魏曙光，吳慶祥，魏 巍，李敏裕

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2.解放軍63966部隊，北京 100072；3.解放軍63963部隊，北京 100072）

0 引言

T型三電平逆變器存在中點電壓不平衡的問題，中點電壓不平衡會導(dǎo)致逆變器輸出諧波增大、開關(guān)管承受電壓應(yīng)力增大以及母線電容壽命降低等問題［1］。為解決中點電壓不平衡的問題，文獻(xiàn)［2］提出一種中點電位滯環(huán)控制方法，該方法不依賴于具體的PWM調(diào)制方式，只通過對已生成的PWM信號進(jìn)行重新組合實現(xiàn)中點電壓調(diào)制，但較難應(yīng)用于SVPWM調(diào)制算法。文獻(xiàn)［3］提出一種中點電壓精確調(diào)節(jié)的簡化算法，該方法通過定量計算用于調(diào)節(jié)中點電壓的冗余矢量的分配因子，理論上能夠使得每個采樣周期內(nèi)流過中點的電流為零，即中點電壓不波動，但實際應(yīng)用中器件之間的參數(shù)差異、采樣值的誤差以及逆變器負(fù)載波動時，該方法會導(dǎo)致中點電壓波動無法及時得到調(diào)整。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于模糊控制的中點電壓平衡策略，該方法能夠較為靈活地根據(jù)中點電壓偏差及偏差率改變?nèi)哂嗍噶孔饔脮r間達(dá)到實時控制中點電壓的目的，但是在調(diào)制度較高或者功率因數(shù)較低時，由于冗余矢量作用時間有限，無法有效地對中點電壓進(jìn)行控制。本文提出采用虛擬空間矢量算法對中點電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方法能夠在全范圍內(nèi)實現(xiàn)中點電壓完全控制。

1 虛擬空間矢量控制算法原理

1.1 T型三電平逆變器結(jié)構(gòu)

如圖1為T型三電平逆變器的結(jié)構(gòu)圖，逆變器每相橋臂都可以輸出+Udc/2、0、-Udc/2三種電壓（相對于中點O），與傳統(tǒng)的NPC三電平逆變器相比，T型三電平逆變器所需器件數(shù)量更少、損耗分布更均勻［5］。

圖1 T型三電平逆變器結(jié)構(gòu)圖

1.2 虛擬空間矢量圖

圖2所示為三電平逆變器傳統(tǒng)的空間矢量圖，其中包括6個大扇區(qū)（I-VI），每個大扇區(qū)內(nèi)有6個小扇區(qū)（1～4），按照幅值大小可以將空間矢量分為1個零矢量 U0，6 個小矢量 U1、U2、U3、U4、U5、U6，6 個中矢量 U8、U10、U12、U14、U16、U18，6 個大矢量 U7、U9、U11、U13、U15、U17。

圖2 三電平空間矢量圖

為了實現(xiàn)虛擬空間矢量算法，對圖2進(jìn)行改進(jìn)，去掉所有中矢量（U8、U10、U12、U14、U16、U18），構(gòu)造虛擬中矢量（V8、V10、V12、V14、V16、V18），所有虛擬中矢量都是由小矢量和原中矢量按式（1）合成：

其中，（x=8，10，12，14，16，18），Us1和 Us2為同一扇區(qū)內(nèi)的2個小矢量，Ux為扇區(qū)內(nèi)原中矢量。新構(gòu)造的虛擬空間矢量圖如圖3所示。

圖3 三電平虛擬空間矢量圖

以參考矢量作用于第I扇區(qū)時為例對虛擬矢量圖進(jìn)行分析，扇區(qū)I中的小矢量為U1、U2，中矢量為U8，虛擬中矢量為 V8，根據(jù)式（1）有：

由于負(fù)小矢量 U1N（0-1-1）、正小矢量 U2P（110）、中矢量U8（10-1）分別作用于逆變器時，流過直流母線中點的電流分別為Ia、Ic、Ib，且在一個調(diào)制周期T內(nèi)，可以認(rèn)為三相負(fù)載電流保持不變，因此，在一個調(diào)制周期T內(nèi)，有：

假設(shè)虛擬矢量V8作用于逆變器，作用時間為TV8，根據(jù)矢量合成原理，有：

由式（4）可知，虛擬矢量V8作用了時間TV8可以等效于U1N、U2P和U8分別作用時間TV8/3，這3個矢量產(chǎn)生的平均中點電流Io為：

由式（3）和式（5）可得 Io=0，即虛擬矢量作用于逆變器時，其所產(chǎn)生的中點電流為零，即虛擬矢量對中點電壓不產(chǎn)生影響［6-8］。

1.3 參考矢量扇區(qū)判斷

根據(jù)圖3可知，可以通過參考矢量Ur與直線GK，HL，JM的關(guān)系來判斷所在扇區(qū)。首先給出這些直線的表達(dá)式：

根據(jù)式（6）～式（8）可以得到參考矢量 Ur所在扇區(qū)的判斷方法如表1所示。

表1 參考矢量Ur所在扇區(qū)判斷表

1.4 參考矢量區(qū)域判斷

以第I扇區(qū)為例分析參考矢量區(qū)域的判斷方法，根據(jù)圖3可知，只需要判斷參考矢量Ur與直線GJ，HM，AB，GH的幾何關(guān)系即可確定參考矢量所在區(qū)域，下面給出直線GJ，HM，AB，GH的表達(dá)式：

根據(jù)式（9）～式（12）可以得到參考矢量Ur在扇區(qū)I時的區(qū)域判斷方法如表2所示。

同理可以得到其他扇區(qū)的區(qū)域判斷方法，如表3～表7所示。

1.5 合成矢量選取及其作用時間計算

在確定參考矢量Ur所在的扇區(qū)和區(qū)域后，根據(jù)最近三矢量合成原則選取最近的3個矢量作為合成矢量，定義所選擇的合成矢量為，相應(yīng)的合成矢量作用時間為，根據(jù)伏秒平衡原則有：

表2 參考矢量Ur在扇區(qū)I的區(qū)域判斷表

表3 參考矢量Ur在扇區(qū)II的區(qū)域判斷表

表4 參考矢量Ur在扇區(qū)III的區(qū)域判斷表

表5 參考矢量Ur在扇區(qū)IV的區(qū)域判斷表

表6 參考矢量Ur在扇區(qū)V的區(qū)域判斷表

表7 參考矢量Ur在扇區(qū)VI的區(qū)域判斷表

根據(jù)式（13）可以得到參考矢量Ur位于不同區(qū)域時相應(yīng)的矢量作用時間，為便于下一步應(yīng)用，所有時間變量都采用標(biāo)幺值表示，將Udc/2標(biāo)幺化為1，那么每個區(qū)域的矢量作用時間如表8所示。

1.6 矢量作用順序安排

在確定合成矢量及其作用時間后，需要對各合成矢量的作用順序進(jìn)行合理分配，為了減小輸出諧波和開關(guān)損耗，矢量作用順序的分配遵循以下原則：

1）保證各相的開關(guān)狀態(tài)只能在+1和0以及-1和0之間切換，不能出現(xiàn)在+1和-1間切換的情況。

2）不能出現(xiàn)兩相同時進(jìn)行開關(guān)動作。

3）為了防止在相鄰周期或者扇區(qū)之間切換時而導(dǎo)致多相開關(guān)同時突變，每個開關(guān)周期的首發(fā)小矢量全部采用正小矢量［9］。

根據(jù)以上原則可以得到如下頁表9所示的九段式空間矢量開關(guān)時序。

表8 合成矢量作用時間

2 仿真驗證

為驗證虛擬空間矢量控制算法的正確性，在MATLAB中建立了如圖4所示的T型三電平逆變器電驅(qū)動系統(tǒng)模型。模型硬件部分包括T型三電平逆變器、永磁同步電機，主要采用Simulink中的通用模塊搭建，詳細(xì)參數(shù)如表10所示。模型控制算法部分包括虛擬空間矢量算法、脈沖發(fā)生算法、坐標(biāo)變換算法、電流和轉(zhuǎn)速控制算法等均采用C語言編寫，并通過S函數(shù)模塊與Simulink中的硬件模塊連接。

表9 虛擬空間矢量開關(guān)時序

表10 T型三電平逆變器電驅(qū)動系統(tǒng)仿真參數(shù)

下頁圖 5（a）、圖 5（b）分別為負(fù)載 T=80 N.m 時逆變器的線電壓、相電流波形，線電壓具有5種電平，相電流為正弦波，因此，可以驗證虛擬矢量控制算法的正確性。下頁圖6（a）、圖6（b）為逆變器在不同調(diào)制比下母線電容電壓波形，可見在低調(diào)制比和高調(diào)制比情況時，上下母線電容電壓的波動都不超過1 V，因此，采用虛擬矢量控制算法時，逆變器的中點電壓波動很小，且?guī)缀醪皇苷{(diào)制比影響。

下頁圖 7（a）、圖 7（b）分別為逆變器功率因數(shù)為0.9和0.5時（調(diào)制比都為0.8）上下母線電容電壓的波形，可見母線電容電壓的波動都不超過1 V，且?guī)缀醪皇芄β室驍?shù)影響。

圖4 T型三電平逆變器電驅(qū)動系統(tǒng)模型

3 結(jié)論

針對T型三電平逆變器存在中點電壓不平衡的問題，提出采用虛擬矢量控制的方法對T型三電平逆變器進(jìn)行調(diào)制，詳細(xì)分析了虛擬矢量控制的中點電壓平衡原理及其具體實現(xiàn)過程，建立了采用虛擬矢量控制算法的T型三電平逆變器電驅(qū)動系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明，采用虛擬矢量控制算法時，逆變器的上下母線電容電壓不會因調(diào)制比和功率因數(shù)的變化而產(chǎn)生較大波動，有效地抑制了中點電壓波動。

圖5 逆變器線電壓和相電流波形

圖6 不同調(diào)制比下母線電容電壓波形

圖7 不同功率因數(shù)下母線電容電壓波形

［1］CHOI U M.New modulation strategy to balance the neutral-point voltage for three-level neutral-clamped inverter systems ［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29（1）：91-92.

［2］姚文熙，呂征宇，費萬民，等.一種新的三電平中點電位滯環(huán)控制法［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（7）：93-94.

［3］王建賾，薛暢，胡錫金，等.基于模糊控三電平逆變器中性點電壓精確調(diào)節(jié)的簡化算法［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2010，22（1）：57-58.

［4］陳鑫兵，何禮高.基于模糊控制的三電平逆變器中點電位平衡策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（10）：104-105.

［5］夏玲芳.T型三電平逆變器技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2014：4-5.

［6］劉萍，王付勝，張興，等.基于合成矢量的三電平中點平衡調(diào)制策略［J］.電力電子技術(shù)，2012，46（6）：19-21.

［7］王兆宇，艾芊.三電平逆變器空間矢量調(diào)制及中點電壓控制［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（20）：132-134.

［8］伍文俊，鐘彥儒，伍超.基于合成中矢量的三電平PWM整流器中點平衡新方法［J］. 電氣傳動，2007，37（12）：27-28.

［9］武強.二極管箝位型三電平逆變器SVPWM及中點電位平衡技術(shù)的研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.