林宏民， 宋文祥， 姜書(shū)豪

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

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基于優(yōu)化PWM的中點(diǎn)電位平衡控制研究*

林宏民， 宋文祥， 姜書(shū)豪

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

針對(duì)采用優(yōu)化PWM方式時(shí)三電平逆變器中點(diǎn)電位波動(dòng)問(wèn)題，給出了一種與具體的優(yōu)化PWM模式無(wú)關(guān)的中點(diǎn)電壓控制策略，使得中點(diǎn)電位向著不平衡的相反方向移動(dòng)，從而穩(wěn)定中性點(diǎn)電壓。將基于定子磁鏈軌跡跟蹤的閉環(huán)控制系統(tǒng)與該新型中點(diǎn)電位平衡策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電容電壓波動(dòng)和偏移的有效抑制。由于所研究的控制方法從空間電壓矢量角度分析，故對(duì)于不同模式的優(yōu)化PWM具有廣泛適用性。最后，針對(duì)該控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

優(yōu)化PWM； 中點(diǎn)電位波動(dòng)； 平衡控制； 磁鏈軌跡跟蹤

0 引 言

在二極管鉗位型三電平逆變器結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)定的中點(diǎn)電壓是系統(tǒng)輸出正確電平、維持穩(wěn)定運(yùn)行、提供可靠交流輸出性能的重要保證。中點(diǎn)電壓的波動(dòng)會(huì)使輸出電平偏離原來(lái)的位置，產(chǎn)生不確定的電平，影響輸出波形的質(zhì)量并造成兩個(gè)直流母線電容和橋臂上下的開(kāi)關(guān)管承受的電壓不一致，影響開(kāi)關(guān)管和電容的使用壽命，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，必須對(duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行控制[1]。

優(yōu)化PWM脈沖模式是基于穩(wěn)態(tài)條件離線計(jì)算的，具有動(dòng)態(tài)情況下中點(diǎn)電位難以調(diào)整的缺點(diǎn)[2-3]，已有的基于載波的PWM或空間矢量調(diào)制模式下的中點(diǎn)電位平衡方法對(duì)此并不適用。文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為在高調(diào)制比下采用同步對(duì)稱優(yōu)化PWM時(shí)中性點(diǎn)電位具有自平衡能力，但所采取電容容量較大，同時(shí)中點(diǎn)電位的3倍頻波動(dòng)不能忽略；其在低調(diào)制比區(qū)域采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)控制方法，系統(tǒng)運(yùn)行于兩電平區(qū)域，基于橋臂優(yōu)化選取方式控制中點(diǎn)電位，本質(zhì)上仍然是基于空間矢量調(diào)制的中點(diǎn)電位平衡控制方法。在開(kāi)繞組雙三電平中采用優(yōu)化PWM策略，通過(guò)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性來(lái)平衡中點(diǎn)電位，在三電平逆變器中不具有通用性[6]。文獻(xiàn)[7]通過(guò)在有源中點(diǎn)鉗位型(Active Neutral Point Clamped, ANPC)三電平逆變器中將優(yōu)化PWM開(kāi)關(guān)角進(jìn)行微小調(diào)整以改變零電平狀態(tài)占比來(lái)平衡中點(diǎn)電位，其理論依據(jù)不充分且給出的結(jié)果并沒(méi)用充分體現(xiàn)其有效性，需要進(jìn)一步研究?？傮w而言，目前有關(guān)采用優(yōu)化PWM的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡的研究比較缺乏，相關(guān)通用的控制策略也很少有涉及。

本文針對(duì)三電平逆變器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在采用優(yōu)化PWM方式時(shí)出現(xiàn)的直流母線電容電位平衡問(wèn)題，分析了同步對(duì)稱優(yōu)化PWM模式下中點(diǎn)電位控制的必要性和特殊性，然后從優(yōu)化PWM開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合對(duì)中點(diǎn)電位的影響出發(fā)，研究了中點(diǎn)電位波動(dòng)機(jī)理，指出冗余小矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)是調(diào)整中點(diǎn)電位的關(guān)鍵所在，并進(jìn)一步研究了一種與具體的優(yōu)化PWM模式無(wú)關(guān)的新型中點(diǎn)電位平衡控制策略。該方法適用于基于優(yōu)化PWM的閉環(huán)控制系統(tǒng)的中點(diǎn)電位控制，將動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制的開(kāi)關(guān)角切換與中點(diǎn)電壓平衡聯(lián)系起來(lái)，在優(yōu)化模型中考慮電容電壓的波動(dòng)和偏移因素，具有廣泛適用性。最后，通過(guò)給出的大量仿真結(jié)果對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 優(yōu)化PWM的中點(diǎn)電位平衡控制特點(diǎn)

1.1 基于優(yōu)化PWM的中點(diǎn)電位控制必要性

文獻(xiàn)[1]指出優(yōu)化脈沖模式對(duì)直流電容電壓存在較大的影響，由于中點(diǎn)電壓波動(dòng)而產(chǎn)生了明顯的電機(jī)電流畸變，并造成了不期望的損耗，且當(dāng)負(fù)載角達(dá)到90°時(shí)損耗最大。文獻(xiàn)[8]在定子磁鏈軌跡跟蹤控制系統(tǒng)中，將直流母線分壓電容設(shè)置為4700μF，在這種情況下，中點(diǎn)電壓波動(dòng)可以忽略。在同樣的負(fù)載條件下，實(shí)際應(yīng)用的電容值通常遠(yuǎn)小于此，當(dāng)分壓電容設(shè)計(jì)為220μF時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的中點(diǎn)電壓波動(dòng)及偏移。

中性點(diǎn)電壓波動(dòng)較大時(shí)，三電平逆變器不能穩(wěn)定運(yùn)行，基于穩(wěn)態(tài)條件計(jì)算的優(yōu)化PWM脈沖模式產(chǎn)生最小電流諧波畸變的條件不再滿足，此時(shí)低開(kāi)關(guān)頻率下基于優(yōu)化PWM的定子磁鏈軌跡跟蹤系統(tǒng)的性能會(huì)急劇下降。如圖1所示，當(dāng)沒(méi)有對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行控制時(shí)，中點(diǎn)電位波動(dòng)使得異步電機(jī)線電壓波形uAB出現(xiàn)明顯畸變，三相負(fù)載電流諧波畸變率大，造成三電平逆變器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

圖1 中點(diǎn)電位波動(dòng)時(shí)異步電機(jī)運(yùn)行波形

1.2 基于優(yōu)化PWM的中點(diǎn)電位控制特殊性

從空間矢量的角度來(lái)看，優(yōu)化PWM開(kāi)關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的大矢量使得對(duì)應(yīng)的輸出和正負(fù)母線相連，不會(huì)影響中點(diǎn)電壓；零矢量使得負(fù)載三相短路，并掛在正、負(fù)或零母線之一上，也不會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電壓的波動(dòng)。對(duì)于中矢量和小矢量則意味著三相負(fù)載的一相或者兩相被連接到中性點(diǎn)上，并經(jīng)過(guò)直流母線分壓電容C1和C2與正負(fù)母線形成電流回路，這將導(dǎo)致引起中點(diǎn)電壓波動(dòng)的中點(diǎn)電流，使得中點(diǎn)電位偏離平衡位置。

按照中點(diǎn)電流的正負(fù)極性，對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合為中小矢量進(jìn)行分類(lèi)。每對(duì)冗余小矢量輸出的線電壓相同，但引起的中點(diǎn)電流極性卻相反，對(duì)中點(diǎn)電位的影響也相反。由于中矢量引起的中點(diǎn)電流取決于負(fù)載相位，因此對(duì)于中矢量無(wú)法直接實(shí)施控制，可以通過(guò)調(diào)整冗余小矢量的作用時(shí)間以對(duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償[9]。表1給出了中小矢量與流經(jīng)中點(diǎn)電流的關(guān)系。

對(duì)于中矢量和小矢量，三相負(fù)載的一相或者兩相被連接到中性點(diǎn)，這將產(chǎn)生引起中點(diǎn)電壓波動(dòng)的中點(diǎn)電流inp。中矢量只有一相電流連接到中點(diǎn)，使得中點(diǎn)電位在一定程度上依賴于負(fù)載條件。假設(shè)在某一開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有一逆變器橋臂與中點(diǎn)電位點(diǎn)相連，此時(shí)這一橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為O，則對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流會(huì)流經(jīng)中點(diǎn)電位點(diǎn)，可得三電平

表1 中小矢量及相應(yīng)的中點(diǎn)電流

中點(diǎn)鉗位型(Neutral Point Clamped, NPC)逆變器中性點(diǎn)電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為

(1)

優(yōu)化PWM是基于電壓或電流THD最小的目標(biāo)函數(shù)來(lái)離線計(jì)算的。在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，調(diào)制器需要在每個(gè)采樣周期Ts內(nèi)將得到的PWM脈沖模式發(fā)送到逆變器。離線計(jì)算的N=7的優(yōu)化PWM脈沖在0～90°范圍內(nèi)，三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合如圖2所示。從圖2可看出，任意一個(gè)控制周期Ts內(nèi)，PWM波形并不像空間矢量調(diào)制中輸出電壓時(shí)序圖那樣具有嚴(yán)格的對(duì)稱性，因而通過(guò)定量計(jì)算中點(diǎn)電流與中點(diǎn)電位數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)精確調(diào)整控制中點(diǎn)電位很困難。

圖2 采樣周期Ts內(nèi)的三相優(yōu)化PWM波形

在基于優(yōu)化PWM的定子磁鏈軌跡跟蹤或模型預(yù)測(cè)磁鏈軌跡跟蹤控制系統(tǒng)中，離線計(jì)算的開(kāi)關(guān)角是需不斷依據(jù)消除磁鏈誤差的思路進(jìn)行調(diào)整的，尤其在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，調(diào)整幅度更大。當(dāng)對(duì)優(yōu)化開(kāi)關(guān)角進(jìn)行調(diào)整時(shí)，會(huì)重新組合出新的三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此時(shí)圖2中各相開(kāi)關(guān)狀態(tài)的相對(duì)作用順序和時(shí)間都可能會(huì)重新發(fā)生變化，這樣使得在每一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)定量計(jì)算控制中點(diǎn)電位幾乎不可能?？紤]到直流電容電壓的變化來(lái)自于優(yōu)化脈沖工作模式下流進(jìn)中點(diǎn)的電流，各相的不同開(kāi)關(guān)角切換形成了流進(jìn)中點(diǎn)電流的不同方向，對(duì)中點(diǎn)電壓的平衡具有不同效果。因此，在電機(jī)定子磁鏈的軌跡跟蹤控制中，需要將動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制的開(kāi)關(guān)角切換與中點(diǎn)電壓平衡聯(lián)系起來(lái)，在優(yōu)化模型中考慮電容電壓的波動(dòng)和偏移因素。

通過(guò)進(jìn)一步分析優(yōu)化PWM脈沖模式可知，在整個(gè)基波周期內(nèi)它都只采用了一半的小矢量，因而可以充分利用另一半冗余電壓矢量對(duì)中點(diǎn)電位相反的控制作用來(lái)平衡中點(diǎn)電位，即存在一定自由度可以用來(lái)控制中點(diǎn)電位。本文所研究的基于優(yōu)化PWM的中點(diǎn)電位控制策略就是充分利用這個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位控制的。

圖3給出了一個(gè)修正優(yōu)化PWM開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)平衡中點(diǎn)電位的示例說(shuō)明。假設(shè)在第k個(gè)采樣時(shí)刻，檢測(cè)系統(tǒng)的中點(diǎn)電壓、三相電流等信息。若中點(diǎn)電壓偏高，對(duì)于圖3(a)中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，只有OOP為表1中的冗余小矢量，可以用來(lái)平衡中點(diǎn)電位。若此時(shí)中點(diǎn)電流inp<0，表示電流流入中性點(diǎn)使中點(diǎn)電位升高，會(huì)使不平衡進(jìn)一步加劇。通過(guò)將OOP替換為與之線電壓相同的冗余小矢量NNO，如圖3(b)所示，它將會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電流流出中性點(diǎn)，使中點(diǎn)電位趨于平衡。但是，利用冗余電壓矢量對(duì)中點(diǎn)電位相反的控制作用來(lái)平衡中點(diǎn)電位的同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，使得開(kāi)關(guān)損耗增大。文獻(xiàn)[10]提出了利用最小開(kāi)關(guān)損耗脈沖寬度調(diào)制和載波移位脈沖寬度調(diào)制的混合調(diào)制策略來(lái)有效降低開(kāi)關(guān)損耗和控制中點(diǎn)電位。

圖3 優(yōu)化PWM脈沖的中點(diǎn)電位平衡修正

在每一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)根據(jù)前文所研究的新型中點(diǎn)電位平衡控制策略，將輸出的優(yōu)化PWM脈沖重組為具有中點(diǎn)平衡能力的PWM脈沖，就能夠控制中點(diǎn)電位處于平衡狀態(tài)。

2 新型中點(diǎn)電位平衡控制策略

2.1 基于優(yōu)化PWM的中點(diǎn)電位平衡控制系統(tǒng)

基于上述中點(diǎn)電位平衡控制的分析，采用優(yōu)化PWM的三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所給出。離線計(jì)算的優(yōu)化PWM經(jīng)過(guò)定子磁鏈軌跡跟蹤控制系統(tǒng)，消除定子磁鏈偏差后得到調(diào)整后的準(zhǔn)最優(yōu)PWM開(kāi)關(guān)序列uk。根據(jù)開(kāi)關(guān)序列uk與三相輸出電流計(jì)算中點(diǎn)電流，并判斷出中點(diǎn)電流方向，再通過(guò)滯環(huán)比較方式得到中點(diǎn)電壓偏向，由此判斷當(dāng)前PWM開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響。根據(jù)中點(diǎn)電位平衡控制器的平衡邏輯規(guī)則將開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk重新組合，使之有利于中點(diǎn)電位的平衡，產(chǎn)生門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug作用于三電平逆變器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，控制系統(tǒng)中點(diǎn)電位處于平衡狀態(tài)。

圖4 基于優(yōu)化PWM的新型中點(diǎn)電位控制框圖

鑒于離線計(jì)算的優(yōu)化PWM脈沖沒(méi)有充分利用三電平逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，存在一半未被充分利用的冗余小矢量，通過(guò)在調(diào)整后的優(yōu)化PWM脈沖中人為添加使中點(diǎn)電位向有益于平衡方向移動(dòng)的冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)，改善輸出的PWM脈沖對(duì)中點(diǎn)電位波動(dòng)的影響。冗余小矢量輸出的線電壓一致，僅僅是相應(yīng)的相電壓不同，從而導(dǎo)致中點(diǎn)電流的流向不同。充分利用此特性能夠在滿足線電壓不變的情形下對(duì)中點(diǎn)電位平衡產(chǎn)生有利的影響。

新型中點(diǎn)電位平衡策略的核心是砰砰控制，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、控制效果良好的優(yōu)點(diǎn)，與具體的PWM方式無(wú)關(guān)。該方法只對(duì)已生成的三相PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)重新進(jìn)行組合，具有廣泛適用性；缺點(diǎn)在于一組冗余小矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)更換時(shí)三相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)都要發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)短暫的過(guò)渡開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使得系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗增加，實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率與選取的中點(diǎn)電位滯環(huán)寬度有關(guān)。該方法是一種定性的調(diào)節(jié)方案，實(shí)際控制效果與負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)。

2.2 中點(diǎn)電位平衡控制策略

新型中點(diǎn)電位平衡控制的流程圖如圖5所示。根據(jù)三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合uk和三相輸出電流iA、iB和iC來(lái)判斷出中點(diǎn)電流方向，通過(guò)中點(diǎn)電位um遲滯比較得到中點(diǎn)電壓的偏向，由此判斷當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合uk對(duì)中點(diǎn)電位的影響。對(duì)于有利于中點(diǎn)電位平衡的電壓矢量uk，直接將它作用于三電平逆變器；對(duì)于不利于中點(diǎn)電位平衡的電壓矢量，則將三電平門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug用在表1中與uk線電壓相同、中點(diǎn)電流相反的冗余小矢量來(lái)替換，使之重新組合成為有利于中點(diǎn)電位平衡的新開(kāi)關(guān)狀態(tài)，最終達(dá)到使中點(diǎn)電位平衡的目的[11-12]。

圖5 中點(diǎn)電位平衡控制流程圖

具體的實(shí)現(xiàn)步驟可描述如下：

(1) 判斷是否啟用中點(diǎn)電位平衡策略，當(dāng)輸出三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk組合為表1中的小矢量時(shí)才啟用算法。否則直接輸出門(mén)極信號(hào)ug=uk。

(2) 根據(jù)式(1)計(jì)算當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk產(chǎn)生的中點(diǎn)電流inp，判斷其對(duì)中點(diǎn)電位的影響。定義sign(inp)=1時(shí)表示中點(diǎn)電流inp流出中性點(diǎn)，使中點(diǎn)電位降低；sign(inp)=0時(shí)表示中點(diǎn)電流inp流入中性點(diǎn)，使中點(diǎn)電位降升高。sign(inp)取值規(guī)則為

(2)

(3) 將采樣所得的實(shí)際中點(diǎn)電壓um與Udc/2遲滯比較判斷中點(diǎn)電位的偏移方向。圖6為um遲滯比較示意圖。圖6中Udc為直流母線電壓，h為中點(diǎn)電壓滯環(huán)寬度，sign(um)為中點(diǎn)電位遲滯比較輸出。定義sign(um)=-1表示中點(diǎn)電壓小于滯環(huán)允許范圍，需要對(duì)中性點(diǎn)進(jìn)行充電，使之升高；sign(um)=0表示中點(diǎn)電壓在滯環(huán)允許范圍內(nèi)，不需要對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行額外控制；sign(um)=1表示中點(diǎn)電壓大于滯環(huán)允許范圍，需要對(duì)中性點(diǎn)進(jìn)行放電，使之降低。取值規(guī)則為

(3)

圖6 中點(diǎn)電位遲滯比較示意圖

(4) 依據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk是否有利于中點(diǎn)電位平衡來(lái)選擇產(chǎn)生發(fā)送到逆變器的PWM門(mén)極信號(hào)ug。用標(biāo)志位S來(lái)表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk對(duì)中點(diǎn)電位的影響，開(kāi)關(guān)狀態(tài)標(biāo)志位S取值規(guī)則如表2所示。如果標(biāo)志位S=1時(shí)，則表示當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk有利于中點(diǎn)電位平衡或者檢測(cè)到的中點(diǎn)電位在允許范圍內(nèi)；如果標(biāo)志位S=0時(shí)，則表示當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk會(huì)使中點(diǎn)電位不平衡進(jìn)一步加劇，不利于中點(diǎn)電位平衡。根據(jù)標(biāo)志位S的取值來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk，選擇產(chǎn)生何種門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug。表3給出了開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk的調(diào)整規(guī)則，標(biāo)志位S=1時(shí)有利于中點(diǎn)電位平衡或中點(diǎn)電位在允許范圍內(nèi)，不需要對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直接把當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk作為門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug發(fā)送到逆變器；標(biāo)志位S=0時(shí)需要將uk調(diào)整為表1中相對(duì)應(yīng)的冗余小矢量，使之成為有利于中點(diǎn)電位平衡的新開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，然后作為門(mén)極信號(hào)ug發(fā)送到逆變器。

表2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)標(biāo)志位取值規(guī)則

表3 開(kāi)關(guān)狀態(tài)uk的調(diào)整規(guī)則

3 仿真研究

本文利用MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)仿真模型對(duì)控制策略進(jìn)行了性能評(píng)估。仿真中三電平逆變器驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)額定功率4kW，額定電流8.5A，直流母線電壓Udc=540V，直流分壓電容C1=C2=220μF，控制周期為500μs，系統(tǒng)控制方式為基于優(yōu)化PWM的磁鏈軌跡跟蹤閉環(huán)控制。仿真條件為電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，在t=0.8s之前沒(méi)有施加中點(diǎn)控制，之后加入本文研究的中點(diǎn)電位平衡控制策略。

圖7和圖8分別給出了異步電機(jī)運(yùn)行基波頻率f為25Hz、調(diào)制比為0.5和基波頻率f為33Hz、調(diào)制比為0.66時(shí)的異步電機(jī)線電壓、中點(diǎn)電壓波動(dòng)、三相電流及PWM相電壓的運(yùn)行波形。圖7、圖8中t=0.8s之前沒(méi)有施加中點(diǎn)控制，之后加入控制，由此比較了中點(diǎn)電壓波動(dòng)情況。由圖7、圖8可看出，未施加控制之前中點(diǎn)電位有較大波動(dòng)或者偏移，加入了中點(diǎn)控制算法后，電容電壓不平衡現(xiàn)象得到了有效抑制，驗(yàn)證了新型中點(diǎn)電位平衡控制策略的正確性和有效性。圖8(e)給出了逆變器相電壓的局部放大圖。由圖8(e)可看出加入中點(diǎn)平衡控制后系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)有所增加，使得三電平系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗增大。

圖7 中點(diǎn)電位平衡控制仿真結(jié)果(f=25Hz，M=0.5)

圖8 中點(diǎn)電位平衡控制仿真結(jié)果(f=33Hz，M=0.66)

圖9為系統(tǒng)運(yùn)行于基波頻率40Hz、調(diào)制比為0.8時(shí)的波形。由圖9可看出在0.8s之后加入控制，此時(shí)中性點(diǎn)非完全可控，只能在一定程度上削弱中點(diǎn)電位波動(dòng)。結(jié)果表明，在調(diào)制比較高時(shí)，中點(diǎn)電位控制算法對(duì)中點(diǎn)波動(dòng)的抑制效果降低，但由于優(yōu)化PWM特殊性，此時(shí)負(fù)載電流波形較好。圖10表明優(yōu)化PWM模式的中點(diǎn)電位控制效果隨著電機(jī)負(fù)載大小變化而不同。對(duì)電機(jī)而言負(fù)載轉(zhuǎn)矩越低，其功率因數(shù)越小，這說(shuō)明控制效果在滿載時(shí)最佳。

圖9 中點(diǎn)電位平衡控制仿真波形(f=40Hz，M=0.8)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)NPC三電平逆變器異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在采用優(yōu)化PWM模式的高性能閉環(huán)調(diào)速中出現(xiàn)的中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題，給出了一種與具體的優(yōu)化PWM模式無(wú)關(guān)的新型中點(diǎn)電壓控制策略。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制的有效性?；趦?yōu)化PWM的中點(diǎn)電位閉環(huán)控制會(huì)增加系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)次數(shù)，使得三電平系統(tǒng)開(kāi)關(guān)損耗增大，可以通過(guò)設(shè)定滯環(huán)寬度來(lái)協(xié)調(diào)。在實(shí)際

圖10 不同負(fù)載條件下的線電壓和中點(diǎn)電位(f=33Hz)

應(yīng)用中需要在中點(diǎn)電位波動(dòng)抑制效果和開(kāi)關(guān)損耗增加這兩方面進(jìn)行折衷考慮。

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Research on Neutral Point Potential Balance Control Based on Optimal PWM*

LINHongmin,SONGWenxiang,JIANGShuhao

(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

With the problem of neutral point potential fluctuation in three level inverter using the optimal PWM mode, a neutral point voltage control strategy was given, which was independent of the specific PWM mode, so that the neutral point potential could be moved in the opposite direction of the imbalance to stable neutral point voltage. The closed loop control system based on the stator flux trajectory tracking was combined with this new neutral point potential balancing strategy to make the effective suppression of capacitor voltage fluctuation and offset come true. Due to the research of the control method from the angle of space voltage vector, the optimization of PWM was widely applicable. In the end, the proposed control method was simulated and verified in detail which could eliminate the variation of neutral point potential effectively.

optimal PWM; neutral point potential fluctuation; balancing strategy; flux trajectory tracking

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377102)

林宏民(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q與電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

宋文祥(1973—)，男，博士研究生，教授，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制及應(yīng)用和新型電力電子變換。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)10- 0039- 07

2016-04-11