基于SVPWM的三電平逆變器中點電位控制方法研究

綦 慧，劉雨杰

（北京工業大學信息學部，北京100124）

基于SVPWM的三電平逆變器中點電位控制方法研究

綦 慧，劉雨杰

（北京工業大學信息學部，北京100124）

分析了二極管箝位型三電平逆變器主電路拓撲、SVPWM調制算法及中點電位不平衡的原因。介紹了一種通過時間因子調節正負小矢量作用時間的中點電位控制方法，該方法通過軟件控制完成，不需要輔助的硬件電路，易于實現。在實驗室環境下搭建了以永磁同步電機為負載的逆變器實驗系統，實驗驗證了該方法的正確性和有效性。

三電平逆變器；SVPWM；正負小矢量

1 引言

近年來，隨著中、高壓大容量變頻調速器在軋鋼、造紙、鐵路、煤炭以及船舶等領域的廣泛應用，對多電平逆變器的研究已經成為電力電子技術的熱點。二極管箝位式多電平逆變器是開發最早的一種多電平逆變器。這種逆變器的優點是主電路和控制電路比較簡單，控制方式比較簡單，便于雙向功率流動的控制，功率因數控制也很方便。缺點是直流電容分壓的均壓比較復雜和困難［1］。當二極管箝位型三電平逆變器用于傳遞有功功率時，每個直流母線電容的充、放電時間不同，會造成它們的電壓不平衡，從而導致輸出電壓畸變，甚至得不到期望的多電平輸出。研究者們在中點電位不平衡問題上做了大量工作，提出了多種解決方案，主要是通過改進硬件電路和控制方法來實現。從改進硬件電路方面來看，其中包括利用獨立直流電壓源［2］，或者對每個電平采用電壓調節器，但是這兩種方法需要增加隔離變壓器和開關器件［3］。文獻［4］提出了一種用兩個相同的多電平拓撲來分別構成整流器和逆變器的多電平驅動系統，這種系統可以實現直流母線電容的電壓平衡，并且可用于四象限可逆運行的負載，然而這種方法的缺點是需要有兩個有源變換器，增加了系統的成本。文獻［5］提出了一種混合調制算法，在不同調制比時采用不同的控制方法實現對中點電位的控制，但沒有對中點電位的穩態效果進行分析。本文在采用SVPWM調制技術與直接電流控制策略構建的三電平逆變器基礎上，針對其中存在的逆變器中點電位不平衡問題，提出了一種新的三電平中點電位平衡控制方法，即通過控制電壓空間基礎小矢量的選擇和作用時間來實現中點電位的平衡控制。

2 三電平逆變器拓撲結構

由圖1中三相二極管箝位三電平逆變電路可知，它的每一相橋臂都有4個開關管、4個續流二極管和2個箝位二極管組成。三相三電平逆變器的每一相均可輸出三種狀態。以A相橋臂為例，橋臂由Sa1、Sa2、Sa3、Sa4等4個開關管組成，引入開關函數Si：

1，0，－1狀態所對應的輸出相電壓為Udc／2、0、－Udc／2。Inp為中性點電流；ia、ib、ic為逆變器三相電流的瞬時值。三電平逆變器的主電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 三電平逆變器的主電路

三電平逆變器的輸出電壓矢量為：

其中U為逆變器輸出電壓矢量，Ua、Ub和Uc分別為逆變器A、B和C相橋臂的輸出電壓。由開關函數Si的約束關系可以得到：

三電平逆變器的每一相可以輸出三種狀態，將三相的三種狀態根據上式組合，則可以輸出27種狀態。根據電壓幅值的大小，可以將矢量分為四類，即3個零矢量、12個小矢量、6個中矢量和6個大矢量。由它們的幅值和相位可得到三電平空間矢量分布圖如圖2所示。

圖2 三電平空間矢量分布圖

3 三電平逆變器中性點電位分析

3個零矢量對應的開關狀態與中點電位無連接，對中點電位沒有影響。6個大矢量對應的開關狀態使三相輸入和正負母線相連，與中點沒有連接，不影響中點電位。6個中矢量對應的開關狀態，其中點總是與某相電流相聯系，且電流總是從交流輸入流入中點，使得中點電位在一定程度上依賴于負載條件。中間矢量是造成中點電位不平衡的最重要的根源［6］。在三電平逆變器運行時，隨著開關狀態的變化，0點可能被連接到三相中任意一相，中性點電流inp也隨之變化，其取值如表1所示。

表1 不同電壓空間矢量作用下的中點電流inp

由三電平空間矢量的平面對稱性，以圖3所示的三角形區域為例對中性點電流inp進行分析。

當參考電壓空間矢量Uref位于三角形區域的區域1時，根據伏秒平衡原理可得方程組：解上述方程組得：

圖3 參考電壓空間矢量區域分析

以占空比描述上述方程，將式兩端同時除以TS，可得：

式中，ia＝Uref·e－jφ，TS遠小于逆變器輸出電壓周期，故三相電流ia、ib、ic取值時均認為在TS內不變。K為一個采樣周期TS之內對小矢量U1作用時間的分配因子，滿足K∈［0，1］。同理可得出三角形區域內其余區域各矢量作用時間占空比及周期內中性點電流inp的表達式。由表1可知，零矢量和大矢量對中點電流沒有影響，小矢量總是成對出現并且每個矢量產生同樣的線電壓，但它們對中點電位的影響剛好相反，所以可以通過調整正負小矢量的相對作用時間來實現對中點電位偏差的補償。

4 中點電位控制方法

定義中點電壓為ΔUdc＝Udc1–Udc2。正小矢量作用時，ΔUdc＝Udc1–Udc2＞0，中點電位降低；負小矢量作用時，ΔUdc＝Udc1–Udc2＜0，中點電位升高。

當ΔUdc＞0時，中點電位偏高，需要減小上電容的充電電流，也就是inp＜0，即減小正矢量的作用時間，增加負矢量的作用時間；相反ΔUdc＜0時，中點電位偏低，需要增加下電容的充電電流，也就是inp＞0，即增加正矢量的作用時間，減小負矢量的作用時間。

為了滿足對小矢量的上述控制要求，本文引入了作用時間分配因子K，一般取0．25＜k＜0．75。通過與K相乘來改變小矢量的作用時間，可以實現對每個區域中小矢量的控制，從而實現對中點電流的控制。為避免在中點電位微小波動時，開關管切換過于頻繁而造成開關損耗增加，在控制方法中引入了滯環因子h。當中點電位在一個極小的區間h內波動時，切斷中點電位控制作用，從而抑制出現調節過度。正小矢量V1的作用時間T1＝k×t1，負小矢量V1的作用時間T4＝（1－k）×t1。

引入滯環因子h后的控制規律為：當－h≤ΔUdc≤h時，k取0．5；當ΔUdc＞h且此時首發小矢量中點電流的方向為流入，則k＞0．5，否則k＜0．5；當ΔUdc＜－h且此時首發小矢量中點電流的方向為流入，則k＜0．5，否則k＞0．5。將時間分配因子與小矢量作用時間相乘，得到矢量的作用時間。圖4給出了采用滯環因子h控制方式下輸出矢量作用時間的分配圖，其中控制參數k由以上控制規律得出。

圖4 矢量作用時間分配圖

5 實驗分析

為驗證本文提出的算法的有效性，在實驗室條件下，針對永磁同步電機做了實驗研究。實驗系統以TMS320F2812為主控芯片，選用三電平模塊F3L50R06W1E3＿B11搭建三相功率電路，通過PWM來調制出需要的開關狀態。永磁同步電機為380V、Y連接、額定功率3．5kW，直流母線電壓為280V，母線電容C1、C2均為470 μF，SVPWM調制頻率為5kHz。

系統采集了母線電容C1、C2的電壓值，經計算得出了中點電位。圖5為未加入中點平衡算法時的中點電位波形，圖6為加入中點電位控制算法之后的中點電位波形，圖7為未加入中點平衡算法時的永磁同步電機U、V相電流波形，圖8為加入中點平衡算法之后的U、V相電流波形。

由圖5和圖6波形對比可知，系統沒有中點平衡控制時中點電位存在8V左右的波動，且有－10V的電位偏移；加入中點平衡控制算法之后，中點電位得到明顯改善，電壓波動縮小為3．5V，中點電位偏移得到了控制。由圖7和圖8波形對比可知，加入中點電位控制算法后電流波形更加平穩，正弦度變好，控制效果更好。

圖5 未加入中點平衡算法時的中點電位波形

圖6 加入中點電位控制算法之后的中點電位波形

圖7 未加入中點平衡算法時的永磁同步電機U、V相電流波形

圖8 加入中點平衡算法之后的永磁同步電機U、V相電流波形

6 結束語

本文提出了一種基于時間分配因子的三電平逆變器中點平衡控制方法，有效抑制了中點電壓的偏移。論文首先分析了二極管箝位型三電平逆變器系統的結構，繼而得出中點不平衡的根本原因，隨后在分析三電平SVPWM調制方法及各矢量對中點電流作用特點的基礎上，選用小矢量作為中點平衡的控制對象。在小矢量的擇優方法及作用時間調節方面，引入滯環因子進一步優化了小矢量的作用時間控制環。實驗結果表明，該方法控制效果顯著，能夠使中點電位得到良好控制，且能夠保持逆變器的作用效果，不會對系統造成干擾。

［1］劉鳳君．多電平逆變器技術及其應用［M］．北京：機械工業出版社，2007．

［2］Menzies R W，Steimer P，Steinke J K．Five－level GTO inverters for large induction motor drives［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1994，30（4）：98－101．

［3］何湘寧，陳阿蓮．多電平變換器的理論和應用技術［M］．北京：機械工業出版社，2006．

［4］Peng F Z，Lai J S，Mckeever J，et al．A multilevel voltagesource converter system with balanced DC voltages［J］．IEEE Transactions，1995，（2）：1144－1150．

［5］周京華，賈 斌，章小衛，陳亞愛．混合式三電平中點電位平衡控制策略［J］．中國電機工程學報，2013，33（24）：82－91．

［6］竇真蘭，程孟增，李素英，等．三電平NPC整流器控制及中點電位平衡控制技術［J］．電力自動化設備，2011，31（10）：32－37．

Research on neutral point potential control strategy of three level inverter based on SVPWM

QI Hui，LIU Yu－jie

（Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The main circuit topology of the diode clamped three level inverter，the SVPWM modulation algorithm and the reason of the neutral point potential unbalance are analyzed．Then a method for control of the neutral point potential by regulating the action time of the positive and negative small vectors with the time factor is proposed，which is completed by the software without the auxiliary hardware circuits and can be easily realized．Finally，under the laboratory circumstances，the experimental inverter system that takes the permanent magnetic synchronous motor as the load is built．The experimental results prove the correctness and effectiveness of this control method．

three level inverter；SVPWM；positive and negative small vector

TM464＋．22

A

1005—7277（2016）06—0001—04

綦慧（1971－），女，山東濟寧人，博士，副教授，主要研究方向為電力電子與電氣傳動、自動控制系統等。

2016－11－15

劉雨杰（1990－），男，山東菏澤人，碩士，主要研究方向為電力電子與電氣傳動、新能源技術等。