三電平NPC牽引變流器無傳感器矢量控制策略研究

葛洪勇，胡 冰，張利軍，崔曉光，邵春偉

(中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266031)

0 引 言

三電平牽引變流器中性點電壓平衡方法有硬件和軟件控制兩方面:硬件控制會增加硬件成本，一般不采用；軟件方法[1-2]主要是注入零序分量，滯環控制比較粗糙，容易導致輸出電流諧波含量變大，主動控制在中性點偏移電壓不存在影響時也會一直調整，比較繁瑣。基于虛擬控制矢量[3-4]的中性點電壓平衡方法會導致功率管開關次數增加，增加器件損耗和溫升，實際系統往往不可取。

感應電機無傳感器矢量控制[5]中位置角度的觀測對控制效果影響明顯，電壓模型[6]的轉速觀測方法易受數學模型以及干擾噪聲等因素的影響。模型參數自適應觀測方法[7-9]實現了估算轉速的閉環調節，系統抗擾動能力得到加強，但不同觀測模型各有優缺點。死區效應[10-11]嚴重影響變頻器輸出電壓和負載電流，導致轉矩脈動和諧波，因此需要研究三電平二極管鉗位型(NPC)牽引變流器的死區補償方法。

針對三電平NPC牽引變流器在感應電機無傳感器矢量控制中的應用，本文基于空間矢量調制算法(SVPWM)，通過引入大小不同的中性點電壓偏移閾值，在不同的閾值下對矢量作用時間采用滯環控制和主動控制相結合的方法，解決了中性點電壓平衡問題；在全階磁鏈狀態觀測器獲取電機轉速信息基礎上，優化矢量控制中電流內環控制架構，并對死區補償策略進行分析研究，提出了基于三電平NPC牽引變流器的無傳感器矢量控制策略。

1 中性點平衡策略

三電平NPC牽引變流器主電路拓撲結構如圖1所示，Udc為直流供電，C1和C2為均壓電容，O點為中性電位點，每相橋臂存在4個可控功率管。以O點為零電位的參考點，每個橋臂就只有Udc/2，0和-Udc/2三種可能得到的輸出電平，分別記為正(P)、零(0)和負(N)三種狀態。

圖1 三電平NPC牽引變流器主電路原理圖

根據兩電平空間矢量調制方式，α，β矢量平面的六邊形可以被分為6個大扇區，從α軸開始，按照逆時針方向，6大扇區分別命名為Ⅰ～Ⅵ，在每個大扇區中，考慮電平狀態又劃分為若干的小區域，得到三電平SVPWM的空間矢量圖，如圖2所示。標號Ⅰ～Ⅵ對應6個大扇區，每個大扇區內又劃分成6個小區域，標號1～6對應每個大扇區內的6個小區域。

圖2 三電平SVPWM扇區劃分圖

針對每個大扇區內的小區域，在開關周期TS中，按照七段式電壓矢量合成原則，電壓空間矢量作用的時間和順序如表1所示。

表1 SVPWM發波順序及時間

其中，負小矢量作用時，電流從中性點流出，進而使中性點電位降低；正小矢量作用時，電流流入中性點，進而使中性點電位升高。根據正、負小矢量在參與參考電壓空間矢量合成時對中性點電壓作用相反的特點，引入小矢量調節因子，電壓最大程度地保持在中性點附近。具有調節因子的發波時間和順序如表2所示。

表2 具有調節因子的SVPWM發波順序及時間

傳統滯環控制中調節因子k只取-1、0 、1，因此正、負小矢量的切換幅度較大，輸出電流的諧波含量較大，影響了電能質量。本文引入大小不同的中性點電壓偏移閾值，在不同的閾值下對正、負小矢量作用時間采用主動和滯環相結合的控制方法，使中性點平衡調節得更加快速準確。

設定中性點電壓偏移值為ΔUdc=Udc1-Udc2，Udc1，Udc2分別為C1和C2兩端電壓，閾值設置為ΔUdc1和ΔUdc2，且存在ΔUdc1<ΔUdc2，調節k值。

當|ΔUdc|≤ΔUdc1時，k=0，即無需調節。

當ΔUdc1<|ΔUdc|≤ΔUdc2時，再進行判斷：若ΔUdc1<ΔUdc≤ΔUdc2，則需要減少負小矢量作用時間，k由母線電壓偏差PI調節產生，并限制幅值為-1～0之間。若-ΔUdc2≤ΔUdc<-ΔUdc1，則需要增加負小矢量作用時間，k由母線電壓偏差的PI調節產生，輸出限制幅值為0～1之間。

當|ΔUdc|>ΔUdc2時，說明中性點電位偏移較嚴重，再進行判斷:若ΔUdc>ΔUdc2，k=-1；若-ΔUdc2>ΔUdc，k=1。

進而得到調節因子k的計算公式：

(1)

2 無傳感器矢量控制策略

采用全階磁鏈狀態觀測器進行轉子位置估算，并優化電流內環控制架構，分析三電平SVPWM死區補償策略，得到感應電機無傳感器矢量控制策略。

2.1 轉速估算及電流內環優化

針對感應電機控制模型，選取定子電流和轉子磁鏈為狀態變量，建立感應電機狀態空間方程：

(2)

通過反饋增益矩陣建立基于電機數學模型的全階磁鏈狀態觀測器，其表達式：

(3)

采用PI形式估算轉速：

(4)

轉子磁場定向控制策略中，在不考慮耦合項的情況下，MT軸電流內環一般通過PI調節，即：

(6)

控制系統中存在的PI環有轉速環、轉速估算環、MT軸電流環，基速以上還存在弱磁環，各個控制環節之間會存在相互耦合的現象，導致電流內環控制裕度相對較小，控制參數不易調試，常出現在某一轉速段具有較好的控制效果，但當轉速進入另一區域后，控制效果變差甚至失控。本文在傳統PI調節基礎上，根據感應電機數學模型，得到新的電流內環控制系統數字實現模型。

在轉子磁場定向控制策略下，可得到M,T軸定子電壓方程：

(7)

感應電機轉子磁場建立后，在較短的開關周期內M軸電流幾乎不變，認為ψr=LmisM，可以得到簡化定子電壓方程：

(8)

實際系統中，微分項作用和比例環節一致，進而得到M,T軸參考電壓數學模型：

(9)

這樣電流內環只需要調節K1、K2，并且根據感應電機電流內環數學模型和電機參數，可以得到K1、K2的理論計算值，再根據實際系統控制效果進行微調試即可。

2.2 三電平SVPWM死區補償

對于無傳感器矢量控制系統中磁鏈觀測器的設計，通常用參考電壓代替輸出電壓，當兩者存在偏差時將導致磁鏈、轉速信息估算不準確，影響控制性能，尤其是零低速工況。因此需要進行合理的死區補償，保證輸出電壓和參考電壓的一致性。

在三電平NPC牽引變流器中，每相橋臂都存在4個功率開關器件，由兩路調制信號和載波比較產生。設定Sk1和Sk3由一路調制波T1kcmp和載波比較產生，互補開通；Sk2和Sk4由另一路調制波T2kcmp和載波比較產生，互補開通?；パa開通存在死區時間，根據電流ik的方向，分析死區影響，其中k表示a，b，c三相中的一個。

規定流向負載側的方向為正方向，以a相橋臂為例，分析死區時間影響如圖3所示。

圖3 三電平牽引變流器死區影響

設置死區時間為Td，開關周期為Ts，三角載波變化規律為-1→1→-1，則調制波上死區補償值：

(10)

圖3僅分析輸出電平在Udc/2和0之間切換工況，同理可知，輸出電平在-Udc/2和0切換工況。考慮電流方向、電平切換條件和計數方向，得到三電平SVPWM死區補償公式如表3所示。

表3 三電平SVPWM調制波死區補償

根據上述分析，可以得到三電平NPC牽引變流器的感應電機無傳感器矢量控制框圖，如圖4所示。

圖4 無傳感器矢量控制框圖

3 仿真和實驗驗證

3.1 仿真分析

為了驗證本文所提控制策略的有效實用性，選取150kW感應電機電氣參數如表4所示。搭建基于三電平NPC牽引變流器硬件拓撲的無傳感器矢量控制仿真模型，對控制策略進行驗證。

表4 感應電機電氣參數

設置目標轉速為1 480r/min，4s時加載至50%額定轉矩，6s時加載至100%額定轉矩，圖5為滯環控制和本文中性點平衡控制策略的對比?？梢?，本文控制策略動態調整快，能夠保證很小的中性點偏移電壓。圖6、圖7、圖8為三電平牽引變流器無傳感器矢量控制中轉速觀測及閉環跟蹤、定子端電流及輸出轉矩、額定負載工況時定子端電壓及電流的仿真波形。可見，全階磁鏈狀態觀測器設計有效，轉速觀測誤差在±3r/min內，矢量控制動、靜態效果良好，滿足工程實用和產品技術需求。

(a) 滯環控制

圖6 轉速觀測及轉速閉環跟蹤

圖7 定子端電流及輸出轉矩

(a) 定子端脈沖電壓

3.2 實驗分析

在電機實驗臺上驗證三電平NPC牽引變流器無傳感器矢量控制策略，通過DSP28335實現控制算法。圖9為額定轉速、額定負載轉矩工況定子端電流?？梢?，額定工況控制效果良好。圖10為電機零速帶載80%額定轉矩起動過程波形?？梢姡瑤лd動態過程運行平穩，無電流沖擊。圖11為堵轉工況，變流器帶電機限流運行波形?？梢?，觀測器零低速觀測效果良好，實驗驗證了本文控制策略的有效性。

圖9 額定負載工況定子端電流

圖10 零速帶載起動波形

圖11 堵轉限流運行波形

4 結 語

本文基于空間矢量調制算法(SVPWM)，提出了根據不同電壓閾值選取滯環和主動控制的策略，解決了中性點電壓平衡問題；在全階磁鏈狀態觀測器獲取電機轉速信息基礎上，優化矢量控制中電流內環控制架構，電機控制參數不僅更加具有理論依據，而且方便實際系統調試；在分析死區時間影響的基礎上，提出了基于三電平SVPWM的實時死區補償方法，具有實現簡單、代碼量少的優點。仿真和實驗驗證了本文控制策略的適用性和有效性。