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三电平逆变器中点电位平衡的综合控制策略

发布时间:2019-03-11 02:15:01 文章来源:工具之家    

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曹guo锋 王然风 孟润泉

摘 yao sandianpingni变dianlu普遍存zaizhongdiandianweibupinghengde问tizhongdiandianweidebupingheng主要体现zai两gefang面zhongdiandianwei偏yi和zhongdiandian位bodongji于chuan统deSVPWM算fatongguofenxi造成zhongdiandian位bupinghengde原yin提chuliao前馈kongzhi+fan馈kongzhidezonghekongzhicelue。该方fatong过cai集两gedianrong电ya和san相负zaidianliude实shi值tong过qie换hanshudebutong值lai选择不同dekongzhiceluecong而实现duizhongdiandianwei平衡dezong合kong制。仿真实yan证ming了此综合kong制celuekong制精度高bing且不huichu现zhongdian电位偏yide问题,hen好di控制了中dian电位de平衡,弥补了zai只you反kuikong制ce略xiadianya波dongfu值jiao大的缺点,达dao了hen好的效guo

guan键词 三电pingni变器 中点电位; 平衡控制; SVPWM算fa

中tu分类号: TN71?34; TM464 wenxian标识码: A 文章bianhao: 14?373X217)16?0165?05

Abstract: Neutral point potential imbalance commonly exists in the three?level inversion circuit. The neutral point potential imbalance is mainly reflected in two aspects: neutral point potential offset and neutral point potential fluctuation. According to the analysis of the cause of the neutral point potential imbalance, an integrated control strategy containing feed?forward control and feed?back control is put forward on the basis of traditional SVPWM algorithm. By collecting the real?time values of two capacitance voltages and three?phase load currents, different control strategies are selected by switching different values of the function, so as to realize the integrated control of the neutral point potential balance. The simulation experiment results show that the control precision of the integrated control strategy is high, the offset of neutral point potential will not occur, and this strategy can control neutral point potential effectively and avoid big voltage fluctuation amplitudes that appear in the strategy with only feed?back control.

Keywords: three?level inverter; neutral point potential; balance control; SVPWM algorithm

0 引 言

在三电平逆变dianlu中,每个主开关器jian在关断shi承受的电压jin仅dengyuzhiliu侧电yadeyi半,这shi得它guang泛地应用于高压大容liang的chang合,bing且由于三电平逆变电路zeng加了输出的电平shu,使输出的电压boxing更接近正弦波,因此输出电压的谐波含量减少了很duo,同shi也降di了输出电压的跳变。但shi三电平逆变电路也存在一些问题,例ru:控制算法的复杂性增加yi及普遍存在的中点电位不平衡deng问题zhong点电位debu平衡会使电路中IGBTdenai压裕度大大降低,同时还会使输出电压波xing畸变等,suoyi研究控制三电平逆变电路的中点电weiping衡尤为zhong要

控制中点电位平衡的方案ke以分为硬件方案和ruan件方案。基于硬件方案tong常需要增加额外的电源,增大电容等,这通常会增大逆变器的体ji增加硬件成ben,所以常采用软件方案;软件方案主要在yugai变控zhice略。国内外学者对中点电位不平衡的问题jin行了很多研究。文xian[1?3]提chuliao滞环控制策略,dang中点电weichao出所设置的滞环qu间时,通过切换短shi量组合来达到平衡中点电位的mude,该控制方法控制jiandan,但是存在控制盲qu。文献[4?5]提出了精确控制策略,neng很好地解决中点电位偏yi的问题,但是电压波动fuzhireng需改善。文献[6?7]提出了模糊控制策略,实际效果较好,但是控制算法较复杂。文献[8?9]提出了虚拟kong间shi量控制策略,该控制在每个采yangzhouqi内的开关损耗较大,开关频率较高。

为了弥补shang述中反kuikong制的buzu,基于中点电位平衡控制li论基础,提出了前kuikong制+反馈控制的综合控制策略。此综合控制策略通过切换函shu的不同值来切换选择不同的控制策略,进而实现对中点电位的平衡控制。此综合控制可以有效地xiaochu前馈控制策略中由于存在控制盲区而造成的中点电位偏移,同时也改善了在反馈控制策略中,存在中点电位控制精度低、波动幅值大的问题,具有很重要的工程意义。

1 中点电位不平衡的理论分析

tu1为三电平逆变电路tu,采用的是SVPWM控制法,其开关状态可用图2所示的空间矢量图表示。在空间矢量图中以PNN为起始沿逆时针将其等分cheng6个扇区,如图3所示将每个扇区划分为6个xiao三jiao形。

本文以di一扇区为例说明,如图3所示。基于传统的SVPWM算法,当参考矢量位于第一扇区的第5个小三角形中时,合成参考电压矢量时需要选[VS1],[VL1],[VM]三个基本矢量。endprint

在实现三电平SVPWM算法中,如表1所示,不同的基本矢量和开关状态对中点电流会造成不同的影响,同时也必然会引起中点电位变化。

2 中点电位平衡控制策略

2.1 前馈控制策略

事实上,造成中点电位不平衡最重要的原因是在一个控制zhouqi内流ru和流出中点的总电he量不守恒。所以基于上述理论,若要实现中点电位平衡,就要保证每个控制周期内流入和流出中点的总电荷量等于零。

以第一扇区为例,假设当参考矢量在第一扇区的第5个小三角形中时,其开关序列、中点电流、中点电流的作用时间对应图如图4所示。

所以在一个控制周期内流入中点的总电荷量为:

[ΔQ=ia×T1×2k-1+ib×T3] (1)

式中:[ia],[ic]分bie为三相fuzai电流;k为起始矢量的占kongbi。

为了控制中点电位平衡,需使[ΔQ=0]来求qu分配因zik。k的取值范围为[0,1],当k≥1shiquk=1;当k≤0时,取k=0。

所以在中点电位的平衡控制中,rongyu小矢量对的时间分配因zik不仅受平衡条件制yue,还受约shu条件[0,1]制约。如果用平衡条件所求的分配因zi在约束条件[0,1]内,ze冗余小矢量对的作用时间通过此分配因子的调整,可以保zhengyi个控制周期内的中点电位平衡。如果用平衡条件所求的分配因子不在约束条件[0,1]内,则冗余小矢量对的作用时间通过此分配因子的调整,不能保证一个控制周期的中点电位平衡。此时只能取上述约束条件的上下限,保证尽量少的电荷量流入到中点。这时中点电位的平衡控制就会存在误差,并且多个周期的误差进行积累后,会造成中点电位偏移。

综述所述,前馈控制精dujiao高,但一段时间后中点电weihui出现偏移。并且在以后的控制周期中,前馈控制策略不具有将中点电位拉回到平衡点的能li。

2.2 反馈控制策略

反馈控制策略是通过实时采样电容电压和三相负载电流,来对冗余小矢量对的时间进行实时分配调整,使中点电位在每个控制周期[TS]内du尽可能地向平衡点靠拢,从而对中点电位进行平衡控制。

如果一个控制周期内,测得两个电容电压分别为[UC1],[UC2],zezhi流侧电容电压偏差值为:

为了抵消造成电容不平衡的电荷,需在下个控制周期[TS ]内,控制流入到直流侧中点电荷量为:

其余扇区和小三角形通过同样的方法来求取分配因子。

在反馈控制策略中,每个控制周期都对电容电压和负载电流进行实时采样,然后通过计算对冗余小矢量对的作用时间进行实时分配,以达到中点电位平衡的目的。实际情况由于电流和电压的不同相,以及采样延迟等因素,使得反馈控制策略能够有效地消除中点电位的偏移问题,danzhong点电位控制精度低、波动大,在实际应用中其控制you势得不到很好的发挥。

2.3 前馈控制+反馈控制的综合控制策略

根据上述分析可知,前馈控制策略的控制精度高,但是存在中点电位偏移的问题,而反馈控制策略的中点电位波动幅值较大,但该控制能够消除中点电位偏移的问题。本文在此基础上,通过对两zhong控制策略的you化,提出了一zhong前馈控制+反馈控制的综合控制策略,如图5所示。

构造函数[FU=UC1-UC2-Us],[ Us]为前馈控制策略的波动幅值,切换函数为:

[FU=1, fU≥0-1, fU<0] (6)

通过切换函数的不同值来选择不同的控制策略,当切换函数[FU=-1]时,选择前馈控制策略用以保证控制精度。当切换函数[FU=1]时,切换选择反馈控制策略用yixiao除中点电位的偏移。图6为两种控制策略的切换图。

3 仿真分析

为了验证此综合控制策略的有效性,用Simulink仿真软件搭建仿真模型,并进行模拟试验。仿真参数如下:系统直流侧电压为720 V,电容[C1=C2=400 μF],三相对称负载dianzu值为30 Ω,电感值为66 mH,系统输出频率[f=50 Hz],载波频率[fs=16 kHz],仿真结果如tu7所示。

图7gei出了前馈控制中点电位波形图,中点电位波动幅值为1.7 V,前馈控制的控制精度较高,但是在一段时间后中点电位会出现偏移。通过曲线拟合可以看出,在0.2 s时中点电位偏移幅值达4.5 V;图8给出了反馈控制中点电位波形图,中点电位波动幅值达到2.8 V,但是没有出现中点电位偏移的问题。

图9给出了前馈控制+反馈控制的综合控制策略的中点电位波形图,该控制策略弥补了反馈控制策略下电压波动幅值较大的缺点,中点电位波动幅值控制在1.5 V,比精确控制电压波动幅值减小了46%,并且不会出现中点电位偏移的现象。

tu10~图12分别给出了三种控制策略下输出线电压总谐波失真。前馈控制策略下输出线电压总谐波失真达到了40.45%,反馈控制策略下输出线电压总谐波失真为40.06%,而前馈+反馈的综合控制策略下输出线电压总谐波失真仅为40.01%。

4 结 语

三電平逆变电路中,中点电位不平衡会使电路中IGBT的耐压裕度大大降低,影响逆变电路的性能,同时还会使输出电压波形畸变等,所以研究控制三电平逆变电路中点电位平衡尤为重要。本文通过对控制策略的you化,提出了前馈+反馈的综合控制策略,能够更好地抑制中点电位不平衡,并通过仿真实验验证该控制策略是有效的。

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现代电子技术 2017年16期

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