范 波 趙偉剛 劉 剛 謝冬冬
(1. 河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院 洛陽(yáng) 471023 2. 中信重工機(jī)械股份有限公司 洛陽(yáng) 471039)
目前,多電平逆變器由于在電力轉(zhuǎn)換方面具有諸多優(yōu)點(diǎn),逐漸成為一個(gè)特別活躍的研究方向[1-5]。相較兩電平而言,多電平逆變器主電路開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力、輸出電壓的諧波失真和轉(zhuǎn)換損耗均有所降低。然而由于大量開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用,使其控制策略變得更復(fù)雜。
在多電平逆變器的諸多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,二極管中點(diǎn)鉗位型(Neutral Point Clamped,NPC)三電平逆變器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出波形質(zhì)量高,得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞[6-11]。但其存在直流側(cè)電容電壓的低頻振蕩,進(jìn)而會(huì)增加開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力,并會(huì)在輸出電壓中包含低頻諧波。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這些問(wèn)題做了許多研究工作。文獻(xiàn)[12]提出一種預(yù)測(cè)控制策略來(lái)控制 NPC三電平逆變器直流側(cè)電容電壓的平衡。然而,該控制方法需要關(guān)于負(fù)載模型的先驗(yàn)知識(shí)。文獻(xiàn)[13]提出利用最近三虛擬空間矢量(NTV2),能在輸出電壓的全局范圍內(nèi)有效控制中點(diǎn)電壓平衡。文獻(xiàn)[14]提出一種類似的 NTV2PWM控制方案實(shí)現(xiàn)對(duì)NPC逆變器的控制。文獻(xiàn)[15]提出利用優(yōu)化最近三虛擬空間矢量(ONTV2)來(lái)控制中點(diǎn)電位平衡。然而上述虛擬空間矢量(VSVPWM)算法,無(wú)法處理計(jì)算中近似處理與累積效應(yīng)造成的中點(diǎn)電位不平衡。文獻(xiàn)[16]提出利用 SVPWM 與VSVPWM 混合調(diào)制的方式。該方案雖然可有效彌補(bǔ) VSVPWM控制方式的不足,但實(shí)現(xiàn)時(shí)必須分別根據(jù)兩者的約束條件得到切換條件,使算法復(fù)雜化,并且 NPC逆變器仍會(huì)在輸出電壓中產(chǎn)生低頻諧波失真。
本文提出一種基于ONTV2PWM的閉環(huán)控制方式,該調(diào)制方式是建立在dqo坐標(biāo)系下,利用一種特定的方式——根據(jù)中點(diǎn)電壓的反饋量來(lái)循環(huán)改變控制器的調(diào)制波形,對(duì)中點(diǎn)電壓平衡進(jìn)行快速控制;控制方案剩下的部分類似于兩電平,通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆绞脚c已選定的調(diào)制算法相銜接。另外,增加了對(duì)負(fù)載位移角的在線估計(jì)環(huán)節(jié)。仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方式的可行性。
首先定義dap、dbp、dcp、dan、dbn、dcn為 a-b-c坐標(biāo)系下6個(gè)獨(dú)立的相占空比,dpd、dpq、dpo、dnd、dnq、dno為d-q-o坐標(biāo)系下6個(gè)獨(dú)立的控制變量,其中dxy代表x相連接到直流側(cè)y點(diǎn)時(shí)的占空比。兩個(gè)坐標(biāo)系下獨(dú)立控制變量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系
其中
圖1為ONTV2PWM調(diào)制算法下第一扇區(qū)空間矢量圖,其中VG0、VGSi、VGMi、VGLi(i=1, 2,…, 6)是由基本空間矢量經(jīng)過(guò)線性組合得到,線性組合的系數(shù)用r1~r7來(lái)表示。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),參考電壓矢量Vref=meiθ(m∈[0, 1],θ=ω0t)由最近的 3 個(gè)虛擬空間矢量來(lái)合成。在此,需要對(duì)線性組合的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。
圖1 虛擬空間矢量圖Fig.1 Virtual space vector diagram
定義在nfs附近的輸出電壓的諧波失真為
式中,Vh為輸出端線電壓的h次諧波的方均根。為了能保證在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間內(nèi)中性點(diǎn)的平均電流值io=0,關(guān)鍵是如何選擇r1,k~r7,k的值來(lái)保證Vdis,1取得最小值。由于對(duì)稱性,僅需求出第一扇區(qū)的r1,k~r7,k的值即可。類似于文獻(xiàn)[17]所介紹的方法,為了能得到最小化的Vdis,1,那么在第一扇區(qū)內(nèi),則需要在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),k次諧波指標(biāo)HD1,k為最小。因此,對(duì)于給定的調(diào)制度m和負(fù)載轉(zhuǎn)矩角φ,此優(yōu)化問(wèn)題可用式(3)來(lái)進(jìn)行論證。
其中
通過(guò)上面的分析,利用式(4)來(lái)定義在d-q-o坐標(biāo)系下,基于以上6個(gè)獨(dú)立占空比的ONTV2PWM。
此處,m(∈[0, 1])和θ分別為參考電壓矢量Vref的長(zhǎng)度和角度,變量φ為負(fù)載位移角;參數(shù)K為m和φ的函數(shù),即
m-φ組成的區(qū)域被劃分為A、B、C 3個(gè)區(qū)域,如圖2所示,其中3個(gè)區(qū)域的分界線mbAB、mbBC由式(6)來(lái)表示。
圖2 負(fù)載位移角與調(diào)制指數(shù)的關(guān)系圖Fig.2 Load displacement angle and modulation index relationship diagram
給定了m、θ和tanφ的值,由式(4)和式(5)可得到在dqo坐標(biāo)下的占空比dap、dbp、dcp、dan、dbn、dcn。例如,在第一扇區(qū),dap=dpoo+dpnn+ dppn+dpon+dppo,根據(jù)這些獨(dú)立的占空比,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),假設(shè)產(chǎn)生的序列是按照對(duì)稱性p-o-o-p形式來(lái)控制每相如何連接直流側(cè)端點(diǎn),這樣就會(huì)非常簡(jiǎn)單地產(chǎn)生12路開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
本文提出的閉環(huán)控制方案如圖3所示,主要有NPC三電平逆變器(見(jiàn)圖3a)、控制器(見(jiàn)圖3b)和調(diào)制器及調(diào)制波分配器(見(jiàn)圖3c)組成。該閉環(huán)控制方案同樣可應(yīng)用于更高電平的逆變器系統(tǒng)。
NPC三電平逆變器的直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡(或偏移),是指直流母線端的兩個(gè)相互串聯(lián)連接電容充放電時(shí),由于充放電電流不平衡等各種原因,使得與其相連的中點(diǎn)電位發(fā)生波動(dòng)或偏移的問(wèn)題。它是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固有的一種現(xiàn)象,在變頻器輸出多電平工作時(shí),電路輸出的零電平是由二極管鉗位到直流母線的中點(diǎn)得到的,隨著電力電子開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,電流伴隨著電容的充電或放電,會(huì)流出或流入直流母線的中點(diǎn),這樣就可能造成中點(diǎn)電位發(fā)生偏移或不平衡。
(a)NPC三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方案
圖3 閉環(huán)控制方案圖Fig.3 The closed-loop control scheme block diagram
本文所提及的控制方案適用于 ONTV2PWM,將根據(jù)逆變系統(tǒng)的負(fù)載情況,保證不會(huì)產(chǎn)生類似于vunb=(vC1-vC2)/2的低頻振蕩。如果設(shè)置k=0,由式(1)可知:無(wú)論負(fù)載表現(xiàn)出多么嚴(yán)重的非線性和不平衡性,ONTV2PWM 對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)電壓平衡調(diào)節(jié)均無(wú)影響,如圖4a所示;若k>0,ONTV2PWM可以使中點(diǎn)電位很自然地恢復(fù)到平衡,如圖4b所示,且k值越大,調(diào)節(jié)速度越快,否則,響應(yīng)速度會(huì)很慢。
圖4 ONTV2PWM方案下電容電壓波形Fig.4 The capacitive voltage waveform under ONTV2PWM
根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)可知,引入共模電壓模型后,哪個(gè)調(diào)制波形需要被修改變得不再明顯,因此,每相中均引入兩個(gè)調(diào)制波形(dxp和dxp)。在dap-dan,dbp-dbn,dcp-dcn的調(diào)制波形中分別增加一個(gè)補(bǔ)償量。對(duì)增加的補(bǔ)償量有3種設(shè)置:①在dxp上增加補(bǔ)償量;②在dxp上減少補(bǔ)償量;③在dxp上增加補(bǔ)償量的一部分,同時(shí)在dxp上減去補(bǔ)償量剩下的部分。
通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的策略來(lái)簡(jiǎn)化補(bǔ)償量如何應(yīng)用于占空比??紤]到占空比必須大于零,如果一個(gè)占空比接近于零,那與之對(duì)應(yīng)的占空比將增加一個(gè)與之相匹配的補(bǔ)償量。該控制策略可增加非零占空比趨近于零出現(xiàn)的次數(shù),因此,可減少換向的次數(shù)。針對(duì)參考空間矢量,按照該策略,x相占空比可由如下規(guī)則表示
補(bǔ)償量doffset的值,是由基于直流側(cè)電容電壓不平衡量vunb=(vC1-vC2)/2的補(bǔ)償器決定的。在采樣頻率低于開(kāi)關(guān)頻率時(shí),為了僅修正影響直流側(cè)電容電壓平衡的擾動(dòng),此補(bǔ)償器必須具有低通特性。如果直流側(cè)中點(diǎn)的功率流向發(fā)生變化,那么補(bǔ)償量doffset也要隨之發(fā)生變化。在實(shí)際應(yīng)用中,功率流向是時(shí)刻變化的,因此,需要對(duì)該變量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),以便及時(shí)采取一個(gè)合適的控制措施。
相比較文獻(xiàn)[14]的控制方案,此處提出的方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)該方案適用于ONTV2PWM控制方案下所有的K值。
(2)具有非常有效地維持平衡性的措施,對(duì)于任意給定的開(kāi)關(guān)周期,能同時(shí)恢復(fù)被干擾的a、b、c三相的平衡性,取代了之前僅能恢復(fù)單相的平衡性,并且所采取的維持平衡性的措施并未對(duì)所涉及的相占空比的最小值進(jìn)行限制。
(3)具有較低次數(shù)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換,因此,首次利用占空比得到補(bǔ)償量的過(guò)程將被簡(jiǎn)化,它將最大化由非零占空比趨近零值的機(jī)會(huì),進(jìn)而減少開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)。
(4)在單向功率傳輸應(yīng)用中,不需要對(duì)相電流進(jìn)行采樣處理。
從閉環(huán)控制的觀點(diǎn)出發(fā),兩電平與三電平最大的不同點(diǎn)是后者引入了直流側(cè)中點(diǎn)電壓的動(dòng)態(tài)。由于選擇的調(diào)制方法及預(yù)先提出的針對(duì)中點(diǎn)電位平衡的控制方案,假設(shè)直流側(cè)中點(diǎn)電壓一直是平衡狀態(tài),那么三電平逆變器就類似于兩電平逆變器,因此,針對(duì)兩電平的傳統(tǒng)控制方案和程序就可以直接應(yīng)用到三電平上,來(lái)獲得調(diào)制器設(shè)計(jì)中需要的參考矢量的長(zhǎng)度m和角度θ。
針對(duì)本文選擇的控制方案,首先,直流側(cè)電壓vpn=vC1-vC2,該值將與期望值相比較,所產(chǎn)生的誤差evpn經(jīng)過(guò)一個(gè)補(bǔ)償器的處理后,產(chǎn)生id的期望值。由于ic=ia-ib,因此無(wú)需檢測(cè)ic值。首先要進(jìn)行a-b-c到 d2-q2-o2的坐標(biāo)變換,d2軸與相對(duì)于中性點(diǎn)的線電壓矢量VL-N所在的相重合。如圖5所示,該矢量與α軸之間存在一個(gè)夾角ψ,其中
圖5 參考矢量Vref與VL-N的位置關(guān)系圖Fig.5 Location of vectorsVrefandVL-Nthat is withreference to the axis α
電流分量id2和iq2分別與它們對(duì)應(yīng)的期望值作比較,在保證功率轉(zhuǎn)換不變的前提下,為了獲得一個(gè)與之相匹配的位移角,設(shè)定iq2的期望值為零。d軸和q軸上分量的誤差分別要經(jīng)過(guò)專用補(bǔ)償器的處理。最后,對(duì)所有的分量進(jìn)行解耦處理,得到的結(jié)果是參考空間矢量Vref在d2與q2上的分量。通過(guò)式(5)可得到參考矢量Vref的長(zhǎng)度m(調(diào)制指數(shù))和相對(duì)于d2軸的夾角φ。
另外,在調(diào)制過(guò)程中,從d1-q1-o1到a-b-c的坐標(biāo)變換中,所需的角度θ可通過(guò)式(9)得到。
為了實(shí)施 ONTV2PWM 控制方案,需要對(duì) tanφ進(jìn)行估值。角度φ對(duì)應(yīng)于基本線電流矢量與Vref的夾角,因此,可簡(jiǎn)單地通過(guò)傳感器測(cè)量線電流,利用坐標(biāo)變換以及x相占空比規(guī)則,便可計(jì)算出tanφ的值。
負(fù)載位移角的計(jì)算僅需通過(guò)傳感器對(duì)線電流進(jìn)行采樣,ONTV2PWM 調(diào)制方法的實(shí)施不再需要額外的傳感器。
利用Matlab/Simulink軟件對(duì)本文所提的控制方案進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證方案的可行性,仿真結(jié)果如圖6所示,可觀察到:當(dāng)直流側(cè)給定電壓從 720V降到 400V時(shí),在一個(gè)短暫的時(shí)間內(nèi),直流側(cè)電容電壓很快恢復(fù)到新的平衡??紤]到ONTV2PWM調(diào)制方案已基本上可保證直流側(cè)電容電壓的平衡,所以控制器中的補(bǔ)償量的范圍較小(-0.001<doffset<0.001)。
圖6 直流側(cè)電容電壓仿真波形Fig.6 DC side capacitive voltage simulation waveform diagram
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖7所示,主電路功率模塊采用 IGBT,控制器模塊及調(diào)制模塊使用 TI公司的TMS320S2812,負(fù)載為交流籠型異步電機(jī),其型號(hào)Y112M-4B,參數(shù)為PN=4kW,UN=380V,IN=8.8A,p=2,R=1 440r/min;另外,考慮到負(fù)載對(duì)直流側(cè)分壓電容的影響,即在一定的閾值范圍內(nèi),直流側(cè)電容中點(diǎn)電位波動(dòng)隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而增大,然而在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于電壓等級(jí)高,負(fù)載對(duì)其影響可忽略不計(jì)。在此,僅對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn);另外,開(kāi)關(guān)頻率fs=1 0kHz ,中間直流側(cè)電壓600V,直流側(cè)上、下電容值均為840μF,驅(qū)動(dòng)電路采用PSHI2012驅(qū)動(dòng)板。
圖7 NPC三電平逆變器系統(tǒng)框圖Fig.7 NPC three-level inverter system diagrams
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,可看出:在對(duì)中點(diǎn)電位未加控制時(shí)(見(jiàn)圖8d),其波動(dòng)幅值范圍在±10V內(nèi),而在閉環(huán)控制條件下(見(jiàn)圖8e),波動(dòng)幅值范圍在±1 V 內(nèi),顯而易見(jiàn),對(duì)中點(diǎn)電位平衡施加閉環(huán)控制方式后,直流側(cè)中點(diǎn)電位的波動(dòng)幅值得到顯著減小。文獻(xiàn)[13-15]提出VSVPWM控制方式下,直流側(cè)中點(diǎn)電位雖得到了有效控制,但逆變器輸出的相電壓在一個(gè)采樣周期內(nèi)出現(xiàn)了2次開(kāi)關(guān)動(dòng)作,增加了器件的開(kāi)關(guān)損耗,并使輸出電流波形發(fā)生了畸變;文獻(xiàn)[16]提出 VSVPWM和 SVPWM混合調(diào)制方式下,雖達(dá)到了有效控制中點(diǎn)電位平衡的目標(biāo),但逆變器輸出的相電壓明顯在很少的采樣周期內(nèi)仍出現(xiàn)了 2次開(kāi)關(guān)動(dòng)作,未完全彌補(bǔ) VSVPWM方式的不足。相比較以上滯環(huán)控制方式,本文提出的閉環(huán)控制方式,不僅可滿足對(duì)中點(diǎn)電位平衡的有效控制,且NPC三電平逆變器輸出的線電壓、相電壓及電流波形也更趨近于正弦波,諧波含量減少,減小了系統(tǒng)的EMI,這樣有利于得到更良好的系統(tǒng)性能,驗(yàn)證了閉環(huán)控制方式的正確性和有效性。
圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形Fig.8 The experimental result waveforms
針對(duì) NPC三電平逆變器的中點(diǎn)電位不平衡所引起的直流側(cè)電容電壓振蕩、功率器件電壓應(yīng)力增加和輸出電壓諧波等問(wèn)題,本文提出了一種基于ONTV2PWM 的閉環(huán)控制方案。利用一種特定的方式——根據(jù)中點(diǎn)電壓的反饋量來(lái)循環(huán)改變控制器的調(diào)制波形,對(duì)中點(diǎn)電壓平衡進(jìn)行快速控制;控制方案剩下的部分類似于兩電平,通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆绞脚c已選定的調(diào)制算法相銜接,同時(shí)增加了對(duì)負(fù)載位移角的在線估計(jì)環(huán)節(jié),有效提高了對(duì)中點(diǎn)平衡的控制性能,減小了直流側(cè)電容波動(dòng)。本文提出的閉環(huán)控制方案可擴(kuò)展應(yīng)用于多電平逆變系統(tǒng)中,對(duì)提高大功率、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制性能有一定實(shí)際意義。
[1] 李永東, 肖曦, 高躍. 大容量多電平變換器—原理·控制應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.
[2] Franquelo L G, Prats M A M, Portillo R C, et al.Three dimensional space-vector modulation algorithm for four-leg multilevel converters using abc coordinates[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006, 53(2): 458-466.
[3] 趙輝, 李瑞, 王紅君, 等. 60°坐標(biāo)系下三電平逆變器 SVPWM 方法的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2008, 28(24): 39-45.
Zhao Hui, Li Rui, Wang Hongjun, et al. Study on SVPWM method based on 60°coordinate system for three-level inverter[J]. Proceedings of the CSEE, 2008,28(24): 39-45.
[4] Lewicki A, Krzeminski Z, Abu-Rub H. Space-vector pulsewidth modulation for three-level NPC converter with the neutrai point voltage control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(11): 5076-5086.
[5] Gupta K, Khambadkone A M. A space vector PWM scheme for multilevel inverters based on two-level space vector PWM[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(5): 1631-1639.
[6] Nabae A, Takahashi I, Akaja H. A new neutral pointclamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1981, 17(5): 518-523.
[7] 姜衛(wèi)東, 王群京, 史曉鋒, 等. 中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器在空間矢量調(diào)制時(shí)中點(diǎn)電位的低頻振蕩[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(3): 49-55.
Jiang Weidong, Wang Qunjing, Shi Xiaofeng, et al.Low frequency oscillation of neutral point voltage of neutral-point-clamped three-level VSI under SVPWM control[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(3):49-55.
[8] Maheswari Ramkrishan, Munk-Nielsen S, Busquets-Monge S. Design of neutral-point voltage controller of a three-level NPC inverter with small Dc-link capacitors [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013, 60(5): 1861-1871.
[9] Yazdani A, Iravani R. A new neutral point-clamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(1): 414-424.
[10] 宋文祥, 陳國(guó)呈, 陳陳. 基于矢量合成的三電平空間電壓矢量調(diào)制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007,22(10): 91-96.
Song Wenxiang, Chen Guocheng, Chen Chen. A space vector modulation method of three-level NPC inverter based on synthesizing vectors concept[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2007,22(10): 91-96.
[11] Pou J, Zaragoza J, Ceballos S, et al. A carrier-based PWM strategy with zero-sequence voltage injection for a three-level neutral-point clamped converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(2):642-651.
[12] Vargas R, Cortes P, Ammann U, et al. Predictive control of a three-phase neutral-point-clamped inverter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007,54(5): 2697-2705.
[13] Busquets-Monge S, Bordonau J, Boroyevich D, et al.The nearest three virtual space vector PWM-A modula-tion for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter[J]. IEEE Power Electron.Lett. , 2004, 2(1): 11-15.
[14] Pou J, Zaragoza J, Rodriguez P, et al. Fast-processing modulation strategy for the neutral point-clamped converter with total elimination of low-frequency voltage oscillations in the neutral point[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(4):2276-2287.
[15] Busquets-Monge S, Somavilla S, Bordonau J, et al.Capacitor voltage balance for the neutral-point-clamped converter using the virtual space vector concept with optimized spectral performance[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1128-1135.
[16] 姜衛(wèi)東, 杜少武, 史曉峰, 等. 中點(diǎn)箝位型三電平逆變器空間矢量與虛擬空間矢量的混合調(diào)制方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(18): 47-53.
Jiang Weidong, Du Shaowu, Shi Xiaofeng, et al.Hybrid PWM strategy of SVPWM and VSVPWM for neutral point-clamped three-level voltage source inverter[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(18):47-53.
[17] Busquets-Monge S, Bordonau J, Boroyevich D, et al.Output voltage distortion characterization in multilevel PWM converters[J]. IEEE Power Electronics Letters,2004, 2(1): 24-28.