基于虛擬空間矢量的中點(diǎn)電壓平衡控制

摘要：基于傳統(tǒng)算法的二極管箝位型三電平逆變器，在高調(diào)制度及低功率因數(shù)下存在中點(diǎn)電壓不可控區(qū)域，中點(diǎn)電壓中存在3倍基波頻率的低頻紋波信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。針對(duì)此問題，在分析該不可控區(qū)域存在原因的基礎(chǔ)上，研究了虛擬空間矢量與平衡因子法相結(jié)合的十段式對(duì)稱模式，有效實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電壓的全范圍可控，并能消除因電容不平衡等因素造成的中點(diǎn)電壓偏移，具有較好的魯棒性。仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的正確性與有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；中點(diǎn)電壓；不可控區(qū)域；虛擬空間矢量

1 引言
三電平中點(diǎn)箝位型逆變器具有等效開關(guān)頻率高、輸出波形正弦、單管耐壓低等優(yōu)點(diǎn)，在中、高壓大功率場(chǎng)合應(yīng)用廣泛，中點(diǎn)電壓平衡是影響其控制性能的重要因素。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出一系列中點(diǎn)電壓平衡方案，文獻(xiàn)在傳統(tǒng)兩電平空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的基礎(chǔ)上，提出了基于參考電壓矢量分解的算法；文獻(xiàn)提出了基于非正交坐標(biāo)系的簡(jiǎn)化SVPWM算法，但該方法在調(diào)制度較高或功率因數(shù)較低時(shí)，單純采用小矢量對(duì)中點(diǎn)電壓控制將出現(xiàn)不可控區(qū)域。
為在高調(diào)制度和低功率因數(shù)下有效控制中點(diǎn)電壓，并解決因電容不一致或開關(guān)管延時(shí)等原因造成的中點(diǎn)電壓偏移，此處在討論中點(diǎn)電壓波動(dòng)原因的基礎(chǔ)上，利用虛擬空間矢量，并結(jié)合精確調(diào)節(jié)因子方法，消除了中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響，實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電壓的全范圍控制。

2 傳統(tǒng)SVPWM及其對(duì)中點(diǎn)電壓的控制
傳統(tǒng)SVPWM算法根據(jù)參考電壓矢量的幅值和方向判斷其所處區(qū)域，選擇其最近的3個(gè)基本矢量進(jìn)行合成，再根據(jù)伏秒平衡原理計(jì)算各基本矢量的作用時(shí)間，生成所需的PWM波。
根據(jù)基本矢量的模長(zhǎng)和對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，可將其分為大、中、正負(fù)小和零矢量。由于中矢量對(duì)中點(diǎn)電壓不可控，當(dāng)調(diào)制度較高或功率因數(shù)較低時(shí)，無功分量比重較大，通過調(diào)節(jié)小矢量無法完全抵消由中矢量引起的中點(diǎn)電壓波動(dòng)，存在不可控區(qū)域，文獻(xiàn)給出不可控區(qū)域的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

3 虛擬空間矢量
3．1 虛擬矢量原理
考慮三相平衡，即ia+ib+ic=0。設(shè)計(jì)虛擬矢量的原則為虛擬矢量的中點(diǎn)電流為零，使其對(duì)中點(diǎn)電壓無影響。以中矢量Vpon為例，因其對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流ib(t)通常不為零，且隨時(shí)間變化，會(huì)對(duì)中點(diǎn)電壓造成不可控影響。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，在原本的中矢量上加入相鄰的兩個(gè)小矢量vonn，vppo(對(duì)應(yīng)中點(diǎn)電流分別為ia和ic)，令三者作用時(shí)間相同，用此虛擬矢量代替原來的中矢量則可消除中矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響。虛擬中矢量vVM1=(vonn+vpon+vppo)／3。采用虛擬中矢量代替原來的中矢量后，一個(gè)扇區(qū)被分成了5個(gè)小區(qū)域，如圖1所示。

3．2 計(jì)算作用時(shí)間
以圖1參考電壓矢量為例，可計(jì)算出相鄰3個(gè)基本矢量的作用時(shí)間。設(shè)小矢量的作用時(shí)間為t1，虛擬中矢量的作用時(shí)間為t2，大矢量的作用時(shí)間為t3，則各開關(guān)管的開通時(shí)間如表1所示。

3．3 中點(diǎn)電壓平衡控制
采用虛擬中矢量的控制算法，理論上可消除中矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，較好地控制中點(diǎn)電壓平衡，但無法控制中點(diǎn)電壓原本就有偏移時(shí)的情況；此外，虛擬空間矢量是在三相平衡的前提下提出的，當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，并不能消除中矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響。為解決這一問題，在虛擬矢量的基礎(chǔ)上加入精確中點(diǎn)平衡因子。
造成中點(diǎn)電壓偏離零點(diǎn)的原因是一個(gè)周期內(nèi)流入中點(diǎn)的電荷不為零，故直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡問題可通過控制流入中點(diǎn)的電荷來實(shí)現(xiàn)。
三相負(fù)載平衡時(shí)，在圖2參考矢量所在小區(qū)域中，中矢量對(duì)應(yīng)中點(diǎn)電流為ia+ib+ic=0，設(shè)正負(fù)小矢量作用時(shí)間分別為tp=(1+f)t1／2，tn=(1-f)t1／2，通過調(diào)節(jié)tp，tn即可控制中點(diǎn)電壓而不改變輸出電壓。
一個(gè)周期內(nèi)，流入中點(diǎn)的電荷量為：

設(shè)上、下兩電容原有電壓分別為U1和U2，令流入中點(diǎn)的電荷與兩電容原有電荷差△Q=Cd(U2-U1)相抵消，即可使中點(diǎn)電壓為零，從而控制中點(diǎn)電壓，求出平衡因子：
f=-Cd(U2-U1)／(t1ia) (2)