李 寧，王 躍，蔣應(yīng)偉，王兆安

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安710049)

引言

三電平中點(diǎn)鉗位（NPC）變換器是目前最為常用的多電平變換器[1]，相比于傳統(tǒng)的兩電平變換器，三電平NPC變換器具有輸出功率大、輸出波形THD小、器件電壓應(yīng)力和系統(tǒng)EMI低等多方面的優(yōu)點(diǎn)[2]，因而被廣泛的應(yīng)用于中高壓變頻調(diào)速、有源電力濾波和電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，針對(duì)三電平NPC變換器的研究層出不窮，隨著研究的深入，直流電容電壓平衡控制問題受到了越來(lái)越多學(xué)者們的關(guān)注。三電平NPC變換器的正常工作是建立在直流側(cè)兩個(gè)電容電壓都穩(wěn)定在Udc/2的情況下的，但是實(shí)際過程中每個(gè)電容電壓是在Udc/2附近以一個(gè)較低的頻率波動(dòng)的（理想情況下為3倍基波頻率），同時(shí)，由于器件和負(fù)載的不對(duì)稱性以及控制算法的累計(jì)誤差也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工作中兩個(gè)電容電壓存在一定的不平衡性，直流電容電壓的不平衡嚴(yán)重影響了三電平變換器的性能。

許多學(xué)者對(duì)三電平NPC變換器的直流電容電壓波動(dòng)進(jìn)行了分析和研究，提出了多種直流電容電壓的平衡控制方案，這些方案總的來(lái)說可以分為兩大類，即硬件控制策略[3-5]與軟件控制策略[6-15]。硬件控制策略往往要額外增加電源或者功率器件及儲(chǔ)能器件，這將增大系統(tǒng)體積與成本，降低系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，因而應(yīng)用并不廣泛；相比之下，軟件控制策略節(jié)省了系統(tǒng)的體積與成本，同時(shí)具有很高的穩(wěn)定性，但它增加了軟件算法的復(fù)雜性。隨著高性能DSP的快速發(fā)展，復(fù)雜的控制算法變得越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)，因此，軟件平衡法也獲得越來(lái)越多的關(guān)注。

目前已知的三電平NPC變換器直流電容電壓軟件平衡控制策略有許多種，本文從兩個(gè)方面進(jìn)行分類：

（1）從直流電容電壓平衡控制策略與調(diào)制策略（PWM策略）的關(guān)系分類

①修正參考值型[8-11]

電容電壓的平衡控制策略位于調(diào)制策略之前，通過修正調(diào)制策略的給定參考值來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的平衡控制。

②修正調(diào)制策略型[12-14]

在調(diào)制策略中考慮直流電容電壓的平衡控制，得到具有平衡直流電容電壓能力的新調(diào)制 （控制）策略。

③修正輸出值型

電容電壓的平衡控制策略位于調(diào)制策略之后，通過修正調(diào)制策略的輸出開關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的平衡控制。

（2）從有無(wú)單獨(dú)控制環(huán)的角度分類

①開環(huán)控制策略（前饋控制策略）[15，16]

這類控制策略從三電平NPC變換器的控制理論出發(fā)，研究控制算法對(duì)直流電容電壓波動(dòng)的影響，根據(jù)理論分析得到的結(jié)果對(duì)原控制算法進(jìn)行改進(jìn)，從理論上實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的平衡。

②閉環(huán)控制策略[8-14]

閉環(huán)控制的基本思想是通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)時(shí)的修改控制策略中的相關(guān)變量，進(jìn)而控制直流電容電壓的平衡。

根據(jù)本文的分類，目前應(yīng)用的三電平NPC變換器直流電容電壓軟件平衡控制策略主要以修正參考值型和修正調(diào)制策略型的閉環(huán)控制策略為主，這些控制策略通常都是針對(duì)不同的調(diào)制策略提出不同的控制方法，很少有任何調(diào)制策略都適用的直流電容電壓軟件平衡控制策略。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種修正輸出值型的直流中點(diǎn)電壓平衡控制策略，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是對(duì)任何調(diào)制策略均適用，本文選取了目前最常用的兩種三電平PWM控制策略—SPWM和SVPWM，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略對(duì)兩種調(diào)制策略的適用性。

1 三電平NPC變流器的中點(diǎn)電壓波動(dòng)

圖1 三電平NPC變流器主電路拓?fù)鋱D

如圖1所示為三電平NPC變流器主電路拓?fù)鋱D，其中Udc表示直流總電壓，C1、C2為直流側(cè)電容，Sa1-Sa4、Sb1-Sb4和 Sc1-Sc4為三相功率器件，VD1-VD6為鉗位二極管，Ua，Ub，Uc為變流器側(cè)輸出相電壓，ia，ib，ic為變流器側(cè)輸出相電流，io為直流電容中點(diǎn)電流，P，O，N為相電壓輸出的三種開關(guān)狀態(tài)。

如表1所示為三電平NPC變流器輸出相電壓與該相開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過圖1和表 1 可知，當(dāng) x（x=a，b，c）相輸出開關(guān)狀態(tài) O 時(shí)，相電流ix將流入或流出直流電容中點(diǎn)，若定義變量sxo表示x相的開關(guān)狀態(tài)Sx是否為O，則有：

表1 三電平NPC變換器輸出電平與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系

直流電容中點(diǎn)電流io可以表示為：

由式（2）可知，由于三電平NPC變流器各相存在開關(guān)狀態(tài)O，因而直流電容中點(diǎn)電流io不為零，這就導(dǎo)致了直流電容電壓的波動(dòng)。

進(jìn)一步分析系統(tǒng)線電壓與三相開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到表2。

表2 三電平NPC變流器輸出線電壓與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系

表2 中1-7組存在多個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)相同線電壓的情況，針對(duì)三相三線制系統(tǒng)，存在如式（3）的關(guān)系：

根據(jù)式（2）、式（3），表 2 中第一組三個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)中點(diǎn)電流io均為0，2～7組的各個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流io如表3所示。

表3 線電壓相同的六對(duì)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流

從表2、表3可以發(fā)現(xiàn)每組線電壓相同的兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流符號(hào)相反，對(duì)中點(diǎn)電壓的影響也相反，因而可以通過合理選擇表2中2～7組的開關(guān)狀態(tài)達(dá)到平衡直流電容中點(diǎn)電壓的目的。

2 三電平NPC變流器新型中點(diǎn)電壓平衡控制策略

在上文理論分析的基礎(chǔ)上，本文提出一種新型的三電平NPC變流器中點(diǎn)電壓平衡控制策略，整個(gè)系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。系統(tǒng)中采用常用的基于瞬時(shí)功率理論的電壓電流雙閉環(huán)控制策略得到調(diào)制策略三相參考電壓usa，usb和usc，三相參考電壓信號(hào)經(jīng)過PWM調(diào)制得到三相預(yù)開關(guān)狀態(tài)Sxi（x=a,b,c），最后經(jīng)過直流中點(diǎn)電壓平衡控制環(huán)得到實(shí)際每相的開關(guān)狀態(tài)Sxo，Sxo通過表格1與x相的四個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，進(jìn)而通過每個(gè)開關(guān)器件的通斷達(dá)到控制直流中點(diǎn)電壓平衡的效果。圖2為三電平NPC并網(wǎng)變流器的控制框圖，其中ua、ub和uc為電網(wǎng)相電壓，ia、ib和 ic為入網(wǎng)電流，Ls和 Rs分別為平波電抗器感抗和電網(wǎng)等效阻抗，C1、C2為直流側(cè)電容，Udc1、Udc2為直流電容電壓，Udc為直流側(cè)總電壓，Udc*為直流側(cè)總電壓給定值，id*、iq*和 id、iq分別為d軸和q軸的給定電流與實(shí)際電流，θ為三相軟件鎖相環(huán)（PLL）的輸出結(jié)果，abc/dq和dq/abc分別表示三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)變換，PI表示比例積分控制器。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略可以應(yīng)用于任意調(diào)制策略，是一種修正調(diào)制策略輸出值的中點(diǎn)電壓平衡控制策略。

如圖3所示為本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略的實(shí)現(xiàn)流程圖，其具體步驟如下：

圖3 本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略流程圖

（1）根據(jù)調(diào)制策略的輸出開關(guān)狀態(tài)Sxi(x=a,b,c)判斷是否啟用中點(diǎn)電壓平衡控制策略，當(dāng)輸出開關(guān)狀態(tài)Sxi為表3中6組狀態(tài)中的一個(gè)時(shí)才啟用算法；

（2）根據(jù)三相電流 ix應(yīng)用公式（1）、（2）計(jì)算中點(diǎn)電流io并判斷它對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，I=1中點(diǎn)電壓降低；I=0中點(diǎn)電壓升高。

（3）根據(jù)實(shí)測(cè)Udc2與其理論值Udc/2的關(guān)系判斷中點(diǎn)電壓的偏向情況，△為中點(diǎn)電壓預(yù)設(shè)波動(dòng)范圍，U=2表示中點(diǎn)電壓偏高；U=1表示中點(diǎn)電壓正常；U=0表示中點(diǎn)電壓偏低。

（4）判斷當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)是否有利于中點(diǎn)電壓平衡，設(shè)判據(jù)為C，它與U和I的關(guān)系見圖3中的真值表。C=1表示當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)有利于中點(diǎn)電壓平衡；C=0表示當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)不利于中點(diǎn)電壓平衡。

（5）根據(jù)C值調(diào)整輸出開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)C=1時(shí)，輸出調(diào)制策略產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)Sxi，當(dāng)C=0時(shí)輸出調(diào)制策略產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)在表3中對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)Sxo。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出中點(diǎn)電壓控制策略的正確性，搭建了三電平NPC并網(wǎng)變流器仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。整個(gè)系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示，并網(wǎng)變流器直流側(cè)接負(fù)載電阻，阻值為100Ω，電網(wǎng)向三電平系統(tǒng)輸出有功電流，表4給出了仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵參數(shù)。

表4 仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)

圖4 新型中點(diǎn)電壓平衡策略仿真效果圖

如圖4所示為新型中點(diǎn)電壓平衡控制策略的仿真效果圖，仿真中對(duì)比了采用SPWM策略和SVPWM策略時(shí)系統(tǒng)直流電容電壓波動(dòng)、輸出相電壓和線電壓脈沖及入網(wǎng)電流的區(qū)別。 圖4（a）、（c）、（e）為調(diào)制策略為SPWM策略時(shí)的仿真效果，在0.4 s時(shí)應(yīng)用本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略，圖4（b）、（d）、（f） 為調(diào)制策略為 SVPWM 策略時(shí)的仿真效果，在0.4 s時(shí)應(yīng)用本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略。由圖（4）可知，當(dāng)不采用中點(diǎn)電壓平衡控制策略時(shí)，采用SPWM策略或SVPWM策略都會(huì)引起中點(diǎn)電壓的波動(dòng)，SPWM策略引起的中點(diǎn)電壓波動(dòng)較大，SVPWM策略由于存在誤差積累會(huì)引起中點(diǎn)電壓的偏移，采用本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略可以有效的抑制中點(diǎn)電壓的波動(dòng)和偏移，改善輸出波形效果。

如圖5和6所示分別為當(dāng)調(diào)制策略為SPWM策略和SVPWM策略時(shí)應(yīng)用本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略前后直流電容電壓和入網(wǎng)電流的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)調(diào)制策略為SPWM策略時(shí)，如果系統(tǒng)不加中點(diǎn)電壓平衡控制策略，直流電容電壓將在其平均值附近以3倍工頻周期波動(dòng)，當(dāng)應(yīng)用本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略后，電容電壓的波動(dòng)消失；而當(dāng)調(diào)制策略為SVPWM策略時(shí)，如果系統(tǒng)不加中點(diǎn)電容電壓平衡控制策略，兩個(gè)直流電容電壓上將出現(xiàn)近10 V的電壓偏差，該偏差的產(chǎn)生原因主要是SVPWM策略實(shí)現(xiàn)過程中計(jì)算誤差的累積，與仿真相符合，而應(yīng)用本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略后，兩個(gè)直流電容電壓的偏差消失。實(shí)驗(yàn)充分說明本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略對(duì)任意調(diào)制策略都有較好的效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前應(yīng)用最為廣泛的多電平變流器—三電平NPC變流器，對(duì)其中點(diǎn)電壓平衡控制策略進(jìn)行分類，提出了一種適合任意調(diào)制策略的中點(diǎn)電壓平衡控制策略，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)調(diào)制策略為SPWM策略和SVPWM策略時(shí)本文提出的中點(diǎn)電壓平衡控制策略的有效性。與現(xiàn)有的中點(diǎn)電壓平衡策略相比，本文提出的新型策略具有簡(jiǎn)單易行、普遍適用的優(yōu)點(diǎn)，但是由于開關(guān)狀態(tài)存在跳變，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)次數(shù)將有所增加，系統(tǒng)的開關(guān)損耗將大于常規(guī)中點(diǎn)電壓平衡控制策略，新策略的損耗受中點(diǎn)電壓波動(dòng)范圍△的影響較大，下一步研究將通過降低新策略的損耗來(lái)進(jìn)一步完善該方法。

圖5 調(diào)制策略為SPWM策略時(shí)中點(diǎn)電壓平衡控制策略效果

圖6 調(diào)制策略為SVPWM策略時(shí)中點(diǎn)電壓平衡控制策略效果

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