基于SVPWM的三電平逆變器中點(diǎn)電壓控制方法

摘要：為提高中點(diǎn)箝位(NPC)三電平逆變器的性能，針對電路中直流中點(diǎn)電壓不平衡的問題，提出了一種基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的精確中點(diǎn)電流控制方法。基于傳統(tǒng)方法利用p型和n型小矢量對中點(diǎn)電流作用效果相反的原理，討論了逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相和存在相位差時(shí)，各區(qū)域小矢量的分配比例和矢量合成方式的切換時(shí)刻。以該方法構(gòu)成的直流側(cè)中點(diǎn)電壓控制環(huán)，可在理論的極限范圍內(nèi)消除中點(diǎn)電壓的直流偏置及交流波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。

1 引言

在NPC三電平電路中，直流母線是由上、下兩個(gè)電容組成，共同承載直流電壓，理論上應(yīng)各自貢獻(xiàn)一半直流電壓，但實(shí)際中可能存在直流中點(diǎn)電壓不平衡現(xiàn)象。若不能有效控制，可能導(dǎo)致輸出三相電流中包含低次諧波分量，電壓超過器件的最大耐壓值，危及開關(guān)器件安全。

NPC三電平中點(diǎn)電壓控制的主要方案有滯環(huán)控制和零序電壓注入兩種。滯環(huán)控制操作簡單，但不能精確控制到直流母線電壓的一半;零序電壓注入法基本可精確地將中點(diǎn)電位誤差控制到零，但控制算法復(fù)雜。這里在分析上述方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于SVPWM的精確中點(diǎn)電流控制的中點(diǎn)電壓控制方法，該方法可精確控制中點(diǎn)電壓，且算法比零序電壓注入法簡單。

2 NPC三電平中點(diǎn)電壓波動(dòng)分析

NPC三電平電路拓?fù)浼半娏髁鲃?dòng)方向如圖1所示。采用SVPWM波產(chǎn)生法時(shí)，合成參考電壓矢量所用的基本電壓矢量可分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。

第I扇區(qū)所有基本矢量如圖2所示，其中U13和U14為大矢量，U7為中矢量，U1和U2為小矢量，U0為零矢量。

以U1為例，圖3表示U1作用時(shí)對應(yīng)的2個(gè)矢量，分別為p型矢量poo和n型矢量onn。p型矢量poo流出中點(diǎn)的電流為ib+ic，三相負(fù)載平衡時(shí)ib+ic=-ia，若ia>0即有電流流入中點(diǎn)，這會(huì)引起中點(diǎn)電壓上升;n型矢量onn流出中點(diǎn)的電流為ia，當(dāng)ia>0時(shí)會(huì)引起中點(diǎn)電壓下降。

用同樣方法分析其他電壓矢量的作用效果，可得如下結(jié)論：大矢量和零矢量對中點(diǎn)電壓無影響;中矢量有影響，但影響效果不確定;小矢量中p型矢量和n型矢量對中點(diǎn)電壓的影響相反。

3 基于SVPWM的精確中點(diǎn)電流控制

3.1 輸出電壓、電流同相情況下中點(diǎn)電流控制

當(dāng)逆變器輸出電流、電壓同相時(shí)，由上述可知，p型小矢量和n型小矢量對中點(diǎn)電流貢獻(xiàn)效果相反，因此可通過調(diào)節(jié)兩種矢量的分配比例實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓平衡控制。對于第I扇區(qū)的A1區(qū)域，所有合成矢量對中點(diǎn)造成的影響如圖4所示。

設(shè)t1，t2分別為U1，U2的作用時(shí)間，其中U1分為p型和n型，定義分配比例為：

由式(3)可見，根據(jù)當(dāng)前輸出電流、電壓矢量作用時(shí)間及所需中點(diǎn)電流即可確定相應(yīng)的tp和tn。該計(jì)算過程中不出現(xiàn)絕對值符號，故計(jì)算簡單。

式(3)中若令iN=0，表示一個(gè)控制周期內(nèi)流入電容中點(diǎn)電流為零，這樣即可完全消除中點(diǎn)電平的交流波動(dòng)。用同樣方法可算出其他所有區(qū)域的k，其中，第I扇區(qū)各區(qū)域的計(jì)算情況如表1所示。

其余扇區(qū)計(jì)算結(jié)果限于篇幅，不再贅述。

對上述中點(diǎn)控制方式利用Saber工具仿真，在輸出電流與電網(wǎng)電壓同相情況下，調(diào)制度m=0.8時(shí)調(diào)制波形見圖5。可見，調(diào)制波光滑連續(xù)，相對于p型、n型小矢量對半平分作用時(shí)間，調(diào)制波中存在跳躍，該方法在輸出電流連續(xù)性上更具優(yōu)勢。

3.2 輸出電壓、電流有相位差時(shí)中點(diǎn)電流控制

上述討論皆基于輸出電流、電壓同相情況下進(jìn)行，但實(shí)際情況中，三電平逆變器通常輸出功率因數(shù)不為1，此時(shí)，輸出電流、電壓不同相，使用上述方法會(huì)出現(xiàn)調(diào)制波不連續(xù)、無法控制中點(diǎn)電流的問題。當(dāng)輸出電流滯后電網(wǎng)電壓20°，m=0.8時(shí)輸出的調(diào)制波形如圖6所示。

調(diào)制波的不連續(xù)本質(zhì)上是未能完全控制iN=0所致。電流與電網(wǎng)電壓同相前提下，在第I扇區(qū)整個(gè)A區(qū)域內(nèi)部，因?yàn)閨ia|和t1逐漸減小，|ic|和t2逐漸增大，故|ia|t1-|ic|t2為一個(gè)隨時(shí)間遞減的函數(shù)且在30°點(diǎn)正好為零。即在這種情況下，以30°點(diǎn)為分界線選擇用于調(diào)節(jié)的小矢量即可控制iN=0。

當(dāng)輸出電流、電壓不同相時(shí)，各扇區(qū)內(nèi)小矢量對中點(diǎn)電壓的影響仍不變，根據(jù)函數(shù)|ia|t1-|ic|t2=0求取出這個(gè)分割點(diǎn)，即可更合理地選擇用于調(diào)節(jié)的小矢量，最大限度保證控制iN=0。

綜合上述分析，要保證iN=0，合理選擇合成矢量的切換點(diǎn)是關(guān)鍵。切換時(shí)刻本質(zhì)上為對應(yīng)小矢量在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對中點(diǎn)注入或抽取電荷能力大小的分割點(diǎn)。基于上述分析，可得在第I扇區(qū)的C區(qū)域中C1和C2合成方式的切換點(diǎn)為|(ibt7-ict2)/(iat1)|=|(ibt7-iat1)/(ict2)|。而每個(gè)扇區(qū)的B和D區(qū)域中不存在小矢量的選取問題，因此這兩個(gè)區(qū)域無需額外調(diào)整。由此可得第I扇區(qū)A1，A2，C1，C2切換矢量合成方式判據(jù)見表2。

采用該種改進(jìn)方式，在仿真電流滯后電網(wǎng)電壓20°時(shí)，可得m=0.8輸出的調(diào)制波形，如圖7所示。由圖可見，調(diào)制波光滑連續(xù)，該方式可在任何區(qū)域使一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)iN=0。

4 直流側(cè)電壓閉環(huán)控制

實(shí)際系統(tǒng)中需對直流中點(diǎn)電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，使用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成中點(diǎn)電壓外環(huán)。由圖1可知，中點(diǎn)電流與中點(diǎn)電壓的關(guān)系為：

由此可得中點(diǎn)電壓控制框圖，如圖8所示。

圖中，Gs(s)為DSP內(nèi)部的PWM延時(shí)，

為逆變器產(chǎn)生的擾動(dòng)，中點(diǎn)電壓不加任何控制時(shí)，會(huì)有3次諧波。電壓外環(huán)帶寬的設(shè)計(jì)主要考慮抑制中點(diǎn)電壓的直流漂移。令3次諧波衰減100倍，這樣截止頻率需設(shè)置在3次的1/40附近。實(shí)際中取截止頻率20rad·s-1，PI零點(diǎn)10rad·s-1。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺主要由功率板和控制板組成，功率板包含主電路、驅(qū)動(dòng)電路和部分采樣電路?？刂瓢逋ㄟ^排線連接到功率板，控制芯片為DSP2 8335及其外圍電路。實(shí)驗(yàn)中直流電由Chroma直流電源提供，交流側(cè)接Chroma交流電源，用來模擬電網(wǎng)。

在直流母線電壓200 V，交流相電壓有效值28 V，輸出電流峰值2 A情況下，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不加中點(diǎn)電壓控制和加入中點(diǎn)電壓控制的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。圖9a中，中點(diǎn)電壓有明顯的3次波動(dòng)，并有一定的直流偏置，調(diào)制波形不連續(xù)，電流波形上有尖刺。圖9b中，中點(diǎn)電壓基本無波動(dòng)，且由于電壓外環(huán)的存在，很好地消除了直流偏置，調(diào)制波波形連續(xù)，電流波形較光滑。

6 結(jié)論

分析了中點(diǎn)箝位三電平電路中，各電壓矢量對直流中點(diǎn)電壓的影響。提出一種基于SVPWM的精確中點(diǎn)電流控制方法，通過調(diào)節(jié)p型小矢量和n型小矢量的分配比例，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓的平衡控制。使用該方法可完全抑制中點(diǎn)電壓波動(dòng)，消除直流偏置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。