周 成，程 晨，楊輝軍，謝 芳

1.安徽國際商務職業(yè)學院信息服務系，合肥，231131；2.安徽大學工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥，230601

基于DSP的三電平空間矢量算法仿真與實驗

周 成1，程 晨1，楊輝軍1，謝 芳2

1.安徽國際商務職業(yè)學院信息服務系，合肥，231131；2.安徽大學工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥，230601

為了解決NPC三電平中點電容電壓的不均衡問題，得到很好的電流波形，使用基于虛擬空間矢控制方法，采用IGBT為主開關(guān)器件搭建了三電平逆變器系統(tǒng)平臺，利用MATLAB/Simulink對中點電壓均衡控制的效果進行了仿真研究。通過仿真和實驗驗證了此控制方案具有很好的實際效果。

三電平NPC逆變器；中點電壓平衡；虛擬空間矢量控制

如果逆變器的中點電容電壓不均衡，則會造成不正常的電流輸出。為了改進電機的運行效率，保證電機的可靠運行，避免電機震蕩發(fā)出很大噪音，消除對交流傳動裝置的破壞作用，必須處理好NPC三電平逆變器中點電容電壓的均衡問題[1-2]。NPC三電平逆變器因其本身拓撲結(jié)構(gòu)的制約，存在中點電容電壓不均衡這一固有問題，國內(nèi)外許多學者長期關(guān)注和研究這一問題，并給出了諸多的解決方案[3-8]。本文利用基于虛擬空間矢量的控制算法，實現(xiàn)對中點電壓的有效控制，通過仿真，驗證了算法的有效性，并進行了實驗驗證。

1 虛擬空間矢量算法原理

三電平逆變器都存在中點電壓平衡問題，為了更好抑制中點偏移對輸出電流的影響，采用虛擬空間矢量控制方法。由于零矢量和大矢量不影響中點電壓，只有中矢量和正、負小矢量影響中點電壓，所以虛擬空間矢量的零矢量和大矢量保持不變，只對中矢量和小矢量進行線性組合，生成虛擬的中矢量和小矢量。將中矢量的一部分分解為鄰近的小矢量，保留原中矢量的一部分，這樣，不僅增強了小矢量對中矢量的補償作用，也減少了中矢量對重點電壓平衡性的影響。中點電壓均衡控制的目的是在一個TS 內(nèi)使經(jīng)過中點的電流均值為零，在TS內(nèi)中點電壓變化為零[9-10]。圖1以第一扇區(qū)為例計算各虛擬矢量。

虛擬小矢量的算法：位于同一位置的一對正負小矢量分別為POO和ONN，對應電流分別是-ia和ia，將POO和ONN進行線性組合，使兩者作用時間相同，虛擬出一個小矢量，VZS1=1/2*VS1(POO)+1/2*VS1(ONN)，當虛擬小矢量作用時，流經(jīng)中線的平均電流為零。同理小矢量VZS2可由PPO、OON通過線性組合獲得，容易證實VZS1與POO或者OON位置重合，VZS2與PPO或者OON位置重合。

在圖1(b)中的α/β坐標系中，設α軸為0°,逆時針方向依次為Ⅰ～Ⅳ扇區(qū)，如表1所示。

使用Vα、Vβ值來判定Vref所在扇區(qū)，以下為具體算法：

(1)若Vβ>0,則A=1，否則A=0；

圖1 三電平逆變器的虛擬空間矢量圖

表1 空間電壓矢量扇區(qū)劃分

為了便于編程和仿真的實現(xiàn)，取中間變量N=A+2B+4C(N=1～6)，則N與所在扇區(qū)S的對應關(guān)系如表2所示。

表2 N與扇區(qū)S的對應關(guān)系

根據(jù)矢量合成原理，首先確定參考矢量所在扇區(qū)，再選擇最近的三個虛擬矢量進行矢量合成。圖1(a)表示6個扇區(qū)中第1扇區(qū)的矢量及其占空比分配圖，將扇區(qū)分為5個區(qū)域，如圖1中的1～5共5個小三角形區(qū)域。由線性組合可知，在三角形1中，滿足式：

(1)

設調(diào)制度為：

(2)

(3)

其他各三角形區(qū)域的判斷與此相同。表3給出了5個三角形的分區(qū)判斷。表4給出了在一個開關(guān)切換周期T內(nèi)第Ⅰ扇區(qū)下所有區(qū)域中選擇的矢量，是在先判定出矢量所在區(qū)域后，依據(jù)虛擬空間矢量的鄰近三矢量合成規(guī)則獲得。其余扇區(qū)以此類推。定義：

表3 區(qū)域判斷規(guī)則

表4 第一扇區(qū)每個小三角形矢量選擇表

2 仿真和實驗驗證

圖2 中點電壓不平衡的仿真模型

為了驗證在中點電壓不平衡時，采用虛擬空間矢量控制算法仍可以得到高質(zhì)量的輸出線電壓與線電流波形，采用MATLAB/Simulink仿真軟件，以IGBT為主開關(guān)器件搭建了三電平NPC逆變器模型，仿真中點電壓嚴重不均衡時的情形[11-12](圖2)，并把傳統(tǒng)三電平SVPWM控制和采用虛擬空間矢量控制的結(jié)果進行了對比。在電容C2上并聯(lián)放電電阻R1來模擬中點電壓不平衡。比較圖3和圖4的仿真波形可以看出，在中點出現(xiàn)嚴重的不平衡時，傳統(tǒng)的空間矢量控制輸出的線電流、線電壓和相電壓均出現(xiàn)嚴重的畸變，而采用虛擬空間矢量控制時，輸出的相電壓雖然出現(xiàn)不對稱，但輸出的線電壓和線電流是對稱的，且輸出電流波形的正弦度很好。

圖3 傳統(tǒng)矢量控制中點電壓不平衡時仿真結(jié)果

圖4 虛擬空間矢量控制中點電壓不平衡仿真結(jié)果

為驗證上述算法中點電壓實際控制效果，用英飛凌公司的IGBT(型號FF900R12IP4D)搭建逆變橋,主控芯片采用DSP28335，驅(qū)動信號經(jīng)4245電平轉(zhuǎn)換后再經(jīng)IXDP630/631(死區(qū)時間控制器)產(chǎn)生dead-time后，再反相后送給驅(qū)動電路。IXDP630/631還兼有保護功能，E_R、E_S、E_T分別封鎖單相脈沖，OUT_E同時封鎖三相脈沖。系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示。運行頻率f=50 Hz,采樣周期TS=556 μs,負載拖動30 kW電機時進行實驗。

圖5 實驗室三電平NPC逆變器系統(tǒng)原理框圖

圖6是采用Tektronix數(shù)字示波器實測的虛擬SVPWM方法的逆變器輸出線電壓波形、相電流波形。從實測的波形可以明顯看出，使用虛擬空間矢量控制算法后輸出的線電壓和線電流是對稱的，中點電壓控制效果很好，且輸出電流波形的正弦度很好。

仿真參數(shù)：直流電壓Udc=500 V，R1=50000 Ω,電容C1=C2=1000 μF。

圖6 實驗平臺輸出線電壓和相電流波形

3 結(jié) 論

目前，三電平逆變器因其突出的優(yōu)點而成為研究的熱點，但由于直流側(cè)電容中點電壓不平衡問題,在一定程度上限制了其應用。本文采用虛擬空間矢量控制算法對中點電壓進行了有效的控制，使在中點電壓不平衡的條件下，仍然可以輸出較好的線電壓和相電流波形，比傳統(tǒng)空間矢量控制更具有優(yōu)越性。該方法的不足之處是增加了功率器件的開關(guān)次數(shù)，給裝置散熱增加了一定的負擔。VSVPWM控制方法的有效性通過仿真研究和實驗結(jié)果均得到了驗證。

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(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.01.027

2016-08-25

安徽大學博士科研啟動經(jīng)費(J01001961)；安徽省教育廳自然科學研究重點項目“EV車用電機預測控制方法研究”(KJ2014A019)；安徽教育廳自然科學研究一般項目“基于子空間旋轉(zhuǎn)不變性的電力信號時頻分析方法研究”(2016XJZK02)。

周成(1983-)，安徽合肥人，碩士，助教，研究方向：電力電子技術(shù)。

TM464

A

1673-2006(2017)01-0101-04