三電平ANPC逆變器改進SVPWM控制策略

韓建定, 俞銘宏, 曾家齊, 高光輝

(1.空軍工程大學航空工程學院，西安，710038；2.空軍工程大學研究生院，西安，710038)

隨著飛機電氣系統的不斷完善，機載用電設備越來越復雜，對供電質量的要求不斷提高[1]。ANPC作為三電平逆變器，具有輸出電壓跳變小，輸出電壓諧波含量較少的特點，在航空應用中是一種不錯的選擇。但ANPC難以維持中點電壓平衡，這也是制約其航空應用的主要因素。

直流側中點電壓的平衡問題是中性點鉗位變換器研究的一個關鍵問題。在中性點鉗位三電平逆變器中，輸出電平為直流側2個電容兩端的電壓，因此，若上下電容兩端電壓不相等，中點電壓不平衡，就會引起輸出電平不平衡，增大輸出諧波，嚴重時將會導致波形畸變。SVPWM是多電平NPC變換器最常用的調制策略，它具有獨特的對稱性：在空間上相位差180°、大小相等的2個空間電壓矢量作用下的中點電流在理想狀態下大小相等，方向相反，因此，在一個周期內，流過中性點的電流之和為0，即具有一定的自平衡能力。但在不同的負載功率因數下，受負載性質的影響，SVPWM控制并不能完全達到平衡。近年來，國內外針對中點電壓平衡問題展開了許多研究，提出了許多改進的控制策略。文獻[2]通過分析中點電壓不平衡條件下空間矢量的偏移，提出了一種動態空間矢量方法，該方法在滿足輸出電壓矢量的前提下可對電容電壓進行調節。即便在中點電壓不平衡的情況下，該控制策略也能根據偏移情況進行調節，但該方法調節中點電壓的速度慢，不能迅速校正中點電壓的偏移。文獻[3～5]在ANPC電路中引入零序電壓，通過注入零序電壓使中點電壓得到調節，但這種方法受調制度的影響，不能對所有狀態都進行有效控制；文獻[6]提出了一種基于SHEPWM控制策略的電壓自平衡策略，這種控制策略理論復雜，計算量大，中點電壓波動較大；文獻[7～8]采用最近三矢量(2個小矢量、1個中矢量)合成虛擬矢量，通過調節虛擬矢量中各矢量所占比例，從而達到中點電壓平衡的作用，在輸出電流穩定的情況下，理論上能實現中點電壓平衡，但在實際應用中不能保證在一個開關周期內三相電流的穩定，因此在實際應用中存在一定的缺陷。

本文提出了一種新的合成虛擬矢量的方法，用相鄰的2個大矢量合成2個大矢量之間的中矢量，新合成的中矢量不會引起中性點電流，從而可以從理論上保證中點電壓的平衡。在實際應用中，需要考慮負載功率因數、器件參數、電流變化等非理想因素對中點電壓的影響，對中點電壓進行實時測量，并根據測量結果對各矢量的作用時間進行微調，使得到中點電壓在發生偏離時能迅速回歸平衡狀態。

1 三電平ANPC及其SVPWM

三電平ANPC逆變器拓撲如圖1所示。

圖1 ANPC逆變器

每相各6個功率器件，每相功率管的開關組合共有26種組合，去除非安全導通路徑，剩下6組開關狀態：1組高電平P，1組低電平N，4組零狀態O[9]。ANPC變換器一相各開關狀態對應的輸出電壓如表1所示。

表1 ANPC逆變器開關狀態

在圖2所示的三電平電壓矢量圖中，各矢量引起的中性點電流為：

io=-(|Sa|ia+|Sb|ib+|Sc|ic)

(1)

式中：Sx表示x相(x=a,b,c)輸出電平狀態，當輸出電平為P時，Sx=1；輸出電平為O時，Sx=0；輸出電平為N時，Sx=-1。通過式(1)可以計算得到圖2中每個矢量在中性點處引起的電流。各矢量對應的中性點電流已標注在圖2中。

圖2 三相三電平空間矢量圖

通過上述計算分析可以看出，零矢量、大矢量在中性點處不形成中點電流，因此對中點電壓不產生影響；成對的小矢量在中性點處產生的電流是相反的，一個使中點電壓上升，另一個則使中點電壓下降[10]；中矢量會在中性點處產生一個電流，此時中點電壓的變化情況和此時電流的正負有關[11]。分析可得在一個控制周期內，小矢量可以通過正負作用抵消，使得中點電壓保持平衡，而中矢量的存在會使得中點電壓發生偏移[12]。

針對中矢量引起的不平衡問題，文獻[13]提出了NVSVM方法，它采用最近三矢量合成虛擬矢量，新的中矢量與原中矢量相比幅值和相位發生了變化，并將大區分成5個小區。以A大區為例，其矢量合成式為：

VVM0=k0VONN+k1VPON+k2VPPO

(2)

式中：k0+k1+k2=1。NVSVM下，A大區空間矢量圖如圖3所示。

圖3 NVSVM中矢量合成示意圖

在NVSVM策略下，新的虛擬中矢量仍然包含原中矢量，引起的中性點電流為：

io=k0ia+k1ib+k2ic

(3)

當k0、k1、k2不相等時，矢量VM0引起的中性點電流不為零，仍會引起中點電壓波動。同時，新的分區大小不均衡，新的小區也不再是正三角形，因此，判斷參考矢量分區、計算矢量作用時間更為復雜。

2 提出的改進SVPWM控制策略

新的控制策略采用相鄰的2個大矢量合成它們之間的中矢量。與NVSVM合成方法不同，NVSVM需要由原中矢量和相鄰的2對小矢量合成，改進的調制策略只選用了2個相鄰的大矢量用于合成中矢量。相比于NVSVM策略，提出的中矢量合成方法參與合成的矢量更少，減小了計算量；同時，新的中矢量在理論上不會引起中點電壓的變化。

下面以A大區為例，新的虛擬中矢量由與其相鄰的2個大矢量構成。新的虛擬中矢量可表示為：

(4)

圖4 A大區中矢量合成示意圖

從圖4可以看出，新的中矢量幅值和相位與原中矢量保持一致，分區也同原始分區保持一致。因此，確定分區和計算矢量作用時間的方法同SVPWM一樣。

2.1 矢量作用時間

在三電平空間電壓矢量圖中，參考矢量Uref是以角速度ω旋轉的一個圓形軌跡[14]。對于任一個Uref，只需知道Uref的幅值和相角，就能判斷出Uref處于哪個區域，然后選擇離參考電壓矢量最近的3個電壓矢量即所謂的“最近三矢量”進行合成。

2.1.1 矢量分區方法

在空間矢量圖中，根據參考矢量的幅值|Uref|和參考矢量與α軸的夾角θ的大小就可以判斷出參考電壓矢量位于哪個小區。

以圖2中的A大區為例，首先將A大區平分，如圖5所示。

圖5 利用θ和|Uref|判斷Uref所在區域

當θ=0°～30°時，如圖5(a)所示，應用正弦定理可得：

(5)

2.1.2 矢量作用時間

以A大區為例，圖6中參考矢量位于A2小區，距離最近的3個空間矢量為VL0(VPOO、VONN)、VH0(VPNN)、VM(0.5VPPN+0.5VPNN)，通過伏秒平衡原則可以計算得到一個控制周期內3個矢量的作用時間T1、T2、T3，即：

(6)

圖6 A大區空間矢量圖

以A2區為例，在圖6中顯示了A2區參考矢量的合成圖，根據正弦定理可以列出以下方程：

(7)

求解式(7)，得到A2區各矢量作用時間分別為(同理可以求解得到其他區域矢量作用時間)：

(8)

式中：m為空間矢量調制比。

(9)

2.2 中點電壓偏差校準

即便是在一個控制周期內，一相的電流并不是恒定的，因此成對的正負小矢量在一個控制周期內作用相同時間的情況下，可能會造成流出和流入的電荷數不同，從而引起上下電容電壓的不平衡。為了校正由非理想因素引起的中點電壓差，提出的新的調制策略通過實時測量上下電容的差值，在每個控制周期內引入調節系數k，調節成對小矢量中的一個作用時間為(1+k)T，另一個小矢量的作用時間為(1-k)T，通過調節小矢量作用時間，控制電流流入和流出的時間，從而達到調整中點電位的目的。

以流過中性點電流為正為例。當直流側上下電容差為ΔU時，若為正，表明上電容電壓高于下電容電壓，此時需要使上電容放電路徑導通時間延長，或縮短下電容放電時間才能使其恢復平衡；若ΔU為負，則縮短上電容導通時間，延長下電容導通時間。根據電容電荷與電壓電流的關系，可以得到：

ΔQ=ΔUC

(10)

式中：ΔQ為上下電容電荷量的差。要使中點電壓平衡，需要讓電荷量大的電容放電時間延長或充電時間縮短，延長(或縮短)時間為：

(11)

調節系數k為Δt與某矢量導通時間的比值，可以得出：

(12)

式中：T為根據前文計算得到的小矢量的作用時間；i為該小矢量作用時中性點的電流大小。

3 仿真與實驗驗證

為了驗證上述方法的可行性，利用MATLAB搭建ANPC逆變器仿真模型。仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數設置

三相ANPC逆變器輸出三相電壓仿真波形如圖7所示，輸出電壓頻率為400 Hz，幅值約為162 V，與參考電壓一致。圖8為中點電壓的波形，圖中中點電壓在0.03 s左右達到平衡，電容電壓平衡后一直穩定在135 V，由此可以看出改進SVPWM控制策略能有效抑制電壓偏移。

圖7 三相ANPC逆變器輸出電壓

圖8 改進調制算法下電容電壓仿真波形

為了驗證文章提出的控制方法的優化性能，將改進調制策略與NVSVM控制策略進行對比。為了驗證改進控制方法對中點電壓的平衡控制的快速性，設置2種控制策略下直流側上下電容的初始電壓分別為UC1=200 V，UC2=70 V。仿真結果如圖9所示。圖9(a)為NVSVM控制策略與改進SVPWM控制策略下，電容電壓由不平衡到平衡所需時間的對比；圖9(b)為電容電壓達到平衡后的電壓紋波大小對比。仿真結果表明：NVSVM控制策略下，上下電容的電壓從不平衡到平衡狀態所需時間為0.35 s，平衡后中點電壓紋波約為6.9 V；改進SVPWM控制策略下，上下電容從不平衡狀態到平衡狀態所需時間約為0.2 s，平衡后電容電壓紋波約為2.0 V。由此可見提出的改進SVPWM控制策略能有效控制ANPC，同時在對中點電壓的平衡控制上更具優越性。

圖9 2種調制策略下電容電壓仿真波形對比

為進一步驗證改進SVPWM控制策略的實際應用性能，采用TMS320F28035 DSP為控制板制作了一臺試驗樣機，如圖10所示。實驗樣機直流供電電壓為270 V，電容選擇4 700 μF/400 V；輸出參考電壓115 V/400 Hz。

圖10 三電平ANPC逆變器

圖11為輸出三相電壓波形，圖12為中點電壓波形。從示波器觀測結果可以看出，三相電壓滿足幅值、相位、頻率要求；中點電壓一直穩定在135 V，波動小，與預期一致。

圖11 輸出電壓實驗波形

圖12 電容電壓實驗波形

4 結語

文章針對ANPC逆變器中點電壓偏移的問題展開研究，對SVPWM控制策略進行了改進，改進算法包含虛擬中矢量合成和中點電壓校正兩步。與NVSVM相比，改進SVPWM算法計算量更小，且虛擬中矢量僅由2個大矢量合成，因此對中點電壓的影響更小，達到平衡狀態的時間更短。同時，改進SVPWM控制算法引入了調節系數k，可對中點電壓的波動進行快速調節，因而能夠解決傳統虛擬矢量合成SVPWM所不能解決的系統非線性因素影響。