三電平中點鉗位逆變器的控制

1理論依據與中點電壓平衡如圖1所示，a.nabale在ias年會議上提出后，通過將同一級別的開關頻率高、單管承受電壓低、輸出電壓波形好、輸出波形小，成為當前電子表格的研究熱點。但由于NPC逆變器負載電流通過各相橋臂在NPC逆變器的中線產生了一定的交流電流，此中線電流流入到直流電容中，使兩個直流電容電壓分壓不均和產生相應的交流波動。文獻詳細討論了中點電壓發生不平衡的機理，指出在某些負載條件下中點電壓存在低頻振蕩現象。NPC逆變器的中點電壓平衡問題一直受到國內外學者的廣泛關注，提出了多種不同的中點電壓控制方法。本文在傳統空間矢量調制（SVPWM）方法及其對中點電壓控制影響的基礎上，分析了傳統SVPWM最近三矢量合成方法中點電壓存在不能平衡的區域，利用基于虛擬空間矢量的調制方法，實現中點電壓的有效控制，并進行了實驗驗證。2以往的ntv方法及中點電壓控制的影響2.1中點電壓的影響三電平逆變器的空間矢量圖如圖2所示。且可將空間矢量圖分為A～F六個大區，每個大區又可以分為四個小三角形。按照矢量的模長和對中點電壓的作用可以將空間電壓矢量分為五組：大矢量、中矢量、正小矢量、負小矢量和零矢量。大矢量和零矢量對中點電流沒有影響；而中矢量和正/負小矢量對中點電流的影響見表1ㄢ令電流從逆變器流向負載為正，當ia(t)、ib(t)和ic(t)方向為正時，中矢量和正/負小矢量對中點電壓的影響見表2ㄢ從表2可見，每對正/負小矢量對中點電壓的影響剛好相反，由于中矢量沒有冗余矢量，可供選擇用于控制中點電壓的冗余矢量是小矢量，通過改善位于同一點的兩個正/負小矢量的作用時間就可以有效地控制中點電壓。在一個采樣周期TS內，根據最近三矢量（theNearestThreeSpace-Vector,NTV）合成方法，對于一個給定的參考電壓矢量Vref，可以用三個基本電壓矢量來合成。由伏秒平衡原理，滿足方程基于傳統的α-β坐標系空間矢量的分區算法和作用時間的計算在很多論文中都有所討論，這里就不再贅述。2.2在ntv合成中，中心電壓平衡區域為2.2.1內中點電壓平衡時調制度根據基于NTV合成方法的中點電壓平衡數學模型，可以得到參考矢量位于A大區（其他大區類似），在單采樣周期TS內中點電壓可以平衡時調制度m、功率因數角?和當前參考矢量的方位角θ需要滿足式（2）ㄢ當功率因數角?已知時，由式（2）得到θ-m的曲線，如圖3所示（圖中虛線表示A2的θ-m曲線，點畫線表示A3的θ-m曲線，實線表示A4的θ-m曲線；“曲線1”上方為A2區，“曲線2”上方為A4區，A2區和A4區下方和“曲線3”上方為A3區）。2.2.2中點電壓的可平衡平衡值圖3給出了在單采樣周期TS內的可平衡區域。下面考慮60°扇區內的可平衡情況，由于計算推導過程較復雜，本文就不詳細敘述，直接給出了60°扇區內中點電壓的可平衡曲線，如圖4所示。陰影部分為可以平衡區域。從圖4可以看出，在調制度m和一定的功率因數角?時，也存在由于中矢量引起的中點電壓不能平衡的區域。3平衡區域的研究由上面分析可知，基于傳統SVPWM的NTV合成方法，在調制度m較大或一定的功率因數角?時，中點電壓存在不能完全平衡的區域。為此，對傳統的基于SVPWM的NTV方法進行改進，利用基于虛擬空間矢量（Virtual-Space-Vector,VSV）的最近三虛擬矢量（theNearestThreeVirtual-Space-Vector,NTV2）合成方法，理論上能夠對中點電壓進行完全控制。3.1-平面均勻地虛擬空間矢量是由特定的空間電壓矢量按照一定的方式合成，均勻地分布在α-β平面上，其方向固定，僅長度可調。基于對中點電壓進行完成控制的目的，設計虛擬矢量的原則為虛擬矢量的中點電流為零，對中點電壓沒有影響。3.1.1相電流輸出的校核以A區中的中矢量Vpon為例，由于Vpon對應的中點電流為ib(t)，通常情況下不為零，會導致中點電壓的偏移。通常采樣周期TS都很短，因此可以認為在一個采樣周期內，各相電流輸出可以認為是一個恒定值，如果在該采樣周期內加入小矢量Vonn和Vppo（對應的中點電流分別為ia,ic），且這三個矢量的作用時間相同，則中點電壓偏移的問題就可以得到很好地解決。設虛擬中矢量為當虛擬中矢量VVM1作用時，中點電流式（3）和式（4）中，3k1=1，即1k=1/3ㄢ當輸出三相電流之和為零時，iNP=0。由于在一個采樣周期TS內，平均中點電流為零，則中點電壓的偏移為零。即虛擬中矢量VVM1作用時，總體上中點電流不受影響，不會產生中點電壓偏移，解決了傳統中矢量產生中點電壓偏移的問題。3.1.2正小矢量vvs1和k、k3小矢量會影響中點電壓的平衡，但由于每個小矢量分為正小矢量和負小矢量，而它們對中點電壓的作用剛好相反，因此可以靈活地利用正/負小矢量的作用時間的分配進行中點電壓平衡控制，以小矢量Vpoo、Vonn為例，設其虛擬小矢量為式中，k2+k3=1ㄢ式（5）中，k2、k3為中點電壓調整系數，可以通過調整k2、k3來實現對中點電壓的平衡。當中點電壓平衡時，k2=k3=0.5；當k2>0.5時，正小矢量作用時間較負小矢量長，根據2.1節的電流方向定義，ia(t)為正時虛擬小矢量VVS1的作用使中點電壓減小；同理，當k2<0.5時使中點電壓增加。k2、k3的具體取值可以根據中點電壓數學模型進行計算，為了避免過補償和減少計算時間，可以將中點電壓偏移度δ<5%作為不補償的區域。3.1.3正/負小矢量的構造眾所周知，大矢量不會影響中點電壓，但大矢量很容易導致過高的電壓幅值跳變，而使用小矢量和零矢量有助于消除過高的電壓幅值跳變，因此對應每一種大矢量可以利用正/負小矢量來構造對應的虛擬矢量，以大矢量Vpnn為例對應的虛擬大矢量為式中，k4+2k5=1ㄢ3.1.4零矢量法式中，k6+k7+k8=1ㄢ根據輸出電壓矢量的開關要求，可以通過調節虛擬零矢量式（7）的系數k6、k7和k8來使用一個零矢量或者多個零矢量實現每相電壓的平穩過渡。根據式（3）～式（7），得到虛擬空間矢量圖如圖5所示。3.2虛擬空間輔助矢量的分區在虛擬空間矢量控制中，首先要確定參考矢量所處的位置，然后根據最近三虛擬矢量方法，得到用于合成目標矢量的空間矢量。從圖5a可以看出，由于各虛擬空間矢量與傳統空間矢量方向相同，所以同樣可以將虛擬空間矢量圖劃分為A～F六個大區。在A～F六個大區中，由于虛擬中矢量的模長為傳統中矢量模長的2/3，所以每個大區分為五個三角形小區，A大區如圖5b所示。令虛擬空間矢量圖的A區的分區規則見表3。其他大區的分區規則參考A大區。表中,。3.3虛擬電壓矢量在一個控制周期TS內，對于一個給定的參考電壓矢量Vref，根據NTV2原則，可用三個虛擬電壓矢量來合成。以A區為例，每個小三角形矢量選擇見表4ㄢ3.4各變量在a區內的信號轉換輸出電壓矢量作用時間的計算步驟：(1）根據伏秒平衡原理，利用式（1）計算出各合成虛擬矢量的作用時間T1、T2和T3;(2）根據式（3）～式（7）、中點電壓和開關時序，確定系數k1～k8;(3）根據各虛擬矢量的作用時間T1、T2、T3和系數k1～k8，計算得到各基本矢量的作用時間。設在A區內，虛擬空間矢量為根據式（1）和參考矢量Vref所在的具體小三角形，計算出虛擬矢量VVS1、VVS2、VVM1、VVL1、VVL2和VV0的作用時間分別為TVS1、TVS2、TVM1、TVL1、TVL2和TV0。圖6為參考矢量Vref分別位于A1、A2、A3、A4、A5小三角形的每相輸出電壓矢量的開關時序和作用時間。為了各個小區的矢量平穩過渡，本文提出了在A區全部采用相同正小矢量Vppo為首發矢量，避免了在參考矢量切換扇區時可能出現的矢量突變問題。當然首發小矢量全部采用負小矢量Vonn也可以，只要將圖6中的輸出矢量的次序顛倒一下即可。且從圖6可以得出，當ia+ib+ic=0時，每個采樣周期TS內中點電流為零，即不產生中點電壓偏移。4實驗驅動電路為驗證算法的實際效果，實驗室構建了三電平NPC逆變器實驗平臺，原理框圖如圖7所示。選用瑞士Digital-logic公司的MSM486SV4嵌入式計算機為核心控制器，進行SVPWM和VSVPWM控制方法的計算；采用Altera公司的EPF10K50RC240型FPGA作為驅動信號的外部邏輯分配和死區保護，輸出12路PWM信號；使用TLP250功率型光耦作為隔離驅動電路，驅動由2SK2879型MOSFET主開關器件構成的三電平NPC逆變橋工作；輸出電流和電壓信號采用LEM公司的電流、電壓傳感器和AD公司的高速采樣芯片AD7490。運行頻率f=50Hz，采樣周期TS=556μs，負載拖動0.75kW風機進行實驗。圖8是采用TektronixTPS2024數字示波器實測的調制度m=0.8時，SVPWM和VSVPWM方法逆變器輸出線電壓波形、直流側電容電壓波形和線電壓頻譜的比較。從實測波形可見，圖8a采用傳統的SVPWM控制方法時，兩直流側電容電壓uC1和uC2（中點電壓uNP=uC1-uC2）相差較大，此時中點電壓產生明顯偏移，線電壓uab畸變嚴重，諧波含量較大；而圖8b采用VSVPWM控制方法，兩直流側電容電壓基本一致，有效控制了中點電壓平衡，線電壓uab明顯改善，諧波含量較小，驗證了算法的有效性。5實驗結果分析由于三電平NPC逆變器突出的優點，在國家大力推廣節能降耗新技術的背景下，已經成為當今電力電子和電力傳動技術的研究熱點。但NPC逆變器存在直流電容電壓平衡的固有問題，在一定程度上限制了其應用。本文在分析傳統空間矢量調制NTV方法對中點電壓控制影響的基礎上，利用基于虛擬矢量的VSVPWM算法，對中點電壓進行了有效控制。搭建了以嵌入式計算機和F