曹國鋒　王然風　孟潤泉

摘 要： 三電平逆變電路普遍存在中點電位不平衡的問題，中點電位的不平衡主要體現(xiàn)在兩個方面：中點電位偏移和中點電位波動?；趥鹘y(tǒng)的SVPWM算法，通過分析造成中點電位不平衡的原因，提出了前饋控制+反饋控制的綜合控制策略。該方法通過采集兩個電容電壓和三相負載電流的實時值，通過切換函數(shù)的不同值來選擇不同的控制策略，從而實現(xiàn)對中點電位平衡的綜合控制。仿真實驗證明了此綜合控制策略控制精度高，并且不會出現(xiàn)中點電位偏移的問題，很好地控制了中點電位的平衡，彌補了在只有反饋控制策略下電壓波動幅值較大的缺點，達到了很好的效果。

關鍵詞： 三電平逆變器； 中點電位； 平衡控制； SVPWM算法

中圖分類號： TN710?34； TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）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

在三電平逆變電路中，每個主開關器件在關斷時承受的電壓僅僅等于直流側電壓的一半，這使得它廣泛地應用于高壓大容量的場合，并且由于三電平逆變電路增加了輸出的電平數(shù)，使輸出的電壓波形更接近正弦波，因此輸出電壓的諧波含量減少了很多，同時也降低了輸出電壓的跳變。但是三電平逆變電路也存在一些問題，例如：控制算法的復雜性增加以及普遍存在的中點電位不平衡等問題。中點電位的不平衡會使電路中IGBT的耐壓裕度大大降低，同時還會使輸出電壓波形畸變等，所以研究控制三電平逆變電路的中點電位平衡尤為重要。

控制中點電位平衡的方案可以分為硬件方案和軟件方案?；谟布桨竿ǔＰ枰黾宇~外的電源，增大電容等，這通常會增大逆變器的體積、增加硬件成本，所以常采用軟件方案；軟件方案主要在于改變控制策略。國內外學者對中點電位不平衡的問題進行了很多研究。文獻[1?3]提出了滯環(huán)控制策略，當中點電位超出所設置的滯環(huán)區(qū)間時，通過切換短矢量組合來達到平衡中點電位的目的，該控制方法控制簡單，但是存在控制盲區(qū)。文獻[4?5]提出了精確控制策略，能很好地解決中點電位偏移的問題，但是電壓波動幅值仍需改善。文獻[6?7]提出了模糊控制策略，實際效果較好，但是控制算法較復雜。文獻[8?9]提出了虛擬空間矢量控制策略，該控制在每個采樣周期內的開關損耗較大，開關頻率較高。

為了彌補上述中反饋控制的不足，基于中點電位平衡控制理論基礎，提出了前饋控制+反饋控制的綜合控制策略。此綜合控制策略通過切換函數(shù)的不同值來切換選擇不同的控制策略，進而實現(xiàn)對中點電位的平衡控制。此綜合控制可以有效地消除前饋控制策略中由于存在控制盲區(qū)而造成的中點電位偏移，同時也改善了在反饋控制策略中，存在中點電位控制精度低、波動幅值大的問題，具有很重要的工程意義。

1 中點電位不平衡的理論分析

圖1為三電平逆變電路圖，采用的是SVPWM控制法，其開關狀態(tài)可用圖2所示的空間矢量圖表示。在空間矢量圖中以PNN為起始沿逆時針將其等分成6個扇區(qū)，如圖3所示將每個扇區(qū)劃分為6個小三角形。

本文以第一扇區(qū)為例說明，如圖3所示?；趥鹘y(tǒng)的SVPWM算法，當參考矢量位于第一扇區(qū)的第5個小三角形中時，合成參考電壓矢量時需要選[VS1]，[VL1]，[VM]三個基本矢量。endprint

在實現(xiàn)三電平SVPWM算法中，如表1所示，不同的基本矢量和開關狀態(tài)對中點電流會造成不同的影響，同時也必然會引起中點電位變化。

2 中點電位平衡控制策略

2.1 前饋控制策略

事實上，造成中點電位不平衡最重要的原因是在一個控制周期內流入和流出中點的總電荷量不守恒。所以基于上述理論，若要實現(xiàn)中點電位平衡，就要保證每個控制周期內流入和流出中點的總電荷量等于零。

以第一扇區(qū)為例，假設當參考矢量在第一扇區(qū)的第5個小三角形中時，其開關序列、中點電流、中點電流的作用時間對應圖如圖4所示。

所以在一個控制周期內流入中點的總電荷量為：

[ΔQ=ia×T1×2k-1+ib×T3] （1）

式中：[ia]，[ic]分別為三相負載電流；k為起始矢量的占空比。

為了控制中點電位平衡，需使[ΔQ=0]來求取分配因子k。k的取值范圍為[0，1]，當k≥1時，取k=1；當k≤0時，取k=0。

所以在中點電位的平衡控制中，冗余小矢量對的時間分配因子k不僅受平衡條件制約，還受約束條件[0，1]制約。如果用平衡條件所求的分配因子在約束條件[0，1]內，則冗余小矢量對的作用時間通過此分配因子的調整，可以保證一個控制周期內的中點電位平衡。如果用平衡條件所求的分配因子不在約束條件[0，1]內，則冗余小矢量對的作用時間通過此分配因子的調整，不能保證一個控制周期的中點電位平衡。此時只能取上述約束條件的上下限，保證盡量少的電荷量流入到中點。這時中點電位的平衡控制就會存在誤差，并且多個周期的誤差進行積累后，會造成中點電位偏移。

綜述所述，前饋控制精度較高，但一段時間后中點電位會出現(xiàn)偏移。并且在以后的控制周期中，前饋控制策略不具有將中點電位拉回到平衡點的能力。

2.2 反饋控制策略

反饋控制策略是通過實時采樣電容電壓和三相負載電流，來對冗余小矢量對的時間進行實時分配調整，使中點電位在每個控制周期[TS]內都盡可能地向平衡點靠攏，從而對中點電位進行平衡控制。

如果一個控制周期內，測得兩個電容電壓分別為[UC1]，[UC2]，則直流側電容電壓偏差值為：

為了抵消造成電容不平衡的電荷，需在下個控制周期[TS ]內，控制流入到直流側中點電荷量為：

其余扇區(qū)和小三角形通過同樣的方法來求取分配因子。

在反饋控制策略中，每個控制周期都對電容電壓和負載電流進行實時采樣，然后通過計算對冗余小矢量對的作用時間進行實時分配，以達到中點電位平衡的目的。實際情況由于電流和電壓的不同相，以及采樣延遲等因素，使得反饋控制策略能夠有效地消除中點電位的偏移問題，但中點電位控制精度低、波動大，在實際應用中其控制優(yōu)勢得不到很好的發(fā)揮。

2.3 前饋控制+反饋控制的綜合控制策略

根據(jù)上述分析可知，前饋控制策略的控制精度高，但是存在中點電位偏移的問題，而反饋控制策略的中點電位波動幅值較大，但該控制能夠消除中點電位偏移的問題。本文在此基礎上，通過對兩種控制策略的優(yōu)化，提出了一種前饋控制+反饋控制的綜合控制策略，如圖5所示。

構造函數(shù)[FU=UC1-UC2-Us]，[ Us]為前饋控制策略的波動幅值，切換函數(shù)為：

[FU=1， fU≥0-1， fU<0] （6）

通過切換函數(shù)的不同值來選擇不同的控制策略，當切換函數(shù)[FU=-1]時，選擇前饋控制策略用以保證控制精度。當切換函數(shù)[FU=1]時，切換選擇反饋控制策略用以消除中點電位的偏移。圖6為兩種控制策略的切換圖。

3 仿真分析

為了驗證此綜合控制策略的有效性，用Simulink仿真軟件搭建仿真模型，并進行模擬試驗。仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)直流側電壓為720 V，電容[C1=C2=400 μF]，三相對稱負載電阻值為30 Ω，電感值為66 mH，系統(tǒng)輸出頻率[f=50 Hz]，載波頻率[fs=16 kHz]，仿真結果如圖7所示。

圖7給出了前饋控制中點電位波形圖，中點電位波動幅值為1.7 V，前饋控制的控制精度較高，但是在一段時間后中點電位會出現(xiàn)偏移。通過曲線擬合可以看出，在0.2 s時中點電位偏移幅值達4.5 V；圖8給出了反饋控制中點電位波形圖，中點電位波動幅值達到2.8 V，但是沒有出現(xiàn)中點電位偏移的問題。

圖9給出了前饋控制+反饋控制的綜合控制策略的中點電位波形圖，該控制策略彌補了反饋控制策略下電壓波動幅值較大的缺點，中點電位波動幅值控制在1.5 V，比精確控制電壓波動幅值減小了46%，并且不會出現(xiàn)中點電位偏移的現(xiàn)象。

圖10～圖12分別給出了三種控制策略下輸出線電壓總諧波失真。前饋控制策略下輸出線電壓總諧波失真達到了40.45%，反饋控制策略下輸出線電壓總諧波失真為40.06%，而前饋+反饋的綜合控制策略下輸出線電壓總諧波失真僅為40.01%。

4 結 語

三電平逆變電路中，中點電位不平衡會使電路中IGBT的耐壓裕度大大降低，影響逆變電路的性能，同時還會使輸出電壓波形畸變等，所以研究控制三電平逆變電路中點電位平衡尤為重要。本文通過對控制策略的優(yōu)化，提出了前饋+反饋的綜合控制策略，能夠更好地抑制中點電位不平衡，并通過仿真實驗驗證該控制策略是有效的。

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