基于SVPWM調(diào)制算法下中點(diǎn)電位平衡控制策略研究

朱寒　陳健　葉輕舟

摘 要：本文首先綜述中點(diǎn)電位不平衡產(chǎn)生原因及其危害；其次，對開關(guān)矢量對中點(diǎn)電位的影響作了具體講解；再次，介紹了基于分配因子思想下的四種不同的中點(diǎn)電位控制策略研究；最后，對比這四種中點(diǎn)電位控制策略，選出本文使用的中點(diǎn)電位控制算法即PI控制，并利用MATLAB/5imulink仿真，論證此方法有效性及合理性。

關(guān)鍵詞：矢量調(diào)制算法；中點(diǎn)電位平衡控制；策略研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.216

1 中點(diǎn)電位不平衡產(chǎn)生原因及危害

成中點(diǎn)電位不平衡的原因有很多，主要有：

（1）由于兩電容上的電流之間在中矢量和小矢量作用時(shí)存在著相位或幅值的差異，這種不對稱會(huì)出現(xiàn)在充放電的暫態(tài)過程，這種不對稱還會(huì)由于其三相連接在某些情況下會(huì)將其加劇。

（2）從電容的生產(chǎn)過程中，制作用于直流側(cè)的兩個(gè)電容不會(huì)在各項(xiàng)指標(biāo)上全都一樣，因此作為中間直流穩(wěn)壓部分，必然會(huì)使中點(diǎn)電壓有波動(dòng)。

（3）在實(shí)際使用中，用于直流側(cè)穩(wěn)壓的電容它們的值都比較大，可是從現(xiàn)實(shí)角度看，電容的成本以及電容值等級都會(huì)有限制，必然產(chǎn)生矛盾。

（4）中點(diǎn)電流越大，波動(dòng)越嚴(yán)重。而中點(diǎn)電流是定子電流的直接反映，所以負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，波動(dòng)越嚴(yán)重。

（5）由于中點(diǎn)電位的控制與小矢量的權(quán)重有關(guān)，小矢量的權(quán)重與輸出的相電壓的模值有關(guān)，模值越大，則參與權(quán)重越小，這樣中點(diǎn)電位的控制就會(huì)越困難。

中點(diǎn)電位不平衡造成的危害：

（1）逆變器輸出電壓波形發(fā)生畸變。這樣，輸入給感應(yīng)電機(jī)的電壓中就會(huì)帶有低次諧波，從而使電機(jī)負(fù)載產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響調(diào)速性能；

（2）開關(guān)器件承受的電壓不均衡。每相中有的器件承受的電壓偏低，嚴(yán)重時(shí)將影響正常工作。

（3）由于直流側(cè)電容上的電壓不平衡，導(dǎo)致電容壽命降低。

2 開關(guān)矢量對中點(diǎn)電位的影響

中點(diǎn)電流只被小矢量及中矢量作用時(shí)影響。成對出現(xiàn)的正負(fù)小矢量，對中點(diǎn)電流的影響相反，可作為控制量；而中矢量由于不存在冗余狀態(tài)，不可作為控制量?，F(xiàn)有的中點(diǎn)電位平衡控制方法基本上都是基于在一個(gè)開關(guān)周期中通過調(diào)節(jié)冗余小矢量的作用時(shí)間，利用中點(diǎn)電流使直流側(cè)上下電容存儲(chǔ)的電荷趨于穩(wěn)定。

3 中點(diǎn)電位控制策略研究

中點(diǎn)電位控制策略研究中的核心思想就是通過改變上下電容兩端的電荷量，使得上下兩電容電荷量相同。并且各自的原理都是一樣的：上面的電容電壓UC1比下面電容電壓UC2大，由此導(dǎo)致中性點(diǎn)電位不足，此時(shí)控制策略即為：對中性點(diǎn)就應(yīng)該注入電荷（亦或是讓電流流進(jìn)中性點(diǎn)）；反之，則對中性點(diǎn)需要抽出電荷（亦或是電流從中性點(diǎn)中流出來）。

在不采取中點(diǎn)電位控制策略時(shí)，在一個(gè)采樣周期內(nèi)負(fù)小矢量在最開始與最后作用時(shí)持續(xù)的時(shí)間總和等于中間的正小矢量的作用的時(shí)間總和。這里由于正負(fù)小矢量在作用時(shí)是等價(jià)的，只是電流的方向相反。由此導(dǎo)致對于中點(diǎn)電位的調(diào)節(jié)可以適當(dāng)?shù)馗淖冋?fù)小矢量對其產(chǎn)生影響時(shí)的時(shí)間，這樣對于中點(diǎn)電位的平衡策略起到緩和的作用。

綜上所述這里采用基于分配因子思想的幾種控制策略，并在比較之后選擇適合的控制策略?；诖怂枷氲目刂撇呗缘牟僮鬟^程：首先引入小矢量時(shí)間因子，其次確定起作用的小矢量在一個(gè)采樣周期內(nèi)產(chǎn)生影響持續(xù)的時(shí)間，然后調(diào)整正、負(fù)小矢量作用時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

下面對四種不同控制策略的策略特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明：首先作出假設(shè)條件：設(shè)時(shí)間因子是 k（-1≤k≤1），在其作用之后，負(fù)小矢量作用的時(shí)間總和為（1+k）T1/2，正小矢量作用的總的時(shí)間為（1-k）T1/2，且另外的矢量作用時(shí)間并不變。

（1）滯環(huán)控制策略特點(diǎn)：該方法只要知道上下兩端電容電壓差即可，需要說明的是這里上下兩端電容電壓差非常容易確定；初此之外該方法無須確定中性點(diǎn)電流，由此得以獲得：整個(gè)控制策略操作過程較簡便。

（2）PI 控制算法的特點(diǎn)：它與滯環(huán)控制一樣，二者不需要推算出中性點(diǎn)電流，只需要計(jì)算出上下電容的電壓差，推導(dǎo)過程簡單方便。一般條件下，對PI參數(shù)值，可以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)獲得。此外，根據(jù)自動(dòng)控制原理的傳遞函數(shù)的知識，PI控制框圖的傳遞函數(shù)可以經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算的推導(dǎo)出來，然后計(jì)算PI 的參數(shù)值，如下式即為傳遞函數(shù)。

（3）基于中點(diǎn)電荷守恒控制算法的特點(diǎn)：對于時(shí)間因子 k 值的獲得過程比起上文的兩種控制算法復(fù)雜的多，時(shí)間因子k值得計(jì)算過程涉及大量的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，不僅如此，此處還需要根據(jù)前文的電路圖以及中矢量和小矢量作用時(shí)與重點(diǎn)電流的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出此時(shí)的中性點(diǎn)電流，但是它相對于上文兩種控制算法的優(yōu)點(diǎn)就是對于中點(diǎn)電位的平衡控制效果比較有效，并且快速性也比較高。

（4）中點(diǎn)平均電流為零控制的特點(diǎn)：確定k值時(shí)不考慮上下兩端的電壓差，但要確定i0模值大小。正是因?yàn)樵谟?jì)算k時(shí)的方便，由此將導(dǎo)致當(dāng)以一個(gè)開關(guān)周期作為單位時(shí)間確定i0時(shí)，經(jīng)過調(diào)節(jié)之后得出的效果并不是很好，并且在上下電容的起始電壓不相同的條件下，在此方法作用下所用的控制時(shí)間比起前面的控制算法用的時(shí)間更長。

4 結(jié)論

對于三電平逆變器有多種控制策略，其中空間矢量調(diào)制算法優(yōu)點(diǎn)突出：調(diào)制比大、輸出電壓波形質(zhì)量好、易于數(shù)字化以及母線電壓利用率高，從而成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)；但中點(diǎn)電位平衡問題是三電平逆變器無法避免的。

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