一定的条件下中矢量引起的中点电压偏移是可以采用小矢量加以平衡,而调制度m较大的某些区域则是不可能平衡的。并且可以看出,当调制度m一定时,随着负载功率因数的变差,不可平衡的区域逐渐变大。5合成空间矢量法由上面分析可知,基于传统SVPWM的NTV合成原则,在调制度m较大时中点电压存在不能完全平衡的区域。为此,本文对传统的SVPWM的NTV方法进行改进,利用基于合成空间矢量(syntheticalspace-vector,SSV)的最近三合成矢量(thenearestthreesynthetical-space-vector,NTSV)方法,能够对中点电压进行完全控制。5.1合成空间是由长期作用本文基于对中点电压进行完成控制的目的,设计合成中、小矢量的原则为中点电流为零,对中点电压没有影响。1)合成中矢量以A区中的中矢量V2(pon)为例,由于pon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,可以认为在一个采样周期TS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onn和ppo(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解决。设合成中矢量如式(10)。当合成中矢量VSM1作用时,中点电流在逆变系统常见的三相三线制负载中,输出三相电流和为零,im=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。即合成中矢量VSM1作用时,总体上中点电流不受影响,不会产生中点电压偏移,从根本上解决了中矢量作用时的中点电压偏移问题。2)合成小矢量小矢量会影响中点电压的平衡,但由于每个小矢量的冗余度为2,分为正小矢量和负小矢量,而它们对中点电压作用刚好相反,因此可以灵活地利用正/负小矢量的作用时间分配进行中点电压平衡控制,以小矢量V1为例,设其合成小矢量如式(12)。式中:k1p+k1n=1。k1p,k1n为中点电压调整系数,可以通过调整k1p,k1n来实现中点电压的平衡控制。当中点电压平衡时,k1p=k1n=0.5;当k1p>0.5时,正小矢量作用时间较负小矢量长,设电流从逆变器流向负载为正,ia(t)为正时合成小矢量VSS1的作用使中点电压减小;反之,同理当k1p<0.5时使中点电压增加。根据式(10)~(12)和大矢量、零矢量不变的原则,得到合成空间矢量图如图4(a)。此时空间矢量图仍分为A~F6个大区,但每个大区分为6个小三角形区域,如图5(b)。5.2参考电压矢量原则在一个控制周期TS内,根据最近三合成矢量原则,可以用3个基本合成电压矢量来合成一个给定的参考电压矢量Vref。以A区为例,每个小三角形矢量选择如表3。5.3tvs1和tvm1的作用时间设在A区内,合成中、小空间矢量如式(13)。式中:根据伏秒平衡原理和参考矢量Vref所在的具体小三角形,可以计算出合成矢量VSS1,VSS2,VSM1的作用时间分别为TVS1,TVS2,TVM1。为了避免在参考矢量切换扇区时可能出现的矢量突变问题,提出了在每个大区全部采用相同小矢量为首发矢量,有利于各个小区的矢量平稳过渡。如在A区全部采用正小矢量ppo。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。当中点电压发生偏移时,采用中点电压模型进行控制,为了避免过补偿和减小计算时间,可以将中点电压偏移度δ<5%作为不补偿的区域。6实验平台的构建为验证基于最近三合成矢量的中点电压控制方法的控制效果,采用MATLAB7.0/Simulink仿真软件,以三电平NPC逆变器为模型,采用MOSFET为主开关器件,负载为三相异步电机,进行了仿真研究。图5所示为输出频率f=50Hz、调制度m=0.8时传统的SVPWM和本文的SSVPWM方法仿真输出的线电压波形的比较,可以看出SVPWM由于中点电压的偏移,波形出现了较大失真。为验证上述算法的中点电压实际控制效果,实验室以2SK2879型MOSFET为主开关器件,选用瑞士Digital-logic公司的MSM486SV4嵌入式计算机为核心控制器,采用Altera公司的EPF10K50RC240FPGA作为驱动信号的外部逻辑分配,采样芯片选用AD公司的高速AD7490芯片,构建了三电平NPC逆变器实验平台,系统的原理框图如图6所示。运行频率f=50Hz,采样周期TS=556µs,负载拖动1.5kW风机时进行实验。图7是采用Tektronix数字示波器实测的调制度m=0.8时传统的SVPWM和本文的SSVPWM方法的逆变器输出线电压波形、直流侧电容电压波形的比较。从实测波形明显看出,采用传统的SVPWM控制时由于中点电压的不平衡,线电压出现严重畸变而采用本文的SSVPWM控制时中点电压得到了有效控制,线电压波形显著改善。7合成矢量均衡模型三