劉永超，黃 勇，李 興,黃 波

（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都610039）

NPC型三電平拓?fù)溆?981年被提出，因其結(jié)構(gòu)自身的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于中高壓、大功率場合[1-3]。而NPC型三電平逆變器拓?fù)渥陨斫Y(jié)構(gòu)的特點，致使逆變器工作時會出現(xiàn)直流側(cè)上、下分壓電容電壓不平衡，此情況導(dǎo)致中點電壓偏移，給系統(tǒng)帶來了如逆變器輸出電壓畸變、諧波含量大、嚴(yán)重時會退化為兩電平等問題。中點電壓偏移帶來的一系列問題制約了三電平NPC型變換器的應(yīng)用和發(fā)展。為此，該課題成了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，并針對此問題提出了一些控制策略[4-7]。

文獻(xiàn)[7]提出虛擬空間矢量調(diào)制策略，理論上該方法不會對中點電位產(chǎn)生影響，不會造成中點電壓偏移，但在實際應(yīng)用中，由于負(fù)載參數(shù)不對稱、元器件參數(shù)不對稱、開關(guān)延遲等原因會導(dǎo)致中點電壓平衡控制效果不理想；同時，該方法沒有中點電位平衡策略，當(dāng)發(fā)生偏移時，并不能控制中點電壓平衡。文獻(xiàn)[8]在傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制算法基礎(chǔ)上加入模糊控制的中點平衡策略，在一定程度上控制了中點電壓平衡，但是當(dāng)調(diào)制度較大時，分配給小矢量的時間小，冗余小矢量的調(diào)節(jié)能力變小，對中點電壓的控制效果就不理想。文獻(xiàn)[9-10]提出了一些混合調(diào)制策略，在空間矢量區(qū)間范圍內(nèi)，結(jié)合傳統(tǒng)SVPWM算法和虛擬空間矢量法的優(yōu)勢，并添加時間分配因子控制中點電壓偏移；相較于傳統(tǒng)SVPWM算法和虛擬空間矢量算法，混合調(diào)制法能夠控制中點電壓偏移，但缺點是其算法復(fù)雜。

本文基于虛擬空間矢量算法不會對中點電位產(chǎn)生影響的優(yōu)點，用模糊控制器靈活分配冗余小矢量的作用時間來控制中點電壓偏移，使其在較小的范圍內(nèi)波動；在傳統(tǒng)虛擬空間矢量調(diào)制算法基礎(chǔ)上增加了分區(qū)，使各個區(qū)域內(nèi)主小矢量更加明顯。選擇直流側(cè)兩個分壓電容的電壓差值和該差值變化率作為模糊控制器輸入，根據(jù)輸入的大小利用模糊控制規(guī)則分配各區(qū)域內(nèi)主小矢量的作用時間，減小中點電壓的波動。

1 NPC三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NPC三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，每相橋臂都有4個功率開關(guān)管，開關(guān)管的導(dǎo)通順序決定了輸出相電壓的輸出電平，如表1所示，表中P、O、N分別表示輸出相電壓3個電平幅值Udc/2、0、－Udc/2。

圖1 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of three-level inverter

表1 三電平逆變器輸出電平與導(dǎo)通器件的關(guān)系Tab.1 Relationship between the output levels of threelevel inverter and conducted devices

2 基于虛擬空間矢量的改進(jìn)調(diào)制算法

文獻(xiàn)[6-7]分析了造成中點電壓偏移的原因，詳細(xì)介紹了虛擬空間矢量調(diào)制策略，其中小矢量和中矢量影響中點電位，小矢量對中點電位的影響可用相應(yīng)的冗余矢量抵消，中矢量為不可控量。而零矢量和大矢量對中點電位無影響。虛擬空間矢量法是通過控制一個開關(guān)周期內(nèi)，使流過中點的平均電流為零來實現(xiàn)控制中點電壓平衡，但該法沒有中點平衡策略，對中點電位控制效果不理想。

本文利用虛擬空間矢量算法的優(yōu)點，減少中矢量的作用時間以降低中矢量對中點電位影響，根據(jù)中點電壓偏差值通過模糊控制控制器產(chǎn)生的平衡因子,利用平衡因子分配冗余小矢量時間來克服中點電壓平衡問題。第1扇區(qū)區(qū)域劃分如圖2所示，第1扇區(qū)分為8個小區(qū)，在每1個小區(qū)內(nèi)根據(jù)小矢量靠近小區(qū)的距離分為1個主小矢量和一個副小矢量。副小矢量的時間平分給冗余正負(fù)小矢量，可抵消副小矢量對中點電壓產(chǎn)生的影響；主小矢量參與控制中點電壓，利用模糊平衡因子D分配主小矢量的時間控制中點電壓平衡。虛擬中矢量V*可以分解為

兩邊同時乘以虛擬中矢量作用時間T*得

即虛擬中矢量的作用時間可以平分給2個小矢量和中矢量。此時一個開關(guān)周期內(nèi)中矢量所分得時間為虛擬中矢量時間1/3，相較于傳統(tǒng)SVPWM算法，中矢量的作用時間減小了，從而降低了中矢量對中點電壓的影響。由于2個小矢量時間也分別增加了1/3T*，主小矢量所增加的時間與原有時間均參與中點電位控制，與傳統(tǒng)SVPWM算法相比，該方法中參與調(diào)節(jié)的冗余小矢量的時間更大，增強了對中點電位的控制能力，能達(dá)到更好的控制效果。矢量輸出順序根據(jù)需要做調(diào)整，電壓矢量的輸出順序和時間分配如圖3所示。

圖2 第1扇區(qū)區(qū)域劃分Fig.2 Region division of Sector 1

圖3 Uref在第1扇區(qū)電壓矢量時序Fig.3 Timing diagram of for Urefvoltage vector in Sector 1

假設(shè)空間電壓矢量Uref在第1扇區(qū)第 5小區(qū)中，根據(jù)最近三矢量原則可以得到合成Uref的3個矢量Vs1、VL1、V*和三矢量相應(yīng)的作用時間t1、t2、t3[11]。由于Vs1距離第 5小區(qū)更近，在計算時間時它分到時間比Vs2大，它的調(diào)節(jié)控制能力強，因此Vs1是主小矢量，Vs2是副小矢量。在1個周期內(nèi)，輸出電壓矢量排列順序和時間分配如圖3（e）所示。

3 模糊控制器的設(shè)計

以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，模糊邏輯控制器的設(shè)計把專家對特定被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列控制規(guī)則，通過這些規(guī)則實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

在此系統(tǒng)中，選擇直流側(cè)上、下兩電容電壓的差值e和該差值的變化率ec作為模糊控制器的輸入，經(jīng)過模糊推理得到控制因子D（0.25＜D＜0.75）。由于中點電位與基本電壓矢量的選取有關(guān)，基本電壓矢量影響著中點電位。當(dāng)VC1＞VC2時，中點電流流出，要想保證電壓平衡須要加大中點電流的流入，即加大正小矢量作用時間；同理，當(dāng)VC1＜VC2時，需加大負(fù)小矢量作用時間。正、負(fù)小矢量的作用時間大小由模糊控制器的輸出控制因子D調(diào)節(jié)。

圖4為模糊控制器結(jié)構(gòu)組成。首先，設(shè)定變量的論域和模糊取值，分別設(shè)輸入和輸出變量論域為±5和±6,在相應(yīng)的論域上定義{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}共7個模糊子集；其次，選取隸屬函數(shù)，如圖5所示，輸入、輸出變量均選取三角形曲線；最后，根據(jù)系統(tǒng)需求確定模糊控制規(guī)則，如表2所示。

圖4 模糊控制器Fig.4 Fuzzy controller

表2 模糊推理規(guī)則Tab.2 Fuzzy inference rule

圖5 模糊控制隸屬函數(shù)曲線Fig.5 Curves of membership function of fuzzy control

為了使用模糊規(guī)則，需要將輸入輸出值量化至相應(yīng)論域內(nèi)，對偏差e和偏差的變化率ec分別用量化因子ke和kec量化，即

對應(yīng)的輸出控制因子D也要用比例因子ku量化至論域內(nèi)，即

4 仿真結(jié)果

為了驗證該方法對NPC三電平逆變器中點電位平衡控制的可行性和有效性，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建仿真模型。

仿真參數(shù)設(shè)置如下：直流母線電壓600 V，采樣頻率10 kHz，基波頻率50 Hz，調(diào)制度0.9。分以下3種情況進(jìn)行仿真。

三相平衡阻感負(fù)載：R=12.5 Ω，L=40 mH；分壓電容C1=C2=2 000 μF；三相不對稱阻感負(fù)載：Ra=6 Ω、La=10 mH；Rb=Rc=12.5 Ω、Lb=Lc=40 mH；分壓電容，C1=C2=2 000 μF；三相平衡阻感負(fù)載：R=12.5 Ω，L=40 mH；不對稱分壓電容：C1=1 800 μF、C2=2 000 μF。

圖6所示為使用同相載波SPWM調(diào)制策略得到的中點電壓偏移的仿真波形。圖7為虛擬空間矢量調(diào)制時中點電壓偏移的仿真波形。圖8為在傳統(tǒng)空間矢量法基礎(chǔ)上加模糊中點電位平衡控制后中點電壓的仿真波形。圖9為在虛擬空間矢量調(diào)制基礎(chǔ)上加模糊中點平衡策略后中點電壓偏移的仿真波形。由圖6～圖9可得，在不同情況下，同相載波SPWM調(diào)制時由于沒有很好地考慮中點電壓平衡問題，中點電壓波動較大，發(fā)生了中點電壓偏移；虛擬空間矢量法控制效果也不理想，也發(fā)生中點電壓偏移；雖對中點電壓無影響，但當(dāng)負(fù)載參數(shù)不對稱、元器件參數(shù)不對稱、開關(guān)延遲等情況下會造成中點電壓累積，同時該法沒有中點平衡策略，不能有效主動地去減小電壓偏移，偏移量會越來越大；加模糊中點平衡控制的兩種方法能主動有效地抑制中點電壓偏移，使電壓偏移量控制在一定范圍內(nèi)。比較圖8和圖9，本文提出的基于虛擬空間矢量的模糊中點控制的控制效果明顯更好，它能將中點電壓偏移量控制在更小的范圍內(nèi)。

圖6 同相載波SPWM控制時的仿真波形Fig.6 Simulation waveform under phase carrier SPWM control

圖 7 虛擬空間矢量調(diào)制時的仿真波形Fig.7 Simulation waveform with virtual space vector modulation

圖8 傳統(tǒng)SVPWM加模糊控制仿真波形Fig.8 Simulation waveforms with traditional SVPWM under fuzzy control

圖 9 虛擬空間矢量加模糊控制時的仿真波形Fig.9 Simulation waveform of virtual space vector under fuzzy control

5 結(jié)語

本文針對NPC型三電平逆變器中點電位偏移問題，分析驗證了傳統(tǒng)虛擬空間矢量法在元器件參數(shù)不對稱、負(fù)載參數(shù)不對稱和開關(guān)延遲等影響時，中點電位控制效果不理想的原因。在虛擬空間矢量法基礎(chǔ)上加模糊中點平衡控制策略來控制中點電位平衡，結(jié)合兩者的優(yōu)勢來控制中點電位，相較于傳統(tǒng)虛擬空間矢量調(diào)制策略，在實際應(yīng)用中，控制效果得到了很好的改善，不僅能夠抑制對中點電壓造成的影響，而且使中點電壓波動控制在一個更小的范圍內(nèi)；相較于基于傳統(tǒng)SVPWM法的模糊控制策略，能減小中點電壓的波動范圍，在調(diào)制度較高時，有較好的控制效果。仿真驗證了該方法的正確性和可行性。

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