王建淵,　雷國惠,　鐘彥儒

(西安理工大學(xué) 電氣工程系,陜西 西安 710048)

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一種用于平衡三電平逆變器中點(diǎn)電位的滯環(huán)控制+精確控制策略研究

王建淵,雷國惠,鐘彥儒

(西安理工大學(xué) 電氣工程系,陜西 西安 710048)

摘要:中點(diǎn)電位不平衡是二極管中點(diǎn)箝位(NPC)型三電平逆變器存在的固有問題,在學(xué)術(shù)及工程實(shí)踐中受到了廣泛關(guān)注。中點(diǎn)電位平衡控制方法可以分為兩大類,硬件和軟件方法,基于硬件的控制方法主要是依靠外部電路調(diào)整,一般通過Boost和Buck等電路對電容進(jìn)行充放電來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位以達(dá)到平衡,因而增加了整個逆變器的成本。在深入分析引起中點(diǎn)電位不平衡因素的基礎(chǔ)上介紹了一種提高中點(diǎn)電位魯棒性的滯環(huán)控制+精確控制策略。該控制策略將滯環(huán)控制與精確控制方法相結(jié)合,設(shè)置一定的環(huán)寬作為兩種算法的切換條件,超出設(shè)定環(huán)寬使用滯環(huán)控制,在環(huán)寬內(nèi)使用精確控制方法。進(jìn)行了仿真和實(shí)驗驗證,結(jié)果證明該方法解決了滯環(huán)控制粗略、存在控制盲區(qū)并且控制效果受功率因數(shù)影響大的問題,同時彌補(bǔ)了精確控制中當(dāng)中點(diǎn)電壓發(fā)生偏移以后不具備將中點(diǎn)電位拉回平衡點(diǎn)的能力。有效地抑制中點(diǎn)電位波動,提高中點(diǎn)電位控制的魯棒性。

關(guān)鍵詞:中點(diǎn)電位; 不平衡; 魯棒性; 滯環(huán)控制; 精確控制

雷國惠(1989—),女,碩士研究生,研究方向為NPC背靠背三電平逆變器中點(diǎn)控制策略;

鐘彥儒(1950—),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為新型電力電子裝置,高性能電機(jī)控制策略。

0引言

NPC型三電平電壓源型逆變器(VSI)相對于傳統(tǒng)的兩電平逆變器具有對開關(guān)器件耐壓等級要求降低至一半;增加了一個輸出電平,減小了du/dt;諧波畸變更低,THD更小等顯著的優(yōu)點(diǎn)。從而在中高壓變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。NPC 型三電平逆變電路的中點(diǎn)電位平衡問題受到廣泛關(guān)注[1-7]。中點(diǎn)電位平衡控制方法可以分為兩大類,硬件和軟件方法[8]?；谟布目刂品椒ㄖ饕且揽客獠侩娐氛{(diào)整,一般通過Boost和Buck等電路對電容進(jìn)行充放電來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位以達(dá)到平衡,因而增加了整個逆變器的成本,故目前采用軟件算法居多。軟件算法實(shí)現(xiàn)目前主要有兩種思路,即基于空間矢量調(diào)制的PWM法SVPWM)和基于注入零序電壓的載波調(diào)制法。其采用比較多的是基于SVPWM法通過改變?nèi)哂嘈∈噶孔饔脮r間的滯環(huán)控制和精確控制。滯環(huán)控制通過設(shè)置一定的滯環(huán)區(qū)間,當(dāng)中點(diǎn)電位超出該區(qū)間時,根據(jù)偏移方向調(diào)整正負(fù)小矢量作用時間來進(jìn)行補(bǔ)償修正。滯環(huán)控制方式簡單實(shí)用,但控制比較粗,存在控制盲區(qū)。精確控制算法是通過對中點(diǎn)電荷量的精確計算,得出冗余小矢量的作用時間,實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)電壓平衡的控制。該算法控制精度高,但是一旦中點(diǎn)電壓發(fā)生偏移以后就不具備將中點(diǎn)電位拉回平衡點(diǎn)的能力。

為了解決上述滯環(huán)控制與精確控制算法單獨(dú)作用下所存在的不足,提出一種滯環(huán)控制+精確控制策略。該控制策略通過設(shè)置一定的環(huán)寬作為兩種算法的切換點(diǎn),超出設(shè)定環(huán)寬使用滯環(huán)控制,在環(huán)寬內(nèi)使用精確中點(diǎn)控制,解決了滯環(huán)控制粗略、存在控制盲區(qū)并且控制效果受功率因數(shù)影響大的問題又可以彌補(bǔ)精確控制中當(dāng)中點(diǎn)電壓發(fā)生偏移以后不具備將中點(diǎn)電位拉回平衡點(diǎn)的能力。更加有效的抑制中點(diǎn)電位波動,提高中點(diǎn)電位的魯棒性,具有重要的實(shí)際工程價值。

1三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡原理

以三電平NPC型逆變器為例,分析中點(diǎn)電位不平衡的原理[1]如圖1所示。

由圖1分析可知,直流母線電容電壓有如下關(guān)系式:

(1)

(2)

式中:ic1,ic2為流過電容C1,C2上的電流,Vc10,Vc20為電容電壓初始值。

圖1　中點(diǎn)電位分析圖

2傳統(tǒng)中點(diǎn)電位平衡控制方法

傳統(tǒng)的中點(diǎn)電位平衡控制方法主要有[6]滯環(huán)控制,精確控制,PWM補(bǔ)償法,這些控制方法均能達(dá)到一定的控制效果,但也均存在控制上的不足。其各種方法的性能比較如表1所示。

表1中點(diǎn)電壓控制方法對比

在上表所示的控制方式中,目前采用較多的是滯環(huán)控制和精確控制方法,下面簡要介紹這兩種控制方式的原理。

2.1　滯環(huán)控制方法

由于電壓小矢量總是成對出現(xiàn),正負(fù)小矢量對于輸出電壓的作用是相同的,而對于中點(diǎn)電壓的作用恰好是相反。在三電平逆變器調(diào)制方法中,采用平衡中點(diǎn)電壓的方案大多數(shù)都是基于對一對冗余小矢量的控制,對于中矢量是無法直接實(shí)施控制的,滯環(huán)控制就是如圖2所示對中點(diǎn)電位設(shè)置一定的滯環(huán)區(qū)間[-d,d](滯環(huán)區(qū)間的選取要平衡考慮其對中點(diǎn)電位波動的影響和對開關(guān)頻率的影響),當(dāng)中點(diǎn)電位超出該區(qū)間時,根據(jù)偏移方向通過調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時間來平衡中點(diǎn)電位。

圖2　滯環(huán)控制原理圖

采用中點(diǎn)電壓反饋控制。通過調(diào)整P型和N型小矢量開關(guān)狀態(tài)的時間,控制中點(diǎn)電壓Vnp

Ta=TaP+TaN。

(3)

(4)

式中:Ta為小矢量作用時間;TaP為正小矢量作用時間;TaN為負(fù)小矢量作用時間;k為調(diào)節(jié)因子。

例如參考矢量位于扇區(qū)Ⅰ的A區(qū)域,如果首發(fā)矢量是正小矢量則輸出矢量的次序為POO-OOO-OON-ONN-OON-OOO-POO,則具體三相輸出時序圖如圖3所示。

圖3　扇區(qū)ⅠA區(qū)域輸出電壓矢量時序圖

Fig. 3The timing diagram of output voltage

vectors in sector Ⅰtriangle A

加入調(diào)節(jié)時間因子k,根據(jù)檢測到的直流側(cè)電容電壓Vc1和Vc2來及時的調(diào)整時間因子k,可以使中點(diǎn)電壓偏移減小,為了防止電壓幅值跳變設(shè)定調(diào)節(jié)因子范圍0.25≤k≤0.75。

滯環(huán)控制是最簡單也是最實(shí)用的中點(diǎn)電壓閉環(huán)控制策略。使用這種方法只需要檢測直流母線電壓和直流側(cè)單電容上的電壓,當(dāng)兩電容壓差超出環(huán)寬[-d,d]時,則使中點(diǎn)電壓趨于平衡位置的小矢量將會被選擇作用,算法簡單易行。滯環(huán)控制是一種近似的定性的調(diào)節(jié)方案,并且實(shí)際控制效果與功率因數(shù)關(guān)系密切,在功率因數(shù)越低的情況下,中點(diǎn)控制的效果越不理想。由于此控制方式存在控制盲區(qū),因此仍然會存在一定的中點(diǎn)電壓波動。

2.2　精確控制方法

中點(diǎn)電壓的精確控制是通過對中點(diǎn)電荷量的精確計算,得出冗余小矢量的作用時間,實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓平衡的控制。中點(diǎn)電壓精確控制算法的思路就是注入或者抽出適當(dāng)?shù)闹悬c(diǎn)電荷,使得中點(diǎn)電壓在一個控制周期Ts內(nèi)盡量向平衡點(diǎn)靠攏。設(shè)直流側(cè)電容電壓的偏差為:

Voffset=Vc1-Vc2。

(5)

這時流進(jìn)中點(diǎn)的電荷量應(yīng)為:

(6)

式中;Cdc為直流側(cè)電容容值;Vc1,Vc2分別為上,下直流直流母線電容上的電壓。

在傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制策略下的空間電壓矢量分布圖如圖4所示,當(dāng)參考電壓矢量Vref位于三角形區(qū)域A或B時計算冗余矢量作用時間需要考慮瞬時中點(diǎn)電流的極性,為了簡化控制算法,兩對冗余小矢量的作用時間調(diào)節(jié)因子k選取原則為:

圖4　扇區(qū)I中的矢量及時間分配圖

1)假設(shè)2個P型小矢量作用時流進(jìn)中點(diǎn)電流的極性相同,則:

tpa=k×ta,

tna=(1-k)×ta,

tpb=k×tb,

tnb=(1-k)×tb。

(7)

2)如果2個P型小矢量作用時流進(jìn)中點(diǎn)電流的極性相反,則:

tpa=k×ta,

tna=(1-k)×ta,

tpb=(1-k)×tb,

tnb=k×tb。

(8)

其中tpa、tpb和tna、tnb分別為兩對冗余小矢量中正、負(fù)小矢量的作用時間。根據(jù)對中點(diǎn)電流數(shù)學(xué)建模分析可列出下表2。

表2冗余小矢量作用流入中點(diǎn)的電流

Table 2Current feed to neutral-point when

redundancy little vectors operating

矢量作用時間流入中點(diǎn)的電流POOk×ta-iaONN(1-k)×taiaPPOk×tbicOON(1-k)×tb-ic

則在一個控制周期里流入中點(diǎn)的平均中點(diǎn)電荷為:

QNP=k×ta(-ia)+(1-k)×taia+k×tbic+(1-k)×tb(-ic)。

(8)

令QNP=QNPO,可以推得下式:

(9)

其他條件不變,如果兩個P型小矢量作用時流進(jìn)中點(diǎn)電流的極性相反,同理可得

QNP=k×ta(-ia)+(1-k)×taia+(1-k)×tbic+k×tb(-ic)。

(10)

令QNP=QNPO,可以推得下式:

(11)

當(dāng)參考電壓矢量Vref位于其他區(qū)域時,通過同樣的方法可求得調(diào)節(jié)因子k的計算公式,在此就不再贅述。

實(shí)際上,如果能夠保證每一個采樣周期內(nèi)流入中點(diǎn)的總電荷量為零,即流進(jìn)或流出中點(diǎn)的電流與作用時間的乘積為零。就必然可以實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的精確控制,但是由于外在原因:1)電容的制造工藝不可能完全一致,導(dǎo)致上下直流母線上存在偏差,導(dǎo)致中點(diǎn)電位的偏移,一旦中點(diǎn)電位發(fā)生偏移以后精確控制不具備將中點(diǎn)電位拉回平衡點(diǎn)的能力,這是最主要原因。2)采樣的延遲以及準(zhǔn)確性,使得到的k值都滯后。因此,精確控制算法不但計算量大,而且在實(shí)際工程應(yīng)用中得不到良好的體現(xiàn)。

3滯環(huán)控制+精確控制的綜合控制策略

通過上節(jié)對2種中點(diǎn)電位控制方法的分析可以知道滯環(huán)控制粗,其魯棒性強(qiáng)于精確中點(diǎn)控制方法,而精確中點(diǎn)控制精度高,一旦中點(diǎn)電壓發(fā)生偏移以后就不具備將中點(diǎn)拉回平衡點(diǎn)的能力?；诖颂岢鲆环N滯環(huán)控制+精確控制策略,如圖5所示。

圖5　滯環(huán)+精確控制策略

圖中[-d,d]為滯環(huán)控制的環(huán)寬,h為滯環(huán)控制與精確控制的切換點(diǎn),h與d值關(guān)系如圖6所示。

圖6　滯環(huán)控制環(huán)寬d與切換點(diǎn)h

Fig. 6Ring widthdof hysteresis-band control

and switching pointh

由圖可知,h取值不同有如下3種工況:

1)當(dāng)h=0時,滯環(huán)控制+精確控制就等于是滯環(huán)控制單獨(dú)作用。

2)當(dāng)h=d或h>d時滯環(huán)控制+精確控制就等于是精確控制單獨(dú)作用。

3)當(dāng)hh)使用滯環(huán)控制方法。(注:ΔVdc=Vdc1-Vdc2)

滯環(huán)控制和精確控制方法的原理在上節(jié)已經(jīng)做了詳細(xì)的闡述,所以滯環(huán)控制+精確控制的綜合控制策略的關(guān)鍵點(diǎn)在于h值和d值的選取。下面討論h值和d值選取需要綜合考慮的因素。

1)調(diào)制度M的影響:M的大小會影響中點(diǎn)電位平衡性,進(jìn)一步影響h值和d值的選取。

2)中點(diǎn)電位的波動幅度:中點(diǎn)電位波動幅度太大,可適當(dāng)減小h值和d值來抑制波動。

3)功率因數(shù):功率因數(shù)比較小時,中點(diǎn)電位波動幅度變大,需要適當(dāng)減小d值和h值。

4)開關(guān)損耗:開關(guān)損耗太大需要適當(dāng)增大h值和d值,來減小加入中點(diǎn)平衡算法增加的開關(guān)次數(shù)以減小開關(guān)損耗。

5)控制器的處理速度影響:h的取值會受控制器的處理速度影響,h值太小,控制器處理速度如不能滿足需求會導(dǎo)致計算的延遲和誤差。不能起到較好的控制效果。

因此針對不同的工況,負(fù)載,功率等級,可以通過設(shè)定功能碼,根據(jù)不同的工況選取不同的h值和d值來平衡中點(diǎn)電位。實(shí)驗表明一般取5≤d<10,2≤h≤5時中點(diǎn)控制效果比較理想。

4仿真分析與實(shí)驗驗證

4.1　仿真研究

按照上述所講述的方法進(jìn)行設(shè)計,應(yīng)用Matlab軟件在SIMULINK編寫程序,并進(jìn)行仿真。

仿真參數(shù)如下:

比較兩組的產(chǎn)后出血率、剖宮產(chǎn)率、巨大兒率、早產(chǎn)兒率以及低出生體重兒率。采用我院自行編制的護(hù)理質(zhì)量滿意調(diào)查表對患者的護(hù)理滿意度進(jìn)行評估，其內(nèi)容主要包括以下五項：服務(wù)及時性（30 分）、服務(wù)態(tài)度（30 分）、管理規(guī)范性（15 分）、住院環(huán)境（15 分）以及護(hù)理人員的綜合素質(zhì)（10 分），總計共100分，評分值越高說明患者的臨床分娩護(hù)理滿意度越高。

輸入線電壓380 V,直流側(cè)母線電壓為538V,母線電容為兩個700 V/470 μF的電容串聯(lián),負(fù)載為三相感應(yīng)電機(jī),電機(jī)參數(shù)為:Pn=0.75 kW、Un=380 V、P=2、Rs=8.84 Ω、Rr=5.91 Ω、Ls=Lr=28.5 mH、Lm=164.2 mH,載波頻率fc=2 kHz,輸出頻率fo=50 Hz,調(diào)制度M=1。(注:中點(diǎn)電位波動最大時)

由圖7加入中點(diǎn)控制前后仿真波形對比可見,加入中點(diǎn)電位控制算法后中點(diǎn)電位不平衡明顯有所改善。滯環(huán)控制算法獨(dú)立作用時其魯棒性比較好,但是波動范圍比較大,控制比較粗。精確控制算法單獨(dú)作用時,波動范圍比較小,精度比較高,但是一旦中點(diǎn)電位偏移后不具備將電壓拉回平衡點(diǎn)的能力。而滯環(huán)控制+精確控制沿襲了滯環(huán)控制較好的魯棒性又傳承了精確控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。中點(diǎn)電位的偏差可以很好的控制在±2V左右。

圖7　加入中點(diǎn)控制前后仿真波形

4.2　實(shí)驗結(jié)果

實(shí)驗室內(nèi)搭建了NPC三電平逆變器原型機(jī),實(shí)驗系統(tǒng)如圖8所示,控制對象為750W三相異步電機(jī),控制器采用的是TI公司的TMS28335數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP),功率器件為Vincotech公司型號為FZ06NIA050SA的IGBT模塊 控制方式為V/F,系統(tǒng)載波頻率為fc=2kHz,輸出頻率fo=50 Hz,調(diào)制度M=1時,異步電機(jī)的參數(shù)與仿真時異步電機(jī)的參數(shù)。

圖9為加入中點(diǎn)控制前后的實(shí)驗波形,從實(shí)驗波形可以看出,滯環(huán)控制+精確控制既有效的解決了滯環(huán)控制精度粗的問題較滯環(huán)控制單獨(dú)作用下具有更小的波動,又解決了中點(diǎn)控制算電位偏移后不具備將中點(diǎn)電位拉回平衡點(diǎn)的能力,具有更優(yōu)越的控制效果,提高了中點(diǎn)電位的魯棒性。

圖8　NPC型三電平逆變器實(shí)驗平臺系統(tǒng)

Fig. 8NPC three-level inverter experimental

platform system

圖9　加入算法前后實(shí)驗波形

5結(jié)論

1)分析了三電平中點(diǎn)電位不平衡基理,提出一種滯環(huán)控制+精確控制的綜合控制策略。

2)所采用的策略能使中點(diǎn)電位能得到很好的控制,魯棒性強(qiáng)。

3)將滯環(huán)控制與精確控制較好的整合在一個算法中,通過功能碼設(shè)定h值滿足不同工況需求。

4)為驗證本文分析方法的正確性,進(jìn)行了樣機(jī)試驗,實(shí)驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

參 考 文 獻(xiàn):

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(編輯：張詩閣)

Research on one hysteresis control+precise control strategy of three-level inverter for neutral-point potential balance

WANG Jian-yuan,LEI Guo-hui,ZHONG Yan-ru

(Department of Electrical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Abstract:The unbalance of neutral-point potential is an inherent problem of three-level neutral point clamped (NPC) inverter, it is paid wide range attention in academic research and engineering practice. This NPC method is divided into two types: hardware and software method. The hardware method mainly depends on external circuit to adjust, in with Boost and Buck circuit are used to control the capacitor charge and discharge and implement the balance of neutral point voltage. This method increases the cost of whole inverter. The factors were analyzed which cause the unbalance of neutral-point voltage, and one hysteresis and precise control strategy of improving the robustness of neutral-point voltage was introduced. This control strategy combines hysteresis control with precise control,and a certain band width is set as the two different control methods switching condition. If the neutral-point voltage exceeds the band width, the hysteresis control strategy was employed,and the precise control strategy was employed vice verse. The method was validated through simulation and experiment. The results of simulation and experiment show that the method solve the hysteresis control problem of rough control, existing blind area and influencing by power factor, at the same time, make up for the ability which balance the neutral point when the neutral voltage is one-sided during adopting the precise control. This method is effective to control fluctuation and deviation of neutral point voltage and improve robustness of neutral point control.

Keywords:neutral-point voltage;unbalance; robustness; hysteresis control; precise control

通訊作者:王建淵

作者簡介：王建淵(1973—),男,博士,講師,研究方向為新型電力電子裝置與三電平逆變器控制;

基金項目：陜西省協(xié)同創(chuàng)新基金(105-221421)

收稿日期:2013-06-06

中圖分類號:TM 921

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1007-449X(2015)07-0066-07

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.010