三電平逆變器控制策略的改進

三電平逆變器控制策略的改進

1電平變壓器控制方法1981年，日本長岡大學(xué)教授acir鈉應(yīng)用提出了三種基于平壓的指控結(jié)構(gòu)。三平壓結(jié)構(gòu)在高壓（中壓）電機的傳輸、facs、電網(wǎng)質(zhì)量管理、電網(wǎng)無功率補償和吸收等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)相比,三電平結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點:(1)每個功率管上只承受一半的直流側(cè)電壓;(2)在相同的開關(guān)頻率下,輸出波形的諧波分量將大幅度降低;(3)在每個功率管導(dǎo)通和關(guān)斷過程中,功率管只承擔(dān)一半的直流側(cè)電壓,因此器件開關(guān)損耗降低。三電平逆變器的控制方法也是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。目前已經(jīng)提出了多種可用于三電平逆變器的控制方法,基本可分為基于載波的正弦調(diào)制法和電壓空間矢量調(diào)制法(SVM)。其中,SVM控制由于具有直流電壓利用率高(文獻指出調(diào)制度從78.5%增大到90.7%,采取過調(diào)制補償措施以后,調(diào)制度可以達到100%)、電壓諧波因素降低等優(yōu)點,已經(jīng)成為三電平逆變器控制策略研究的熱點。文獻提出了將輸出電壓的調(diào)制度擴展到過調(diào)制區(qū)的補償控制方法。文獻提出了帶有中點電位偏移治理的非連續(xù)SVM控制方法,這種方法對于降低功率管的損耗有比較顯著的效果。文獻提出了三電平逆變器的隨機電壓空間矢量開關(guān)控制策略,通過試驗和仿真研究表明,這種SVM控制方法對于降低三電平傳動系統(tǒng)的隨機噪聲具有明顯的效果。文獻提出了一種徑向狀態(tài)空間矢量調(diào)制方法,這種方法可以有效地消除來自直流側(cè)的低頻諧波電流。但是,相對于基于載波的PWM控制方法,SVM在計算用于合成目標矢量的各個分矢量對應(yīng)作用時間時,所需計算量將加大,要求采用運算速度更快的控制器。而且難以將反饋控制策略用于穩(wěn)態(tài)空間矢量的合成中,以及將由于逆變器直流側(cè)電壓和中點電壓偏移的影響考慮到矢量的合成時間計算中。本文針對該缺陷,提出一種在控制過程中及時修正電壓矢量圖和相應(yīng)作用時間的控制方法。2svm控制矢量的獲取圖1是中點電壓鉗位三電平逆變器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖,圖2a是對應(yīng)的空間矢量圖,圖2b是空間A區(qū)域內(nèi)的矢量圖分區(qū)和合成關(guān)系。從圖1可以看出每相有四個功率管,當S1和S2導(dǎo)通時,對應(yīng)于電平UDC,記做2;當S2和S3導(dǎo)通時,對應(yīng)于電平UDC/2,記做1;當S3和S4導(dǎo)通時,對應(yīng)于電平0,記做0。通過把三相電壓值表達式代入到空間電壓矢量的計算公式式(1)中,可以獲得SVM控制時的矢量如圖2a所示。由于每相電壓有三種可能的輸出方式(每組以一個有序數(shù)組表示,例如、等),因此在矢量圖中有33個矢量。將其分為四組,如下所示。通過對三電平逆變器的電路拓撲進行分析,可知:負小矢量將對C1的電壓有影響;正小矢量將對C2的電壓有影響;中矢量對電容電壓的影響比較復(fù)雜;大矢量將不會對中點電壓產(chǎn)生影響。電壓空間矢量調(diào)制的原理就是用相鄰矢量來合成所需的目標矢量。對于三相平衡系統(tǒng)而言,目標矢量按照以下規(guī)則獲得2.1目標矢量的歸一化在電壓空間矢量控制中,首先確定用于合成目標矢量的空間矢量。從圖2a可以看出,區(qū)域A～F是彼此對稱的,可以根據(jù)目標矢量的方向角來確定目標矢量位于哪一區(qū)。再把每一區(qū)分成4個小區(qū),分別記為A1～F4。下面以目標矢量位于A區(qū)來說明矢量選擇方法。根據(jù)前面的矢量處理方法,經(jīng)過歸一化處理以后,可以將目標矢量的軌跡限于邊長為2的正六邊形中。考慮到A區(qū)域內(nèi)的三角形都為等邊三角形,因此很容易得到四個三角形的重心(X,Y)分別取值為。顯而易見,當目標矢量位于某一三角形內(nèi)時,該矢量的終點坐標將與該三角形的重心距離最小,因此可以定義矢量與三角形的相關(guān)度函數(shù)f(x,y)為其中,K表示三角形重心矢量模的平方。對于四個三角形分別為。因此,當某一個三角形的重心特定為(X,Y)時,若f(x,y)取得最小,就可以認為該目標矢量位于這一三角形內(nèi)。這樣就避免了為獲得分區(qū)信息而進行的復(fù)雜的三角函數(shù)運算。完成矢量分區(qū)以后,就可以按照相鄰三矢量原則來確定每個矢量的作用時間。以目標矢量位于第2區(qū)為例,為了簡化分析,對兩個重合的正負矢量只選擇一個分析。2.2兩個重合的矢量的簡化分析確定目標矢量位于哪一區(qū)后,就可以用形成該區(qū)的三個矢量來合成目標矢量。以目標矢量V*位于第A區(qū)域的第4小區(qū)為例,為了簡化分析,對兩個重合的矢量只選擇一個進行分析(不妨選擇V1、V4、V6)。分區(qū)時間的確定方法就是求解如下方程需要注意的是,由于正負小矢量對負載而言是等效的,但是對于中點電壓的偏移作用不一樣,因此目前大多數(shù)治理中點電壓偏移的方法就是通過調(diào)節(jié)小矢量的作用時間實現(xiàn)的,現(xiàn)在也有不少學(xué)者提出了各種時間分解和矢量作用順序的方法。2.3中點電壓偏移的消除方法在三電平逆變器的運行過程中,對中點電壓具有影響的矢量是小矢量和中矢量。在傳統(tǒng)的SVM控制中,同一方向上的兩個小矢量是相互重合的,即對于外部電壓輸出的作用是一致的,但是對中點電壓偏移的作用是相反的,因此,中點電壓偏移問題的治理通常都是在兩個重合小矢量之間進行合理的時間分配來處理。中矢量對于中點電壓也有影響,但這個過程是不可控的。具體處理過程見文獻。3中點電壓偏移度的計算當逆變器的負載處于動態(tài)過渡過程時,例如電機起動、突然加載、轉(zhuǎn)速目標突變時,往往對逆變器的直流側(cè)和中點電壓造成影響。傳統(tǒng)的SVM控制認為正負小矢量是重合的,中矢量方向在相鄰大矢量的平分線上,終點在相鄰大矢量的終點連線上。事實上,當中點電壓發(fā)生偏移時,正負小矢量不再重合,定義為中點電壓偏移度,則。將以上關(guān)系代入到式(1)中,就可以對矢量圖的變化做出分析。(1)小矢量的方向不變,但模長會發(fā)生變化以兩個重合的小矢量和為例,將矢量的各個電平值帶入式(1)中,因此可以獲得對所有小矢量采用類似的方法進行處理,可以看出小矢量的具體變化為:負小矢量模長變?yōu)?+δ,正小矢量模長將變化為1-δ。(2)中矢量的大小和方向均會發(fā)生改變以中矢量和為例,將矢量的各個電平值帶入式(1)中,因此可以獲得可以看出,中矢量的方向與模長均發(fā)生變化。由于中矢量的三相對應(yīng)的電平0、1、2都會出現(xiàn),所以矢量的變化可以記為乘以電平1所對應(yīng)相的方向角。經(jīng)計算可以獲得:角度變化大小為,模長大小變化為。圖3給出了δ=±10%時A區(qū)內(nèi)矢量的變化情況。4傳統(tǒng)矢量調(diào)制方法影響上一小節(jié)詳細分析了中點電壓偏移對于三電平逆變器矢量圖的影響。若還是按照傳統(tǒng)的矢量調(diào)制方法來合成目標矢量,則不可避免地造成逆變器輸出波形的畸變。針對上述問題,將傳統(tǒng)的三電平逆變器的矢量控制算法加以改進。4.1分區(qū)方法的應(yīng)用由于在所討論的問題中,小矢量不再重合,并且中矢量的大小和方向也將發(fā)生變化,因此,傳統(tǒng)的SVM控制中的分區(qū)方法是否適合這種情況,還有待商榷。這里介紹一種利用中點電壓偏移量來確定分區(qū)的方法,該方法有利于治理中點電壓偏移問題。由于大矢量的方向保持不變,因此矢量分區(qū)的第一步還是將整個矢量圖分為6個區(qū),并且每個區(qū)進一步分為4個小區(qū)。以目標矢量位于A區(qū)內(nèi)為例,當δ>0,選擇大矢量、中矢量和正小矢量;當δ<0,選擇大矢量、中矢量和負小矢量。圖4給出了考慮中點電壓偏移的A區(qū)分區(qū)示意圖。以δ>0為例說明分區(qū)方法。通過對圖形進行處理以后可以獲得如下幾條分區(qū)規(guī)則目標矢量位于A1區(qū)的條件為目標矢量位于A2區(qū)的條件為目標矢量位于A3區(qū)的條件為其余,目標矢量則位于A4區(qū)。4.2作用時間計算方法由于目標矢量的合成關(guān)系發(fā)生變化,而作用時間沒有變化,再繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的矢量作用時間計算方法肯定是不合適的。因此有必要對分矢量合成作用時間的計算方法加以改進。改進的分矢量合成目標矢量的作用時間計算原理仍然采用壓時積不變的原理。以δ>0,目標矢量位于A4區(qū)為例進行分析。此時用于合成目標矢量的分矢量為V2、V4和V7。目標矢量與分矢量應(yīng)該滿足如下關(guān)系其中,V2、V4和V7的各個分量可以通過前面的推導(dǎo)獲得。4.3避免過補償?shù)脑O(shè)計方法由于在矢量分區(qū)和矢量的選擇上做到了有選擇的處理了中點電壓偏移問題,因而中點電壓偏移問題可以得到很好的解決。但是,當δ較小時,采用這種補償方式,往往容易造成過補償。因此,對本文的方法必須加以改進。為了避免過補償,在設(shè)計算法時,可以將δ<1%作為不補償?shù)膮^(qū)域。事實上,為了獲得完整的中點電壓偏移抑制算法,需要考慮到負載特性、中點電壓偏移度的當前值以及負載在下一個周期的運行特性,而這些方面往往綜合在一起,從而加大了問題的分析難度。目前,國內(nèi)外對中點電壓偏移問題還沒有詳盡的理論分析。5svm控制方式為了驗證所提控制算法的有效性,在Matlab平臺上建立了仿真系統(tǒng)。逆變器的負載為電阻電感串聯(lián)負載,RL=10?,LL=10mH,空間矢量控制周期Ts=400μs。圖5和圖6分別給出了傳統(tǒng)SVM控制方式和本文所提出的改進SVM控制算法的輸出電流及其頻譜分析。可以看出,改進的SVM控制算法的電流輸出波形更加光滑,并且諧波含量更少。相比傳統(tǒng)控制方式下的THD=2.76%,改進的SVM控制算法的THD只有1.22%。并且輸出電流有效值也得到了提高,傳統(tǒng)SVM輸出電流基波的有效值為21.496A,改進的SVM算法輸出電流基波有效值為21.939A。因此,改進的三電平逆