雙三電平變頻器直流側中點電位平衡策略研究與實現

馬秀麗 何鳳有

（1.徐州機電工程學校，江蘇 徐州 221131；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221131）

1 引言

雙三電平直流側中性點電壓（簡稱為中點電壓或中點電位）是由串聯連接的平波電容器的分壓決定的，所以當中性點與網側某相電壓相連接或者通過箝位二極管和負載連接的時候，電流流經中性點，使得中性點電壓發生波動，此外，在實際電路中還要考慮到功率器件的開關特性與平波電容器容量等的離散性所引起的中性點電位的波動。如果因為這些原因造成中性點電位波動很大，則將因為過壓而引起功率器件和平波電容的損壞，并導致電壓控制性能下降等。因此研究中點電位不平衡問題是雙三電平系統控制的重要組成部分。

2 雙三電平變頻器直流側中點電位不平衡原理

下面以三電平逆變器為例，分析中點電位波動的原理。

圖1 中點電位分析圖

對于直流母線電容上的電壓有如下關系

式中，ic1，ic2為流過電容C1、C2上的電流，其參考方向見圖1；Vc10，Vc20為電容電壓的初始值。

假設某時刻工作于穩態，且兩個電容上的電壓相等，則有

式中，i0為中點電流。

從圖1的開關模型可以看出，中點電位的不平衡主要是由于中點電流對直流環節的電容充、放電不均，中點電位的波動與中點電流的關系可以表示為

由式（7）可以看出，中點電位與i0密切相關，隨i0的大小和方向變化而變化。

3 雙三電平變頻器逆變側中點電壓控制策略

（1）改變S值法

在判斷參考電壓空間矢量位置時，如果參考電壓空間矢量位于兩個小六邊形的重疊區域，此時S取值不惟一，例如，當參考電壓矢量Vr位于圖2所示的位置時，S=1或者2，其中，Vr_s1、Vr_s2分別為S=1、2時，校正之后的兩電平參考電壓矢量。

圖2 重疊區域S值的兩擇性

此時可以將參考電壓空間矢量由三電平平面化簡至S=1或者S=2中的任何一個兩電平平面。如果選擇化簡至S=1的兩電平平面，則在這個平面內，參考電壓所確定的矢量作用順序為：(100)-(10-1)-(00 -1)-(0 -1 -1)。在這個作用順序中，反組小矢量的作用時間明顯多于正組小矢量的作用時間，在這個矢量作用序列下，電容C1被充電，C2被放電，中點電位將下降；如果選擇化簡至S=2的兩電平平面，在這個平面內，參考電壓所確定的矢量作用順序為：(110)-(100)-(10 -1)-(00 -1)，則反組小矢量的作用時間少于正組小矢量的作用時間，在此矢量作用序列下，電容C1被放電，C2被充電，中點電位將上升。

同理對其他S值的兩電平平面進行分析最終可以發現：當S=1、3、5的時候，電容C1被充電，C2被放電，中點電位將下降；當S=2、4、6的時候，電容C1被放電，C2被充電，中點電位將上升。所以當參考電壓空間矢量位于兩電平平面重疊區域只需要根據中點電位的波動情況相應地改變S值即可對波動進行有效的抑制。而在程序編寫的時候，改變S值只需要對S進行簡單的加減運算，結合所在的兩電平平面的扇區號N就可以達到控制中點電位的目的。

（2）改變小矢量作用時間法

由以上分析可知，由于中矢量引起的中點電流取決于負載相位，因此對于中矢量無法直接實施控制，可以做的常常是通過調整正負冗余小矢量的相對作用時間，以對中點電壓偏移進行補償。

例如，當參考電壓空間矢量位于S=1，N=2時，如圖3所示。

圖3 改變小矢量作用時間法示意圖

電壓空間矢量的作用順序為

T1N、T2N、T8、T1P分別為對應矢量的作用時間，由于T1N、T1P對應的電壓空間矢量在空間上是重合的，是一對冗余小矢量，對中點電位造成的影響效果相反。

由于T1N+T1P＝T1，將T1分成兩部分，一份供正組小矢量作用，一份供反組小矢量作用，由于中點電位的波動，所以需要對兩份作用時間進行動態調整，如式（8）～（9）所示，加入平衡因子τ(-1≤τ≤1)對時間進行調節

所以在獲得中點電位偏差的情況下，針對偏差的不同情況動態改變正、負小矢量的作用時間即可對中點電位波動進行抑制。

（3）仿真研究

按照上述所講述的方法進行設計，應用Matlab軟件在SIMULINK編寫程序，并進行仿真。

仿真參數如下：對稱三相負載參數電阻R=0.9Ω，電感L=0.04H；直流電壓Ed=538V；直流側分壓電容C1＝C2＝2200μF ；仿真中系統的輸出頻率為50Hz；調制系數為1.0。

仿真結果如圖4～5。

圖4 加入中點電壓控制之前波形

圖5 加入中點電壓控制之后波形

由圖4和5對比可見，三電平SVPWM控制算法中加入中點電壓控制之后，電壓、電流波形的正弦度變好，中性點電壓被合理控制在1V范圍內。

（4）雙三電平變頻器整流側中點電壓控制策略

通過仔細分析可以發現：對于同一個開關序列，在逆變器中和在整流器中，其對兩個電容的中點電位的影響恰好相反。所以其對中點電位的控制方法可以基本沿用逆變側中點電位控制策略中所述的方法，但是要做一下稍微的改動：要在中點電位偏差值的符號反相后，把數值送入整流器的中點電位控制單元中。

按照上述所講述的方法進行設計，應用Matlab軟件在Simulink編寫程序，并進行仿真。

仿真參數如下：

電源電壓：311V；

電抗器：10mH 0.04?；

直流側電容：1000μF；

電阻：14?；

直流側電壓給定：538V。

仿真結果如圖6，由圖6可以看出，加入中點電壓控制之后，直流側中點電位的偏差很好地控制在1V范圍之內。

圖6 加入中點電壓控制的波形

4 實驗結果

實驗對象為22kW三相異步電機，系統載波頻率為1kHz，采用V/F控制，測量儀器采用Agilent MSO6014A型100M模擬數字混合示波器，電流測量采用Agilent 1146A電流探頭，電壓測量采用Agilent 2771A高壓探頭。

22kW異步電動機參數為：

閩東亨達機電有限公司，180L-4，PN=22kW，UN=380V，IN=42.5A，fN=50Hz，nN=1470rpm，Rs=0.5257?，Ls=0.1215H，Rr=0.3017?，Lr=0.12158H，Lm=0.1166H。

從圖7可以看出，對于雙三電平變頻器，在采用了本文的控制策略后直流側中點電位波動較小，電壓正負半波對稱度良好，取得了理想的實驗波形。

圖7 中點電位波形（2V/div）

5 結論

本文對雙三電平變頻器逆變側和整流側分別進行直流側中點電位波動分析，提出抑制直流側中點電位波動的控制方法，在Matlab/Simulink環境下進行流計算機仿真，得出了比較理想的仿真波形；在此基礎上對實驗室22kW異步電動機進行了實驗驗證，取得了理想的效果。

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