二極管罩位型三電平逆變器控制策略研究

二極管罩位型三電平逆變器控制策略研究

0變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大規(guī)模變換裝置在電氣機(jī)車(chē)、冶金、化工、原子能工業(yè)等行業(yè)的使用日益增多。多平衡器比傳統(tǒng)的兩平衡器有明顯的優(yōu)勢(shì)。二極管箝位型(NPC)三電平逆變器與兩電平逆變器相比,直流側(cè)電壓利用率高;輸出電壓諧波含量少,且可減少輸出濾波器整體尺寸;開(kāi)關(guān)頻率低,硅損耗小;功率開(kāi)關(guān)器件可使用具有較低反向阻斷電壓的芯片,反應(yīng)速度更快,開(kāi)關(guān)損耗更低。逆變器輸出性能的優(yōu)劣不僅取決于其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而且取決于調(diào)制算法?？臻g電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)直流母線電壓利用率較高,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)制,采樣周期間矢量可實(shí)現(xiàn)平滑切換,減少損耗,減少諧波。通過(guò)調(diào)節(jié)冗余小矢量的作用時(shí)間達(dá)到抑制直流側(cè)中點(diǎn)電位偏移的目的,簡(jiǎn)便易行,作用效果明顯。1三平衡器的svpwm控制策略1.1電壓矢量合成NPC三電平逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。U、V、W為逆變器輸出,可接三相負(fù)載如三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī),負(fù)載三相交流空間電壓矢量等于逆變器輸出空間電壓矢量。三相正序電壓在空間均勻分布,按照一定頻率以正弦規(guī)律變化,每相變化的電壓視為空間矢量。將三相矢量合成,形成幅值恒定且與電壓頻率相同的空間旋轉(zhuǎn)電壓矢量。NPC型逆變器工作時(shí)每相電壓有3種輸出狀態(tài),分別為1/2Vdc、0、-1/2Vdc。3個(gè)橋臂12個(gè)開(kāi)關(guān)器件,共有27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。不同開(kāi)關(guān)狀態(tài),三相輸出的相電壓在空間合成4種大小不同的電壓矢量,分別為0矢量(3種開(kāi)關(guān)狀態(tài))、小矢量(1/2)Vdc(12種)、中矢量(姨3/2)Vdc(6種)、大矢量Vdc(6種)。根據(jù)27個(gè)電壓矢量在坐標(biāo)平面的位置,可畫(huà)出三相三電平逆變器電壓空間矢量圖,如圖2所示。按照一定頻率在空間旋轉(zhuǎn)的參考電壓矢量為V=r∠θ。當(dāng)參考電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域時(shí),系統(tǒng)選擇該區(qū)域內(nèi)的3個(gè)最近的基本電壓矢量,在一定采樣周期內(nèi)各矢量分配作用時(shí)間合成參考電壓矢量。根據(jù)各矢量對(duì)應(yīng)橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率管的通斷,并控制各功率管的通斷時(shí)間。這樣逆變器就會(huì)輸出產(chǎn)生三相互差120°的近似正弦波的階梯電壓。1.2功率開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作將基本電壓矢量依伏秒平衡法擬合參考電壓矢量,根據(jù)所選取的電壓矢量及其作用時(shí)間控制相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作。該方法包括參考電壓矢量位置確定即判斷所在扇區(qū)和扇區(qū)中的區(qū)域、開(kāi)關(guān)矢量選擇和矢量作用順序優(yōu)化、各矢量作用時(shí)間計(jì)算。1.2.1參考旋轉(zhuǎn)電壓矢量的區(qū)域劃分參考電壓矢量應(yīng)落在電壓空間矢量圖中以中矢量為半徑的內(nèi)切圓內(nèi)。為了快速利用矢量圖中固有的電壓矢量合成參考電壓矢量,需要確定參考電壓矢量所在位置,因此將以矢量圖中大、小矢量為邊界劃分為6個(gè)扇區(qū),如圖2所示。每個(gè)扇區(qū)以相鄰的3個(gè)矢量頂點(diǎn)為邊界劃分為4個(gè)區(qū)域,如圖3所示。將參考旋轉(zhuǎn)電壓矢量角度折算到θ∈(-180°~180°),根據(jù)角度大小判斷其所在扇區(qū)。扇區(qū)中區(qū)域判斷,可將參考電壓等效換算到扇區(qū)1中θ∈(0°~60°),根據(jù),則參考電壓矢量位于D4區(qū)域;,則參考電壓矢量位于D3區(qū)域;,則參考電壓矢量位于D1區(qū)域;其他則位于D2區(qū)域。1.2.2輸出矢量的選擇為使各矢量平滑輸出,減少逆變器輸出電壓的諧波含量和減少開(kāi)關(guān)器件的功率損耗,開(kāi)關(guān)矢量選擇及其作用時(shí)間確定的基本思想為:所有輸出的首發(fā)矢量全部采用正小矢量或負(fù)小矢量;相鄰兩矢量切換不能突變,僅相差一相狀態(tài);在每個(gè)PWM控制周期內(nèi),將參考電壓用其最近的3個(gè)基本電壓矢量按照伏秒平衡原理來(lái)表示。1.2.3第一東區(qū)制的作用時(shí)間依照伏秒平衡原則列出等式:式中:Tx、Ty、Tz———在一個(gè)采樣周期內(nèi)空間參考電壓矢量所在區(qū)域內(nèi)的基本電壓矢量Vx、Vy、Vz分別對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間;T———采樣周期;Vref———空間參考電壓矢量。以第一扇區(qū)D1區(qū)域?yàn)槔?推導(dǎo)作用時(shí)間計(jì)算式。已知式中:θ———參考電壓矢量Vref的角度;m———調(diào)制比即參考電壓幅值與電壓矢量圖中的中矢量幅值之比將Vx、Vy、Vz、Vref分別帶入式(1)得等式兩邊實(shí)軸與虛軸分量分別相等,則有從式(4)中得將Ty代入式(2)得其他區(qū)域可采用類(lèi)似方法推導(dǎo)空間矢量作用時(shí)間,如表2所示。參考電壓矢量以一定的幅值和頻率在空間旋轉(zhuǎn),在各扇區(qū)矢量作用時(shí)間都可歸一到扇區(qū)1的計(jì)算方法,這樣另外5個(gè)扇區(qū)電壓矢量所對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間均可按式(1)計(jì)算。不同扇區(qū)合成參考電壓矢量過(guò)程中,由于各個(gè)區(qū)域電壓矢量的作用順序不同,對(duì)應(yīng)區(qū)域電壓矢量作用時(shí)間順序也有變化,如表3所示。2動(dòng)態(tài)冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)的影響由于逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn),直流側(cè)兩電容的充放電平均電流相等,但電流之間存在相位差,暫態(tài)過(guò)程不對(duì)稱(chēng);因此,三電平逆變器在能量轉(zhuǎn)換時(shí),直流側(cè)電容上電壓不能保持平衡,中點(diǎn)電位發(fā)生偏離,這樣使得交流側(cè)輸出產(chǎn)生諧波,逆變器的輸出效率較低,嚴(yán)重影響所帶負(fù)載工作性能。逆變器中某些開(kāi)關(guān)管所承受的電壓上升、直流側(cè)電容電壓不均衡都會(huì)影響這些元器件的壽命。通過(guò)分析零矢量和大矢量對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流無(wú)影響;小矢量對(duì)應(yīng)的兩種冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流呈互補(bǔ)方式影響。由于電壓矢量在每個(gè)區(qū)域中都由小、中、大矢量合成,小矢量對(duì)電容充放電作用的效果是互補(bǔ)的,采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流側(cè)電容兩端電壓,根據(jù)比較的結(jié)果來(lái)控制小矢量作用時(shí)間的長(zhǎng)短,同時(shí)彌補(bǔ)中矢量對(duì)電容電壓波動(dòng)的影響;因此,保證在一個(gè)采樣周期中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)小矢量和中矢量對(duì)電容電壓波動(dòng)的聯(lián)合控制,實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)中點(diǎn)之上的電容大于中點(diǎn)之下電容電壓時(shí),將原伏秒計(jì)算的負(fù)小矢量作用時(shí)間乘以一個(gè)較小的調(diào)整系數(shù),使其在一個(gè)采樣周期中作用時(shí)間縮短,減緩該矢量或中矢量對(duì)中點(diǎn)之下電容造成過(guò)度放電的影響;當(dāng)中點(diǎn)之上的電容小于中點(diǎn)之下電容電壓時(shí),原負(fù)小矢量作用時(shí)間乘以一個(gè)較大的系數(shù),使其在一個(gè)采樣周期中作用時(shí)間延長(zhǎng),減緩該矢量或中矢量對(duì)中點(diǎn)之下電容造成過(guò)度充電的影響,這樣可以使中點(diǎn)電位在一個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。3不同調(diào)制比下等電壓特性采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建NPC三電平逆變器調(diào)制系統(tǒng)模型,如圖4所示。三相電源電壓為380V/50Hz,直線側(cè)母線電容為1000μF,采樣周期為0.5μs。圖5為50Hz的空間參考電壓矢量,在一個(gè)周期中檢測(cè)其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)5,6,1,2,3,4扇區(qū),且周而復(fù)始。當(dāng)調(diào)制比為0.9,參考電壓矢量頻率為50Hz時(shí),逆變器輸出線電壓波形如圖6所示。經(jīng)過(guò)電容濾波,可得到只含基波頻率的線電壓如圖7所示。圖8~圖10分別為不同頻率的參考電壓,在不同調(diào)制比下逆變器輸出的線電壓,輸出的線電壓頻率與參考電壓頻率一致,隨著調(diào)制比的不同輸出電壓幅值也不同,調(diào)制比越小輸出電壓幅值越小。仿真模型中三相整流輸出電壓的一半作為理想直流側(cè)母線中點(diǎn)電位。實(shí)驗(yàn)中分別采用帶中點(diǎn)電位平衡控制方法和無(wú)此控制方法進(jìn)行測(cè)試,其輸出波形如圖11和圖12所示。通過(guò)比較可以看出,帶中點(diǎn)電位平衡控制方法的直流側(cè)母線電容兩端電壓均衡,接近理想的中點(diǎn)平衡電壓,而沒(méi)有采用此方法的電容兩端電壓不均衡,偏離理想中點(diǎn)電位,導(dǎo)致實(shí)際電容中點(diǎn)電位出現(xiàn)偏移。4中點(diǎn)電位平衡建立仿真模型,調(diào)試系統(tǒng)參數(shù),仿真結(jié)果表明,采用SVPWM調(diào)制方式可以使逆變器輸出5個(gè)電平的線電壓,電壓波形較兩電平逆變器更接近于正弦波,且三相電壓波形對(duì)稱(chēng),經(jīng)低通濾波器可以得到較高質(zhì)量