三電平逆變器中電容電壓的平衡問題是保證電機(jī)安全高效運(yùn)行的一個重要標(biāo)志，若三電平逆變器的直流側(cè)電容電壓得不到平衡，結(jié)果會使輸出電壓包含二次或更高次的偶次諧波，這對交流傳動裝置會造成極大的破壞。所以中點(diǎn)電位漂移是三電平逆變器必須要解決的問題。本文采用基于d-q坐標(biāo)系的三電平svpwm算法來完成三電平系統(tǒng)主算法的實現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)之上，提出兩種中點(diǎn)平衡控制策略來解決中點(diǎn)平衡問題，并對兩種算法做比較分析。
2 基于d-q坐標(biāo)系算法的實現(xiàn)
三電平逆變器共有27個基本矢量可供選擇，整個空間電壓矢量分布圖可以劃分為6個扇區(qū)共24個三角形區(qū)域（見圖1）。 參考電壓矢量所處的扇區(qū)位置可根據(jù)參考電壓矢量的角度來確定。如圖2所示，將任意一個60°扇區(qū)劃分a、b、c、d四個小三角形。當(dāng)某一長度的參考矢量v＊在某一扇區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)時有可能會跨越不同的三角形區(qū)域，據(jù)此將矢量工作模式劃分為a模式、ac模式、bcd模式和bd四種。在不同區(qū)域的臨界處存在著矢量切換角，如圖2所示，θ1、θ2可通過簡單的三角運(yùn)算獲得，這樣通過矢量切換角θ1、θ2就可以清晰的確定參考矢量所在的三角形區(qū)域，根據(jù)ntv（the nearest triangle vectors）原則，用構(gòu)成該三角形的三個固有矢量來合成該參考矢量，這樣各個矢量的作用時間便可以獲得，在不同的三角形區(qū)域內(nèi)各個矢量的作用時間如圖3所示。
圖1 三電平逆變器空間電壓矢量圖
圖 2 矢量切換角示意圖
圖 3 矢量作用時間分配圖
3 中點(diǎn)電位平衡控制
3.1 基于控制因子m的滯環(huán)比較法
對電流方向做如下定義：流入負(fù)載中性點(diǎn)n的方向為負(fù)載電流正方向，流出直流側(cè)中點(diǎn)的方向為中點(diǎn)電流的正方向。在27個電壓矢量中只有18個矢量會影響中點(diǎn)電位，而這18個矢量作用的任意時刻，流入（或流出）中點(diǎn)電流的絕對值一定等于某相電流的ix（x=a，b，c）的絕對值。對于小矢量而言，當(dāng)該相負(fù)載電流與直流側(cè)中點(diǎn)直接相連時，定義此時的小矢量為正小矢量，中點(diǎn)電流i0=ix；當(dāng)該相負(fù)載電流不與中點(diǎn)直接相連時，定義此時的小矢量為負(fù)小矢量，中點(diǎn)電流i0=-ix。對于中矢量而言，必然有i0=ix。設(shè)某一矢量的開關(guān)狀態(tài)為（a，b，c），其中a，b，c=1，0，-1，則中點(diǎn)電流與負(fù)載電流關(guān)系可以綜合為下式：
i0=ia（a+1）（1-a）+ib（b+1）（1-b）+ic（c+1）（1-c） （1）
在同樣的負(fù)載狀況下，一對正、負(fù)小矢量對中點(diǎn)電位的影響是完全相反的，所以適當(dāng)?shù)姆峙溥@兩個矢量的作用時間就可以控制中點(diǎn)的漂移，這就是此種中點(diǎn)平衡策略的核心思想。
圖4 滯環(huán)比較法矢量區(qū)域劃分及矢量作用時間分配
以第一扇區(qū)為例，如圖4所示，為了增強(qiáng)一對正、負(fù)小矢量對中點(diǎn)電位的調(diào)控能力，在三角形a1、c1、d中使用
這組小矢量；在三角形a2、c2、b中使用
小矢量。當(dāng)矢量位于c1區(qū)時，如圖中所示，此時小矢量v2的作用時間為t2，定義控制因子m（m∈（0,1）），設(shè)負(fù)小矢量的作用時間t2-=mt2，正小矢量作用時間t2+=（1-m）t2，定義中點(diǎn)電位的偏移量δv=vc2-vdc/2，其中vc2是下臂電容c2的電壓， vdc是直流母線電壓?；谝陨隙x，具體的調(diào)控則如下：（1） 當(dāng)δv>0，i0>0或δv<0，i0<0即δvi0>0時，增加該組負(fù)小矢量的作用時間，即保持m∈（0.5,1）；
（2） 當(dāng)δv>0，i0<0或δv<0，i0>0即δvi0<0時，增加該組正小矢量作用時間，即保持m∈[0,0.5>；
（3） 當(dāng)δvi0=0時，m=0.5。
3.2 基于控制因子ms0的準(zhǔn)確計算法
實際上，中點(diǎn)電位漂移的根本原因是在一個開關(guān)周期內(nèi)流入或流出中點(diǎn)的電荷不守恒，基于這一思想，如果能夠保證每一個開關(guān)周期內(nèi)流入中點(diǎn)的總電荷為零，就必然可以實現(xiàn)中點(diǎn)電位的精準(zhǔn)控制，或者說將中點(diǎn)電位的波動降到最小。為簡單起見，繼續(xù)沿用上一方法的pwm輸出序列規(guī)則。觀察附表可以發(fā)現(xiàn)，在每一個周期中，脈沖序列總是以某一個小矢量的負(fù)小矢量（或正小矢量）開頭并以該小矢量的負(fù)小矢量（或正小矢量）結(jié)尾，為了便于后文說明問題，稱這一小矢量為主控小矢量；在一個pwm周期內(nèi)除了主控小矢量以外，在某些區(qū)域還會用到相鄰的小矢量，稱為輔控小矢量。如圖5所示，（0°,30°>區(qū)域的主控小矢量為v1，輔控小矢量為v2； （30°,60°>的主控小矢量為v2，輔控小矢量為v1。有關(guān)中矢量和大矢量的定義無任何變化。設(shè)某段區(qū)域的主控小矢量作用時間為tms0，輔控小矢量作用時間為 ，中矢量作用時間為tm，引入主控小矢量的時間分配系數(shù)ms0（ms0∈[-1,1>），并定義正小矢量的作用時間為tms0+=（1+ms0）tms0/2，負(fù)小矢量的作用時間為tms0-=（1-ms0）tms0/2，則正、負(fù)小矢量流入中點(diǎn)的總電荷為qms0=tms0+ix0-tms0-ix0=ms0ix0tms0，其中ix0代表與該小矢量相對應(yīng)的某相電流即ix0=（ia，ib，ic）；進(jìn)一步觀察表1可以得到相鄰小矢量流入中點(diǎn)的電荷為：qms=-ix1tms1，其中ix1代表與該相鄰小矢量相對應(yīng)的某相電流ix1=（ia，ib，ic）；中矢量流入中點(diǎn)的電荷為：qm=imtm；大矢量對中點(diǎn)電位無影響。如果要保證中點(diǎn)電位不發(fā)生波動，則必須保證流入中點(diǎn)的總電荷為零：qms0 +qms1+qm=0即:
ms0ix0tms0-ix1tms1+imtm=0 （2）
圖5 包含中點(diǎn)電流大小和方向的矢量區(qū)域劃分和作用時間分配
由于ms0∈[-1,1>，所以對解出的ms0應(yīng)加以限定：當(dāng)ms0＞1，取ms0=1，當(dāng)ms0＜-1，取ms0=-1，這樣就可以最大限度的發(fā)揮正負(fù)小矢量對中點(diǎn)電位的平衡能力。此種算法的缺陷是一旦中點(diǎn)出現(xiàn)偏移便不具有將中點(diǎn)電位拉回平衡點(diǎn)的能力的，為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，可以將第一種方法與本方法結(jié)合起來，具體實現(xiàn)如下：設(shè)定一個電壓誤差滯環(huán)δuset，如果中點(diǎn)電位的實際偏差δu<δuset，采用第二種方法；如果中點(diǎn)電位的實際偏差δu>δuset，采用第一種方法，這樣就可以實現(xiàn)中點(diǎn)電位的準(zhǔn)確控制。
4 仿真及結(jié)果分析
針對該算法，系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如下：選用三相異步鼠籠電機(jī)，額定功率pn=4kw，額定線電壓un=400v，額定頻率fn=50hz，額定轉(zhuǎn)速ωr= 1430r/min，定子電阻rs=1.405ω，轉(zhuǎn)子電阻rr=1.395ω，定子漏感l(wèi)sl=0.005839h，轉(zhuǎn)子漏感l(wèi)rl=0.005839h，定轉(zhuǎn)子互感l(wèi)m=0.1722h，轉(zhuǎn)動慣量j=0.0131kg.m2，極對數(shù)p=2，開關(guān)頻率f=10khz，直流母線電壓vdc=600v，直流側(cè)電容c1=c2=1200μf，磁鏈幅值給定|ψs＊|= 0.8wb。
4.1 采用基于控制因子m的滯環(huán)中點(diǎn)控制策略
為了驗證該算法，現(xiàn)將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定如下：t=0s時給定轉(zhuǎn)速ωr=1200rpm＝125.6rad/s，空載啟動，在t=0.2s時，突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl=15n·m。圖6、7為此種控制策略下所得的波形。
圖6 直流側(cè)下部電容電壓與理想電壓的偏差：vc2-vdc/2 （基于控制因子m）
圖7 線電壓波形（基于控制因子m）
4.2 采用基于控制因子ms0的準(zhǔn)確計算法中點(diǎn)控制策略
系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定：t=0s時給定轉(zhuǎn)速ωr=700rpm＝73.3rad/s，空載啟動，在t=0.15s時，給定轉(zhuǎn)速ωr=1200rpm＝125.6rad/s，t=0.24s時突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl=15n·m。偏差電壓滯環(huán)設(shè)定值δu=1v。圖8、9為此種控制策略的波形。
圖8 直流側(cè)下部電容電壓與理想電壓的偏差：vc2-vdc/2 （基于控制因子ms0）
圖9 線電壓和相電壓波形（基于控制因子ms0）
5 兩種中點(diǎn)控制策略的比較
第一種中點(diǎn)控制方法的思想非常簡單，由于采用滯環(huán)比較，所以它不可能在數(shù)量上對中點(diǎn)電位做出精確的補(bǔ)償，或者說他并沒有充分發(fā)揮正負(fù)小矢量對中點(diǎn)電位的補(bǔ)償作用?；诳刂埔蜃觤s0的平衡策略其計算量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于控制因子m的平衡策略，而這種代價換來的就是中點(diǎn)電位控制精度的提高，通過設(shè)定偏差電壓的滯環(huán)寬度，就可以將中點(diǎn)漂移限定在一定范圍以內(nèi)而不會受負(fù)載變化的影響，這也正是基于控制因子m的策略所不能做到的。至于這兩種控制策略究竟選取哪一種，最終要視系統(tǒng)精度而定。
（轉(zhuǎn)載）
