三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究.docx
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三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究
三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究*
胡存刚1王群京1,2严辉3杨益3
（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥230009;2.安徽大学电子科学与技术学院,合肥230039;
3.安徽建筑工业学院电子与信息工程学院,合肥230022）
摘要:
建立了三电平中点箝位型逆变器中点电压的数学模型;分析了在不同的负载条件下,传统的最近三矢量合成方法中点电压存在不能平衡的区域;利用合成空间矢量的调制方法,实现了对中点电压的有效控制。
为了在扇区切换时输出矢量平稳过渡,提出了在每个大区内全部采用相同首发小矢量的方法。
用MATLAB/Simulink仿真研究了中点电压平衡控制的效果,并用MOSFET搭建了三电平逆变器实验电路模型,对中点电压平衡控制效果进行了验证。
实验结果证明了基于合成空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法的有效性。
关键词:
中点箝位型逆变器；空间矢量调制；中点电压平衡；合成空间矢量
中图分类号:
TM464 文献标识码:
A 国家标准学科分类代码:
Researchonneutral-pointpotentialbalancingandcontrolmethod
forthree-levelNPCinverterHuCungang1WangQunjing1,2Yanhui3YangYi3
（1.HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.AnhuiUniversity,Hefei230039,China;
3.AnhuiInstituteofArchitecture&Industry,Hefei230022,China）
Abstract:
Asignificantproblemwithneutral-point-clampedthree-levelinvertersisthefluctuationintheneutral-pointvoltage.Themathematicsmodelofneutral-pointpotentialisdevelopedwhiletheneutral-pointpotentialisunbalanced.Inthispaperthelimitationsofneutral-pointpotentialbalancingproblemfordifferentloadingconditionsofthree-levelneutral-point-clampedinvertersisexplored.Andanovelmodulationapproachforthecompletecontroloftheneutral-pointpotentialisintroduced.Thenewmodulationapproach,whichbasesonthevirtualspacevectorconcept,guaranteesthebalancingoftheneutral-pointpotentialforanyloadoverthefullrangeofconverteroutputvoltageandforallloadpowerfactors.Inordertoavoidtheabruptchangeofoutputvoltagevectorsduringtheprocessofdesiredvectorchangingfromonesectiontoanother,anovelspacevectormodulationalgorithmisproposed,inwhichthesamesmallvectorsareadoptedasfirstactivevector.Somesimulationandexperimentresultsaregiventovalidatethemethod.
Keywords:
neutralpointclampedinverter;SVPWM;neutral-pointpotentialbalancing;synthetic-space-vector
1引言
中点电压平衡是多电平中点箝位型（neutralpointclamped,NPC）逆变器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[2],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];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[5-9]。
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。
2三电平NPC逆变器的SVPWM
三电平NPC逆变器,如图1所示,每相臂有
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。
图1三电平中点箝位型逆变器拓扑结构
Fig.1Topologystructureofthree-levelNPCinverter
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
图2三电平逆变器的空间矢量图
Fig.2Spacevectordiagramofthree-levelNPCinverter
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。
3三电平NPC逆变器中点电流模型
设参考矢量
参考矢量三相电压
的瞬时值表达式为
（1）
设负载功率因素角为ϕ,则电流矢量为
三相电流ia,ib,ic的瞬时值表达式为
（2）
在一个采样周期TS内的中线电流可以表示为[4]:
（3）
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。
表1中矢量开关函数表
Table1Functionofmiddlevector
中矢量
Ma
Mb
Mc
pon
0
1
0
opn
1
0
0
npo
0
0
1
nop
0
1
0
onp
1
0
0
pno
0
0
1
表2小矢量开关函数表
Table2Functionofsmallvector
小矢量
小矢量
poo/onn
1
0
0
ppo/oon
0
0
1
opo/non
0
1
0
opp/noo
1
0
0
pop/nno
0
0
1
pop/ono
0
1
0
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
onn的作用时间
;小矢量V4的作用时间TS1,其中ppo的作用时间
/2,oon的作用时间
（
）。
则中点电流表达式为式（4）。
（4）
2）在A区A2小三角形
设小矢量V1的作用时间
其中poo的作用时间
onn的作用时间
;中矢量V2的作用时间TM。
则中点电流表达式为式（5）。
（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
onn的作用时间
;小矢量V4的作用时间TS1,其中ppo的作用时间
oon的作用时间
;中矢量V2的作用时间TM。
则中点电流表达式为式（6）。
（6）
4）在A区A4小三角形
设小矢量V1的作用时间
其中ppo的作用时间
oon的作用时间
;中矢量V2的作用时间TM。
则中点电流表达式为（7）。
（7）
4传统的NTV合成时中点电压平衡区域
在
内,
时,
。
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）。
（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
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）。
（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。
（a）ϕ∈[-90°,0]（b）ϕ∈[0,90°]
图3单采样周期中点电压可平衡的关系曲线
Fig.3Curveofneutral-pointpotentialbalancinginTS
5基于合成空间矢量的NTSV方法
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（synthetical-space-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合成空间矢量PWM算法
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[8-9]。
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）。
（10）
当合成中矢量
作用时,中点电流
（11）
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
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）。
（12）
式中:
。
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）。
（a）
（b）
图4三电平逆变器的合成空间矢量图
Fig.4VSVdiagramofthree-levelinverter
5.2合成空间矢量的选择
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。
表3A区的每个小三角形矢量选择表
Table3SelectionofspacevectorinAregion
区域
选择的合成矢量
对应的基本矢量
A1
VS0,VSS1,VSS2
ppp,ooo,nnn,poo,onn,ppo,oon
A2
VSS1,VSM1,VL1
poo,onn,ppo,pon
A3
VSS1,VSM1,VSS2
poo,onn,ppo,pon,oon
A4
VSS2,VSM1,VL2
poo,onn,ppo,pon
A5
VSL1,VSM1,VL2
pnn,ppo,pon,onn,ppn
5.3矢量开关时序
设在A区内,合成中、小空间矢量如式（13）。
（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仿真和实验验证
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[10],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。
（a）SVPWM算法
（b）SSVPWM算法
图5三电平NPC逆变器线电压和电容电压仿真波形
Fig.5Simulationwaveformofline-to-linevoltage,capacitorsvoltageinthree-levelNPCinverter
图6实验室三电平NPC逆变系统原理框图
Fig.6Principlediagramofthree-levelNPCinverterprototypemachineinlaboratory
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。
（a）SVPWM算法
（b）SSVPWM算法
图7三电平NPC逆变器线电压和
电容电压实验波形
Fig.7Experimentwaveformofline-to-linevoltageandcapacitorsvoltageinthree-levelNPCinverter
7结论
三电平NPC逆变器由于其突出的优点,已经成为当今电力电子技术的研究热点。
但NPC逆变器存在直流电容中点电压平衡问题,在一定程度上限制了其应用。
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,建立了中点电压不平衡时中点电流和电压的数学模型,并分析了传统SVPWM控制方法中点电压存在不能平衡的区域,利用基于的合成矢量的SSVPWM算法,对中点电压进行了有效控制。
通过仿真和实验对基于合成矢量的中点电压实际控制效果进行了验证。
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