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1、三电平中点电位平衡控制研究1引言三电平逆变器中电容电压的平衡问题是保证电机平安高效运行的一个重要标志，假设三电平逆变器的直流侧电容电压得不到平衡，结果会使输出电压包含二次或者更高次的偶次谐波，这对沟通传动装置会造成极大的破坏。所以中点电位漂移是三电平逆变器必需要解决的问题。本文采用基于d-q坐标系的三电平svpwm算法来完成三电平系统主算法的实现，并在此根底之上，提出两种中点平衡控制策略来解决中点平衡问题，并对两种算法做比拟分析。2基于d-q坐标系算法的实现三电平逆变器共有27个根本矢量可供选择，整个空间电压矢量分布图可以划分为6个扇区共24个三角形区域见图1。参考电压矢量所处的扇区位置可根据
2、参考电压矢量的角度来确定。如图2所示，将任意一个60扇区划分a、b、c、d四个小三角形。当某一长度的参考矢量vsup/sup在某一扇区内旋转时有可能会跨越不同的三角形区域，据此将矢量工作形式划分为a形式、ac形式、bcd形式和bd四种。在不同区域的临界处存在着矢量切换角，如图2所示，sub1/sub、sub2/sub可通过简单的三角运算获得，这样通过矢量切换角sub1/sub、sub2/sub就可以明晰确实定参考矢量所在的三角形区域，根据ntvthenearesttrianglevectors原那么，用构成该三角形的三个固有矢量来合成该参考矢量，这样各个矢量的作用时间便可以获得，在不同的三角形
3、区域内各个矢量的作用时间如图3所示。img=340,293ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-1.jpg/img图1三电平逆变器空间电压矢量图img=283,244ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-2.jpg/img图2矢量切换角示意图align=centerimg=283,243ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-3.jpg/img/align图3矢量作用时间分配图3中点电位平衡控制b3.1基于控制因子m的滞环比拟法/b对电流方向做如下
4、定义：流入负载中性点n的方向为负载电流正方向，流出直流侧中点的方向为中点电流的正方向。在27个电压矢量中只有18个矢量会影响中点电位，而这18个矢量作用的任意时刻，流入或者流出中点电流的绝对值一定即是某相电流的isubx/subx=a，b，c的绝对值。对于小矢量而言，当该相负载电流与直流侧中点直接相连时，定义此时的小矢量为正小矢量，中点电流isub0/sub=isubx/sub；当该相负载电流不与中点直接相连时，定义此时的小矢量为负小矢量，中点电流isub0/sub=-isubx/sub。对于中矢量而言，必然有isub0/sub=isubx/sub。设某一矢量的开关状态为a，b，c，其中a，b
5、，c=1，0，-1，那么中点电流与负载电流关系可以综合为下式：isub0/sub=isuba/suba+11-a+isubb/subb+11-b+isubc/subc+11-c1在同样的负载状况下，一对正、负小矢量对中点电位的影响是完全相反的，所以适当的分配这两个矢量的作用时间就可以控制中点的漂移，这就是此种中点平衡策略的核心思想。img=283,208ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-4.jpg/img图4滞环比拟法矢量区域划分及矢量作用时间分配以第一扇区为例，如图4所示，为了增强一对正、负小矢量对中点电位的调控才能，在三角形asub1/
6、sub、csub1/sub、d中使用img=95,43ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-gs1.jpg/img这组小矢量；在三角形asub2/sub、csub2/sub、b中使用img=86,43ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-gs2.jpg/img小矢量。当矢量位于csub1/sub区时，如图中所示，此时小矢量vsub2/sub的作用时间为tsub2/sub，定义控制因子mm0,1，设负小矢量的作用时间tsub2/subsup-/sup=mtsub2/sub，正小矢量作用时间tsub
7、2/subsup+/sup=1-mtsub2/sub，定义中点电位的偏移量v=vsubc2/sub-vsubdc/sub/2，其中vsubc2/sub是下臂电容csub2/sub的电压，vsubdc/sub是直流母线电压。基于以上定义，详细的调控那么如下：1当v0，isub0/sub0或者v0时，增加该组负小矢量的作用时间，即保持m0.5,1；2当v0，isub0/sub0即visub0/subimg=283,236ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-5.jpg/img图5包含中点电流大小和方向的矢量区域划分和作用时间分配由于mssub0/s
8、ub-1,1，所以对解出的mssub0/sub应加以限定：当mssub0/sub1，取mssub0/sub=1，当mssub0/sub-1，取mssub0/sub=-1，这样就可以最大限度的发挥正负小矢量对中点电位的平衡才能。此种算法的缺陷是一旦中点出现偏移便不具有将中点电位拉回平衡点的才能的，为了弥补这一缺点，可以将第一种方法与本方法结合起来，详细实现如下：设定一个电压误差滞环usubset/sub，假如中点电位的实际偏向uusubset/sub，采用第一种方法，这样就可以实现中点电位的准确控制。img=567,242ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizh
9、enxing-b1.jpg/img4仿真及结果分析针对该算法，系统仿真参数设置如下：选用三相异步鼠笼电机，额定功率psubn/sub=4kw，额定线电压usubn/sub=400v，额定频率fsubn/sub=50hz，额定转速subr/sub=1430r/min，定子电阻rsubs/sub=1.405，转子电阻rsubr/sub=1.395，定子漏感lsubsl/sub=0.005839h，转子漏感lsubrl/sub=0.005839h，定转子互感lsubm/sub=0.1722h，转动惯量j=0.0131kg.msup2/sup，极对数p=2，开关频率f=10khz，直流母线电压vsub
10、dc/sub=600v，直流侧电容csub1/sub=csub2/sub=1200f，磁链幅值给定|subs/subsup/sup|=0.8wb。b4.1采用基于控制因子m的滞环中点控制策略/b为了验证该算法，现将系统的运行状态设定如下：t=0s时给定转速subr/sub=1200rpm125.6rad/s，空载启动，在t=0.2s时，突加负载转矩tsubl/sub=15nm。图6、7为此种控制策略下所得的波形。img=283,254ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-6.jpg/img图6直流侧下部电容电压与理想电压的偏向：vsubc2/s
11、ub-vsubdc/sub/2基于控制因子mimg=283,243ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-7.jpg/img图7线电压波形基于控制因子mb4.2采用基于控制因子mssub0/sub的准确计算法中点控制策略/b系统运行状态设定：t=0s时给定转速subr/sub=700rpm73.3rad/s，空载启动，在t=0.15s时，给定转速subr/sub=1200rpm125.6rad/s，t=0.24s时突加负载转矩tsubl/sub=15nm。偏向电压滞环设定值u=1v。图8、9为此种控制策略的波形。img=340,138ca800/
12、uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-8.jpg/img图8直流侧下部电容电压与理想电压的偏向：vsubc2/sub-vsubdc/sub/2基于控制因子mssub0/subimg=340,341ca800/uploadfile/maga/inv2020-6/weizhenxing-9.jpg/img图9线电压和相电压波形基于控制因子mssub0/sub5两种中点控制策略的比拟第一种中点控制方法的思想非常简单，由于采用滞环比拟，所以它不可能在数目上对中点电位做出准确的补偿，或讲他并没有充分发挥正负小矢量对中点电位的补偿作用。基于控制因子mssub0/sub
13、的平衡策略其计算量要远远大于基于控制因子m的平衡策略，而这种代价换来的就是中点电位控制精度的进步，通过设定偏向电压的滞环宽度，就可以将中点漂移限定在一定范围以内而不会受负载变化的影响，这也正是基于控制因子m的策略所不能做到的。至于这两种控制策略终究选取哪一种，最终要视系统精度而定。魏振兴1982-男硕士研究生研究方向：电力系统及其自动化。1马小亮.大功率交一交变频调速及矢量控制技术.北京：机械工业出版社2bimalk.bose.当代电力电子学与沟通传动.王聪，赵金，于庆广，程红等译.北京：机械工业出版社，20053黄俊，王兆安.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，19994steffenb
14、ernet.recentdevelopmentsofhighpowerconvertersforindustryandtractionapplication.ieeetrans,onpowerelectronics，2000，156：1102-11175m.gonbu.paralleroperationtechniquesofgtoinvertersetsforlargemotordrives.1983,ieee,192:198-205.6dae-woong,joohn-sheok,kimandseungp-kisui.unifiedvoltagemodulationtechniqueforreal-timethree-phasepowerconversion.ieeetrans.ia,vo1.34,pp374-380.