沈石秀，向超群，張璐琳，李卓鑫，成庶

三電平地鐵車輛能饋逆變器控制方法研究

沈石秀，向超群，張璐琳，李卓鑫，成庶

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

地鐵車輛制動能量巨大，可以利用三電平逆變器使其回饋至電網(wǎng)以重新利用。但三電平逆變器卻一直存在中點(diǎn)電位不平衡的問題，為了解決這一問題，提出一種新的改進(jìn)型算法，可以很好地改善中點(diǎn)電位不平衡。在分析傳統(tǒng)VSVPWM算法的基礎(chǔ)上，引入了反饋量中點(diǎn)不平衡因子，并提出在同一小扇區(qū)可以使用不同的小矢量分別進(jìn)行調(diào)節(jié)的理論。對提出的理論進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明，使用改進(jìn)型算法可以更好地實現(xiàn)對中點(diǎn)電位的控制。

三電平逆變器；中點(diǎn)電位控制；虛擬電壓空間矢量調(diào)制

地鐵車輛設(shè)站間距小，行車密度高，起制動頻繁，當(dāng)車輛再生制動時，產(chǎn)生的電能可高達(dá)牽引電能的40%，這部分能量通過牽引變流器向接觸網(wǎng)回饋能量[1?2]。大部分再生制動能量被相鄰車輛吸收，但是仍有20%以上的能量無法回收，這部分能量將導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓升高，傳統(tǒng)方法采用電阻消耗多余的能量，不符合環(huán)保要求而且存在安全隱患[3]。隨著大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，逆變回饋型再生制動裝置發(fā)展迅速[4]。與二電平相比，三電平每個開關(guān)器件只需承受一半的母線電壓，輸出電平數(shù)更多，可以獲得更好的輸出特性，因此被廣泛應(yīng)用于中高壓大功率領(lǐng)域。但是，由于器件參數(shù)不能完全一致，導(dǎo)致支撐電容中點(diǎn)電位出現(xiàn)偏移。中點(diǎn)電位平衡控制的方法主要有2類，一類是增加額外的硬件設(shè)備，比如獨(dú)立電源。一類是改變調(diào)制方法，這種方法只需改變軟件算法，節(jié)省成本，優(yōu)勢明顯。三電平的調(diào)制方法可以歸納為載波脈寬調(diào)制(carrier-base PWM,CBPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation, SVPWM)。這2種調(diào)制方法中點(diǎn)電位都存在3倍輸出頻率的波動。為了克服這一缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者做了諸多研究。針對CBPWM調(diào)制方法，Pou等[5]提出一種基于載波調(diào)制的三電平NPC變流器的零序電壓注入方法。不需要增加其他的控制就可以保持中點(diǎn)電位平衡，減小開關(guān)頻率，但是在低調(diào)制度時，無法完全消除波動。此外，基于載波的PWM策略不能在全調(diào)制度范圍內(nèi)實現(xiàn)中點(diǎn)電位波動控制。Maheshwri等[6?7]提出一種基于雙載波的PWM策略，即利用中點(diǎn)電流和2個電容電壓的差值來產(chǎn)生偏移，使電容器保持平衡。然而，比例積分控制器高度依賴于參數(shù)的設(shè)定。想要得到精確的比例增益時，同樣需要電容器的精確值。但是，電容值會隨著使用時間的增加而改變，從而導(dǎo)致比例增益的不精確。針對SVPWM調(diào)制方法，JIAO等[8]中提出一種減小中點(diǎn)電壓波動和開關(guān)損耗的方法。利用滯環(huán)平衡方案切換小矢量的狀態(tài)，消除了中點(diǎn)電位波動。通過選擇合適的小矢量狀態(tài)切換順序，可以減小開關(guān)損耗。然而在中點(diǎn)電位不平衡時成對的小矢量不相等，小三角形區(qū)域需要重新分區(qū)，因此會使計算結(jié)果不準(zhǔn)確。陳仲等[9]通過改變流入中點(diǎn)的電量調(diào)節(jié)電容電壓平衡，但是在計算電量時沒有考慮電流的初始相位角以及負(fù)載電流方向。Busquets-Monge等[10]提出一種虛擬的電壓空間矢量(VSVPWM)，在全調(diào)制度和功率因數(shù)下都能有效消除中點(diǎn)電壓波動。Choudhury等[11?12]利用冗余電壓矢量合成了新的虛擬矢量。即使在負(fù)載和速度突變時，新的電壓矢量也能保持中點(diǎn)平衡。但是，在平衡的過程中需要不斷計算劃分小扇區(qū)和占空比。HU等[13]提出一種改進(jìn)的虛擬空間矢量調(diào)制方法。新的虛擬中矢量在每一個小區(qū)域都包含了2對成對小矢量。依據(jù)中點(diǎn)充放電和脈沖序列最優(yōu)的原則，選擇不同的成對小矢量，取得了中點(diǎn)電壓平衡、減小開關(guān)頻率和抑制共模電壓的效果。但是該方法也沒有考慮中點(diǎn)電壓不平衡時，成對矢量大小不等。楊利強(qiáng)[14]通過改變小矢量的占空比，達(dá)到調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位的目的，但是沒有考慮中矢量和小矢量對中點(diǎn)電位的影響，不能精確控制中點(diǎn)電位。本文提出一種具有閉環(huán)反饋功能的中點(diǎn)電位平衡控制方法。在VSVPWM算法的基礎(chǔ)上，考慮偏移后的矢量大小，引入中點(diǎn)不平衡因子作為反饋量，根據(jù)不平衡度分配小矢量作用時間，重新計算劃分扇區(qū)，保證精確合成參考矢量。

1 地鐵能量回饋裝置

地鐵能量回饋裝置框圖如圖1所示。

圖1 地鐵能量回饋裝置

當(dāng)?shù)罔F車輛制動產(chǎn)生的能量不能被相鄰車輛所吸收時，直流接觸網(wǎng)電壓升高，當(dāng)超過設(shè)定值1 500 V時，地鐵能量回饋裝置開始啟用，線路接通預(yù)充接觸器ZK-KM2，電流經(jīng)過預(yù)充電阻ZK-R1和充放電電阻ZK-R2對電容進(jìn)行充電，充電完畢后，接觸器ZK-KM2斷開，ZK-KM1閉合，三電平逆變器投入運(yùn)行，將未吸收的能量通過地鐵能量回饋裝置回饋至電網(wǎng)；當(dāng)接觸網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，需將充放電電容中儲存的能量釋放出去，此時電路接通放電接觸器ZK-KM3和線路接觸器ZK-KM1，電流經(jīng)過充放電電阻ZK-R2將電容中儲存的能量釋放出去，此時電網(wǎng)的能量通過整流器傳送至牽引電網(wǎng)供地鐵車輛使用。

這種逆變回饋型的地鐵再生制動能量處理方式，較之儲能型和電阻吸收型的處理方式，不用增加儲能元件和吸收電阻，直接反饋回電網(wǎng)，不僅能夠節(jié)約資源，還可以提高利用率[15]。

2 VSVPWM原理介紹

圖1后側(cè)部分為三電平中點(diǎn)鉗位(Neutral Point Clamped，NPC)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。三電平逆變器每相有4個功率管，分別為S1，S2，S3和S4。當(dāng)S1和S2導(dǎo)通時，a相與電源正極相連，輸出電平為1；S2和S3導(dǎo)通時，a相被二極管鉗位至中點(diǎn)電壓，輸出電平為0；S3和S4導(dǎo)通時，a相與電源負(fù)極相連，輸出電平為-1。開關(guān)狀態(tài)與輸出電平、電壓之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)與輸出電平關(guān)系

2.1 傳統(tǒng)VSVPWM

在一個控制周期內(nèi)，如果保持1N,1P作用時間相等，在1個周期內(nèi)流過的電流為a+(?a)=0，因此，可以構(gòu)造出虛擬小矢量。

同理，可以構(gòu)造出虛擬中矢量。

若以扇區(qū)A為例，大扇區(qū)A被劃分為5個小扇區(qū)(A1~A5)，如圖2所示。0為0矢量，1N，1P，4N和4P均為小矢量，2為中矢量，3和5為大矢量。1N，1P，4N，4P和2對應(yīng)的中點(diǎn)電流分別為a，?a，?c，c和b。

圖2 傳統(tǒng)VSVPWM

當(dāng)參考電壓矢量ref位于A3扇區(qū)時，由最近三矢量原則可知，

參考電壓矢量ref可以保持在1個周期內(nèi)中點(diǎn)電流為0。然而，當(dāng)擾動出現(xiàn)導(dǎo)致中點(diǎn)電壓波動時，由于沒有引入中點(diǎn)電壓反饋進(jìn)行控制，系統(tǒng)自然恢復(fù)平衡的速度十分緩慢。圖3為VSVPWM控制方法在不同負(fù)載條件下的自然恢復(fù)過程。引入干擾后，中點(diǎn)電壓不平衡，成對的小矢量大小不相等，在1個周期內(nèi)流過中點(diǎn)的電流不為0，中點(diǎn)電壓不能維持初始設(shè)置電壓，將向平衡方向發(fā)展。但是由于成對小矢量相互抵消的作用，使得有利于中點(diǎn)平衡的電流減小，因此恢復(fù)平衡的過程十分緩慢，而且，從仿真結(jié)果可以看出，隨著負(fù)載電感值的增大，電流變化減小，恢復(fù)平衡的時間也隨之增大。

圖3 VSVPWM自然恢復(fù)過程

因此，傳統(tǒng)VSVPWM在全調(diào)制度和全功率因數(shù)范圍內(nèi)可以維持中點(diǎn)電壓平衡，但是存在輸出電壓諧波增加和抗干擾能力差的特點(diǎn)。

3 基于不平衡度的VSVPWM

和傳統(tǒng)VSVPWM一樣引入虛擬中矢量

此時再引入不平衡因子：

式中：C2是支撐電容C2上的電壓；DC是直流側(cè)母線電壓。當(dāng)小于硬件允許偏差值，即中點(diǎn)電壓在允許的范圍之內(nèi)波動時，采用VSVPWM；當(dāng)超出該范圍，引入時間調(diào)節(jié)因子，=()。

以A扇區(qū)為例，假設(shè)中點(diǎn)電壓偏移后合成ref需要增加1N作用時間，則可以表達(dá)為：

(7)

圖4 偏移對扇區(qū)的影響

表2 偏移后小矢量的坐標(biāo)

根據(jù)偏移后的虛擬小矢量的坐標(biāo)，可計算出包圍各個小扇區(qū)的線段所在的直線表達(dá)式。由此可得ref若在A11小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：(其中，式(8)~(14)中的為ref在A扇區(qū)內(nèi)與大矢量3所在直線的夾角。)

ref若在A12小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A21小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

(a) A11，A21和A3扇區(qū)劃分；(b) A12，A22和A5扇區(qū)劃分

ref若在A22小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A3小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A4小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A5小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

在改進(jìn)型算法進(jìn)行扇區(qū)重新劃分后，可根據(jù)小扇區(qū)所在區(qū)域選擇增加或者減小小矢量的作用時間，以此保證合成電壓矢量的準(zhǔn)確性。

4 仿真實驗討論

由于試驗條件限制，無法進(jìn)行大功率牽引電機(jī)現(xiàn)場試驗，為了對新方法進(jìn)行驗證，進(jìn)行了仿真實驗。在仿真實驗中，采用3種不同實現(xiàn)方法的對比試驗，電路的所有參數(shù)均保持一致，具體參數(shù)見 表3。

表3 仿真實驗參數(shù)

其中，RL負(fù)載電路代替地鐵能量回饋裝置并網(wǎng)部分，為了突出顯示不同算法對出現(xiàn)中點(diǎn)偏移的處理能力，特在=0.2 s時加入擾動，使支撐電容C2放電，在=0.4 s時撤去這一擾動。通過對比不同調(diào)制算法下負(fù)載部分的線電壓、相電流和電容電壓來探究SVPWM算法、VSVPWM算法和本文所提出的改進(jìn)型VSVPWM算法對這一擾動的處理能力，以此突出改進(jìn)型VSVPWM的優(yōu)勢。

具體的波形及其相關(guān)數(shù)據(jù)如圖6~14。圖6~8是在SVPWM算法、VSVPWM算法和改進(jìn)型算法下支撐電容的電壓C1和C2。沒有外界干擾時，電容電壓約等于750 V。在=0.2 s加入擾動后，SVPWM算法和VSVPWM算法下的電容電壓均呈現(xiàn)發(fā)散趨勢，不能穩(wěn)定在750 V左右。而在改進(jìn)型算法下的兩電容電壓卻可以很好地穩(wěn)定在750 V附近。=0.4 s撤去擾動，3種算法下的電容電壓都將向中點(diǎn)電位恢復(fù)，將=0.42 s時的仿真數(shù)據(jù)記錄在表4中(其中Δ=C1?750 V)。從表中數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，VSVPWM算法的恢復(fù)速度最慢，需要較長時間才能恢復(fù)至擾動前的狀態(tài)；其次是SVPWM算法，大約0.11 s能恢復(fù)至擾動前的狀態(tài)；恢復(fù)速度最快的為本文提出的改進(jìn)型VSVPWM算法，在擾動撤去的極短時間內(nèi)就恢復(fù)至了擾動前的狀態(tài)。

圖6 SVPWM下的電容電壓

圖7 VSVPWM下的電容電壓

圖8 改進(jìn)型算法下的電容電壓

表4 t=0.42 s時的電容電壓值

出現(xiàn)這種情況是由于SVPWM算法和VSVPWM算法均沒有引入中點(diǎn)電壓反饋。在= 0.2 s擾動出現(xiàn)時，電容C2會對其并聯(lián)的電阻進(jìn)行放電，致使中點(diǎn)電位出現(xiàn)波動，C2減小，C1增大。在=0.4 s撤去擾動后，由于使用的是RL負(fù)載，系統(tǒng)會緩慢地自然恢復(fù)平衡。然而不同算法的恢復(fù)速度又有很大的差異，在改進(jìn)型算法中由于引入了不平衡度因子，可以實時反饋中點(diǎn)電壓偏移程度，當(dāng)擾動出現(xiàn)時，通過改變相應(yīng)小矢量作用時間，維持中點(diǎn)電壓平衡。

圖9~11分別是SVPWM算法、VSVPWM算法和改進(jìn)型算法的線電壓ab，圖中虛線為750 V刻度線。從圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，在加入擾動后，線電壓不能穩(wěn)定在750 V，出現(xiàn)了很大的偏差，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與前面電容電壓發(fā)散的原因一致，2個支撐電容上的電壓不等。中點(diǎn)電位不平衡導(dǎo)致每相橋臂上的開關(guān)器件要承受額外的電壓應(yīng)力，對器件的壽命十分不利，同時對其性能提出了更高的要求。在0.4 s撤去擾動后，線電壓才緩慢恢復(fù)至750 V附近。在圖11中可以看到，改進(jìn)型算法的線電壓十分穩(wěn)定，沒有偏差。

圖9 SVPWM下的線電壓

圖10 VSVPWM下的線電壓

圖11 改進(jìn)型算法下的線電壓

圖12 SVPWM下的相電流

圖12~14是在SVPWM算法、VSVPWM算法和改進(jìn)型算法下的相電流a。從實驗結(jié)果的對比中可以發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的SVPWM算法和VSVPWM算法下的電流脈動相對較大，主要原因是阻感負(fù)載可以減小電流脈動，使之更加平緩。

圖13 VSVPWM下的相電流

圖14 改進(jìn)型算法下的相電流

5 結(jié)論

1) 對傳統(tǒng)VSVPWM原理進(jìn)行介紹與分析，傳統(tǒng)方法存在抗干擾能力差的缺點(diǎn)，當(dāng)擾動出現(xiàn)時恢復(fù)速度緩慢，不適合地鐵能量回饋裝置。

2) 為了克服傳統(tǒng)SVPWM算法中點(diǎn)不平衡的缺陷，本文提出一種引入不平衡因子的VSVPWM方法，在全調(diào)制度全功率因數(shù)范圍內(nèi)能夠維持中點(diǎn)電位平衡，并且具有很強(qiáng)的魯棒性。

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Neutral point balance control of energy feedback inverter for metro vehicle

SHEN Shixiu, XIANG Chaoqun, ZHANG Lulin, LI Zhuoxin, CHENG Shu

(School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The braking energy of metro vehicles is huge. Three-level inverters can be used to feed them back to the power grid for reuse. However, the neutral-point potential imbalance has always existed in three-level inverters. To solve this problem, a new algorithm was proposed, which can improve the neutral-point potential imbalance very well. Based on the analysis of the traditional VSVPWM algorithm, the feedback-neutral unbalance factor was introduced, and the theory that different small vectors can be used to adjust in the same small sector is proposed. The simulation results show that the improved algorithm can better control the neutral point potential.

three-level inverter; neutral potential control; virtual space vector pulse width modulation

TM464

A

1672 ? 7029(2019)11? 2843 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.025

2019?02?18

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2017YFB1200801-12，2017YFB1200902-11)

成庶(1981?)，男，湖南長沙人，副教授，博士，從事電力牽引及傳動控制研究；E?mail：6409020@qq.com

(編輯 陽麗霞)