葛洪勇，胡 冰，張利軍，崔曉光，邵春偉

(中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266031)

0 引 言

三電平牽引變流器中性點電壓平衡方法有硬件和軟件控制兩方面:硬件控制會增加硬件成本，一般不采用；軟件方法[1-2]主要是注入零序分量，滯環(huán)控制比較粗糙，容易導(dǎo)致輸出電流諧波含量變大，主動控制在中性點偏移電壓不存在影響時也會一直調(diào)整，比較繁瑣?；谔摂M控制矢量[3-4]的中性點電壓平衡方法會導(dǎo)致功率管開關(guān)次數(shù)增加，增加器件損耗和溫升，實際系統(tǒng)往往不可取。

感應(yīng)電機無傳感器矢量控制[5]中位置角度的觀測對控制效果影響明顯，電壓模型[6]的轉(zhuǎn)速觀測方法易受數(shù)學(xué)模型以及干擾噪聲等因素的影響。模型參數(shù)自適應(yīng)觀測方法[7-9]實現(xiàn)了估算轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)抗擾動能力得到加強，但不同觀測模型各有優(yōu)缺點。死區(qū)效應(yīng)[10-11]嚴(yán)重影響變頻器輸出電壓和負(fù)載電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動和諧波，因此需要研究三電平二極管鉗位型(NPC)牽引變流器的死區(qū)補償方法。

針對三電平NPC牽引變流器在感應(yīng)電機無傳感器矢量控制中的應(yīng)用，本文基于空間矢量調(diào)制算法(SVPWM)，通過引入大小不同的中性點電壓偏移閾值，在不同的閾值下對矢量作用時間采用滯環(huán)控制和主動控制相結(jié)合的方法，解決了中性點電壓平衡問題；在全階磁鏈狀態(tài)觀測器獲取電機轉(zhuǎn)速信息基礎(chǔ)上，優(yōu)化矢量控制中電流內(nèi)環(huán)控制架構(gòu)，并對死區(qū)補償策略進(jìn)行分析研究，提出了基于三電平NPC牽引變流器的無傳感器矢量控制策略。

1 中性點平衡策略

三電平NPC牽引變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，Udc為直流供電，C1和C2為均壓電容，O點為中性電位點，每相橋臂存在4個可控功率管。以O(shè)點為零電位的參考點，每個橋臂就只有Udc/2，0和-Udc/2三種可能得到的輸出電平，分別記為正(P)、零(0)和負(fù)(N)三種狀態(tài)。

圖1 三電平NPC牽引變流器主電路原理圖

根據(jù)兩電平空間矢量調(diào)制方式，α，β矢量平面的六邊形可以被分為6個大扇區(qū)，從α軸開始，按照逆時針方向，6大扇區(qū)分別命名為Ⅰ～Ⅵ，在每個大扇區(qū)中，考慮電平狀態(tài)又劃分為若干的小區(qū)域，得到三電平SVPWM的空間矢量圖，如圖2所示。標(biāo)號Ⅰ～Ⅵ對應(yīng)6個大扇區(qū)，每個大扇區(qū)內(nèi)又劃分成6個小區(qū)域，標(biāo)號1～6對應(yīng)每個大扇區(qū)內(nèi)的6個小區(qū)域。

圖2 三電平SVPWM扇區(qū)劃分圖

針對每個大扇區(qū)內(nèi)的小區(qū)域，在開關(guān)周期TS中，按照七段式電壓矢量合成原則，電壓空間矢量作用的時間和順序如表1所示。

表1 SVPWM發(fā)波順序及時間

其中，負(fù)小矢量作用時，電流從中性點流出，進(jìn)而使中性點電位降低；正小矢量作用時，電流流入中性點，進(jìn)而使中性點電位升高。根據(jù)正、負(fù)小矢量在參與參考電壓空間矢量合成時對中性點電壓作用相反的特點，引入小矢量調(diào)節(jié)因子，電壓最大程度地保持在中性點附近。具有調(diào)節(jié)因子的發(fā)波時間和順序如表2所示。

表2 具有調(diào)節(jié)因子的SVPWM發(fā)波順序及時間

傳統(tǒng)滯環(huán)控制中調(diào)節(jié)因子k只取-1、0 、1，因此正、負(fù)小矢量的切換幅度較大，輸出電流的諧波含量較大，影響了電能質(zhì)量。本文引入大小不同的中性點電壓偏移閾值，在不同的閾值下對正、負(fù)小矢量作用時間采用主動和滯環(huán)相結(jié)合的控制方法，使中性點平衡調(diào)節(jié)得更加快速準(zhǔn)確。

設(shè)定中性點電壓偏移值為ΔUdc=Udc1-Udc2，Udc1，Udc2分別為C1和C2兩端電壓，閾值設(shè)置為ΔUdc1和ΔUdc2，且存在ΔUdc1<ΔUdc2，調(diào)節(jié)k值。

當(dāng)|ΔUdc|≤ΔUdc1時，k=0，即無需調(diào)節(jié)。

當(dāng)ΔUdc1<|ΔUdc|≤ΔUdc2時，再進(jìn)行判斷：若ΔUdc1<ΔUdc≤ΔUdc2，則需要減少負(fù)小矢量作用時間，k由母線電壓偏差PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生，并限制幅值為-1～0之間。若-ΔUdc2≤ΔUdc<-ΔUdc1，則需要增加負(fù)小矢量作用時間，k由母線電壓偏差的PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生，輸出限制幅值為0～1之間。

當(dāng)|ΔUdc|>ΔUdc2時，說明中性點電位偏移較嚴(yán)重，再進(jìn)行判斷:若ΔUdc>ΔUdc2，k=-1；若-ΔUdc2>ΔUdc，k=1。

進(jìn)而得到調(diào)節(jié)因子k的計算公式：

(1)

2 無傳感器矢量控制策略

采用全階磁鏈狀態(tài)觀測器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估算，并優(yōu)化電流內(nèi)環(huán)控制架構(gòu)，分析三電平SVPWM死區(qū)補償策略，得到感應(yīng)電機無傳感器矢量控制策略。

2.1 轉(zhuǎn)速估算及電流內(nèi)環(huán)優(yōu)化

針對感應(yīng)電機控制模型，選取定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量，建立感應(yīng)電機狀態(tài)空間方程：

(2)

通過反饋增益矩陣建立基于電機數(shù)學(xué)模型的全階磁鏈狀態(tài)觀測器，其表達(dá)式：

(3)

采用PI形式估算轉(zhuǎn)速：

(4)

轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略中，在不考慮耦合項的情況下，MT軸電流內(nèi)環(huán)一般通過PI調(diào)節(jié)，即：

(6)

控制系統(tǒng)中存在的PI環(huán)有轉(zhuǎn)速環(huán)、轉(zhuǎn)速估算環(huán)、MT軸電流環(huán)，基速以上還存在弱磁環(huán)，各個控制環(huán)節(jié)之間會存在相互耦合的現(xiàn)象，導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)控制裕度相對較小，控制參數(shù)不易調(diào)試，常出現(xiàn)在某一轉(zhuǎn)速段具有較好的控制效果，但當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)入另一區(qū)域后，控制效果變差甚至失控。本文在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，根據(jù)感應(yīng)電機數(shù)學(xué)模型，得到新的電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)字實現(xiàn)模型。

在轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略下，可得到M,T軸定子電壓方程：

(7)

感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子磁場建立后，在較短的開關(guān)周期內(nèi)M軸電流幾乎不變，認(rèn)為ψr=LmisM，可以得到簡化定子電壓方程：

(8)

實際系統(tǒng)中，微分項作用和比例環(huán)節(jié)一致，進(jìn)而得到M,T軸參考電壓數(shù)學(xué)模型：

(9)

這樣電流內(nèi)環(huán)只需要調(diào)節(jié)K1、K2，并且根據(jù)感應(yīng)電機電流內(nèi)環(huán)數(shù)學(xué)模型和電機參數(shù)，可以得到K1、K2的理論計算值，再根據(jù)實際系統(tǒng)控制效果進(jìn)行微調(diào)試即可。

2.2 三電平SVPWM死區(qū)補償

對于無傳感器矢量控制系統(tǒng)中磁鏈觀測器的設(shè)計，通常用參考電壓代替輸出電壓，當(dāng)兩者存在偏差時將導(dǎo)致磁鏈、轉(zhuǎn)速信息估算不準(zhǔn)確，影響控制性能，尤其是零低速工況。因此需要進(jìn)行合理的死區(qū)補償，保證輸出電壓和參考電壓的一致性。

在三電平NPC牽引變流器中，每相橋臂都存在4個功率開關(guān)器件，由兩路調(diào)制信號和載波比較產(chǎn)生。設(shè)定Sk1和Sk3由一路調(diào)制波T1kcmp和載波比較產(chǎn)生，互補開通；Sk2和Sk4由另一路調(diào)制波T2kcmp和載波比較產(chǎn)生，互補開通。互補開通存在死區(qū)時間，根據(jù)電流ik的方向，分析死區(qū)影響，其中k表示a，b，c三相中的一個。

規(guī)定流向負(fù)載側(cè)的方向為正方向，以a相橋臂為例，分析死區(qū)時間影響如圖3所示。

圖3 三電平牽引變流器死區(qū)影響

設(shè)置死區(qū)時間為Td，開關(guān)周期為Ts，三角載波變化規(guī)律為-1→1→-1，則調(diào)制波上死區(qū)補償值：

(10)

圖3僅分析輸出電平在Udc/2和0之間切換工況，同理可知，輸出電平在-Udc/2和0切換工況。考慮電流方向、電平切換條件和計數(shù)方向，得到三電平SVPWM死區(qū)補償公式如表3所示。

表3 三電平SVPWM調(diào)制波死區(qū)補償

根據(jù)上述分析，可以得到三電平NPC牽引變流器的感應(yīng)電機無傳感器矢量控制框圖，如圖4所示。

圖4 無傳感器矢量控制框圖

3 仿真和實驗驗證

3.1 仿真分析

為了驗證本文所提控制策略的有效實用性，選取150kW感應(yīng)電機電氣參數(shù)如表4所示。搭建基于三電平NPC牽引變流器硬件拓?fù)涞臒o傳感器矢量控制仿真模型，對控制策略進(jìn)行驗證。

表4 感應(yīng)電機電氣參數(shù)

設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 480r/min，4s時加載至50%額定轉(zhuǎn)矩，6s時加載至100%額定轉(zhuǎn)矩，圖5為滯環(huán)控制和本文中性點平衡控制策略的對比。可見，本文控制策略動態(tài)調(diào)整快，能夠保證很小的中性點偏移電壓。圖6、圖7、圖8為三電平牽引變流器無傳感器矢量控制中轉(zhuǎn)速觀測及閉環(huán)跟蹤、定子端電流及輸出轉(zhuǎn)矩、額定負(fù)載工況時定子端電壓及電流的仿真波形?？梢?，全階磁鏈狀態(tài)觀測器設(shè)計有效，轉(zhuǎn)速觀測誤差在±3r/min內(nèi)，矢量控制動、靜態(tài)效果良好，滿足工程實用和產(chǎn)品技術(shù)需求。

(a) 滯環(huán)控制

圖6 轉(zhuǎn)速觀測及轉(zhuǎn)速閉環(huán)跟蹤

圖7 定子端電流及輸出轉(zhuǎn)矩

(a) 定子端脈沖電壓

3.2 實驗分析

在電機實驗臺上驗證三電平NPC牽引變流器無傳感器矢量控制策略，通過DSP28335實現(xiàn)控制算法。圖9為額定轉(zhuǎn)速、額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩工況定子端電流。可見，額定工況控制效果良好。圖10為電機零速帶載80%額定轉(zhuǎn)矩起動過程波形?？梢?，帶載動態(tài)過程運行平穩(wěn)，無電流沖擊。圖11為堵轉(zhuǎn)工況，變流器帶電機限流運行波形。可見，觀測器零低速觀測效果良好，實驗驗證了本文控制策略的有效性。

圖9 額定負(fù)載工況定子端電流

圖10 零速帶載起動波形

圖11 堵轉(zhuǎn)限流運行波形

4 結(jié) 語

本文基于空間矢量調(diào)制算法(SVPWM)，提出了根據(jù)不同電壓閾值選取滯環(huán)和主動控制的策略，解決了中性點電壓平衡問題；在全階磁鏈狀態(tài)觀測器獲取電機轉(zhuǎn)速信息基礎(chǔ)上，優(yōu)化矢量控制中電流內(nèi)環(huán)控制架構(gòu)，電機控制參數(shù)不僅更加具有理論依據(jù)，而且方便實際系統(tǒng)調(diào)試；在分析死區(qū)時間影響的基礎(chǔ)上，提出了基于三電平SVPWM的實時死區(qū)補償方法，具有實現(xiàn)簡單、代碼量少的優(yōu)點。仿真和實驗驗證了本文控制策略的適用性和有效性。