三電平地鐵車輛能饋逆變器控制方法研究

沈石秀，向超群，張璐琳，李卓鑫，成庶

三電平地鐵車輛能饋逆變器控制方法研究

沈石秀，向超群，張璐琳，李卓鑫，成庶

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

地鐵車輛制動(dòng)能量巨大，可以利用三電平逆變器使其回饋至電網(wǎng)以重新利用。但三電平逆變器卻一直存在中點(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，提出一種新的改進(jìn)型算法，可以很好地改善中點(diǎn)電位不平衡。在分析傳統(tǒng)VSVPWM算法的基礎(chǔ)上，引入了反饋量中點(diǎn)不平衡因子，并提出在同一小扇區(qū)可以使用不同的小矢量分別進(jìn)行調(diào)節(jié)的理論。對(duì)提出的理論進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，使用改進(jìn)型算法可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位的控制。

三電平逆變器；中點(diǎn)電位控制；虛擬電壓空間矢量調(diào)制

地鐵車輛設(shè)站間距小，行車密度高，起制動(dòng)頻繁，當(dāng)車輛再生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的電能可高達(dá)牽引電能的40%，這部分能量通過(guò)牽引變流器向接觸網(wǎng)回饋能量[1?2]。大部分再生制動(dòng)能量被相鄰車輛吸收，但是仍有20%以上的能量無(wú)法回收，這部分能量將導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓升高，傳統(tǒng)方法采用電阻消耗多余的能量，不符合環(huán)保要求而且存在安全隱患[3]。隨著大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，逆變回饋型再生制動(dòng)裝置發(fā)展迅速[4]。與二電平相比，三電平每個(gè)開(kāi)關(guān)器件只需承受一半的母線電壓，輸出電平數(shù)更多，可以獲得更好的輸出特性，因此被廣泛應(yīng)用于中高壓大功率領(lǐng)域。但是，由于器件參數(shù)不能完全一致，導(dǎo)致支撐電容中點(diǎn)電位出現(xiàn)偏移。中點(diǎn)電位平衡控制的方法主要有2類，一類是增加額外的硬件設(shè)備，比如獨(dú)立電源。一類是改變調(diào)制方法，這種方法只需改變軟件算法，節(jié)省成本，優(yōu)勢(shì)明顯。三電平的調(diào)制方法可以歸納為載波脈寬調(diào)制(carrier-base PWM,CBPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation, SVPWM)。這2種調(diào)制方法中點(diǎn)電位都存在3倍輸出頻率的波動(dòng)。為了克服這一缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了諸多研究。針對(duì)CBPWM調(diào)制方法，Pou等[5]提出一種基于載波調(diào)制的三電平NPC變流器的零序電壓注入方法。不需要增加其他的控制就可以保持中點(diǎn)電位平衡，減小開(kāi)關(guān)頻率，但是在低調(diào)制度時(shí)，無(wú)法完全消除波動(dòng)。此外，基于載波的PWM策略不能在全調(diào)制度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位波動(dòng)控制。Maheshwri等[6?7]提出一種基于雙載波的PWM策略，即利用中點(diǎn)電流和2個(gè)電容電壓的差值來(lái)產(chǎn)生偏移，使電容器保持平衡。然而，比例積分控制器高度依賴于參數(shù)的設(shè)定。想要得到精確的比例增益時(shí)，同樣需要電容器的精確值。但是，電容值會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而改變，從而導(dǎo)致比例增益的不精確。針對(duì)SVPWM調(diào)制方法，JIAO等[8]中提出一種減小中點(diǎn)電壓波動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗的方法。利用滯環(huán)平衡方案切換小矢量的狀態(tài)，消除了中點(diǎn)電位波動(dòng)。通過(guò)選擇合適的小矢量狀態(tài)切換順序，可以減小開(kāi)關(guān)損耗。然而在中點(diǎn)電位不平衡時(shí)成對(duì)的小矢量不相等，小三角形區(qū)域需要重新分區(qū)，因此會(huì)使計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。陳仲等[9]通過(guò)改變流入中點(diǎn)的電量調(diào)節(jié)電容電壓平衡，但是在計(jì)算電量時(shí)沒(méi)有考慮電流的初始相位角以及負(fù)載電流方向。Busquets-Monge等[10]提出一種虛擬的電壓空間矢量(VSVPWM)，在全調(diào)制度和功率因數(shù)下都能有效消除中點(diǎn)電壓波動(dòng)。Choudhury等[11?12]利用冗余電壓矢量合成了新的虛擬矢量。即使在負(fù)載和速度突變時(shí)，新的電壓矢量也能保持中點(diǎn)平衡。但是，在平衡的過(guò)程中需要不斷計(jì)算劃分小扇區(qū)和占空比。HU等[13]提出一種改進(jìn)的虛擬空間矢量調(diào)制方法。新的虛擬中矢量在每一個(gè)小區(qū)域都包含了2對(duì)成對(duì)小矢量。依據(jù)中點(diǎn)充放電和脈沖序列最優(yōu)的原則，選擇不同的成對(duì)小矢量，取得了中點(diǎn)電壓平衡、減小開(kāi)關(guān)頻率和抑制共模電壓的效果。但是該方法也沒(méi)有考慮中點(diǎn)電壓不平衡時(shí)，成對(duì)矢量大小不等。楊利強(qiáng)[14]通過(guò)改變小矢量的占空比，達(dá)到調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位的目的，但是沒(méi)有考慮中矢量和小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響，不能精確控制中點(diǎn)電位。本文提出一種具有閉環(huán)反饋功能的中點(diǎn)電位平衡控制方法。在VSVPWM算法的基礎(chǔ)上，考慮偏移后的矢量大小，引入中點(diǎn)不平衡因子作為反饋量，根據(jù)不平衡度分配小矢量作用時(shí)間，重新計(jì)算劃分扇區(qū)，保證精確合成參考矢量。

1 地鐵能量回饋裝置

地鐵能量回饋裝置框圖如圖1所示。

圖1 地鐵能量回饋裝置

當(dāng)?shù)罔F車輛制動(dòng)產(chǎn)生的能量不能被相鄰車輛所吸收時(shí)，直流接觸網(wǎng)電壓升高，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值1 500 V時(shí)，地鐵能量回饋裝置開(kāi)始啟用，線路接通預(yù)充接觸器ZK-KM2，電流經(jīng)過(guò)預(yù)充電阻ZK-R1和充放電電阻ZK-R2對(duì)電容進(jìn)行充電，充電完畢后，接觸器ZK-KM2斷開(kāi)，ZK-KM1閉合，三電平逆變器投入運(yùn)行，將未吸收的能量通過(guò)地鐵能量回饋裝置回饋至電網(wǎng)；當(dāng)接觸網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，需將充放電電容中儲(chǔ)存的能量釋放出去，此時(shí)電路接通放電接觸器ZK-KM3和線路接觸器ZK-KM1，電流經(jīng)過(guò)充放電電阻ZK-R2將電容中儲(chǔ)存的能量釋放出去，此時(shí)電網(wǎng)的能量通過(guò)整流器傳送至牽引電網(wǎng)供地鐵車輛使用。

這種逆變回饋型的地鐵再生制動(dòng)能量處理方式，較之儲(chǔ)能型和電阻吸收型的處理方式，不用增加儲(chǔ)能元件和吸收電阻，直接反饋回電網(wǎng)，不僅能夠節(jié)約資源，還可以提高利用率[15]。

2 VSVPWM原理介紹

圖1后側(cè)部分為三電平中點(diǎn)鉗位(Neutral Point Clamped，NPC)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。三電平逆變器每相有4個(gè)功率管，分別為S1，S2，S3和S4。當(dāng)S1和S2導(dǎo)通時(shí)，a相與電源正極相連，輸出電平為1；S2和S3導(dǎo)通時(shí)，a相被二極管鉗位至中點(diǎn)電壓，輸出電平為0；S3和S4導(dǎo)通時(shí)，a相與電源負(fù)極相連，輸出電平為-1。開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出電平、電壓之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出電平關(guān)系

2.1 傳統(tǒng)VSVPWM

在一個(gè)控制周期內(nèi)，如果保持1N,1P作用時(shí)間相等，在1個(gè)周期內(nèi)流過(guò)的電流為a+(?a)=0，因此，可以構(gòu)造出虛擬小矢量。

同理，可以構(gòu)造出虛擬中矢量。

若以扇區(qū)A為例，大扇區(qū)A被劃分為5個(gè)小扇區(qū)(A1~A5)，如圖2所示。0為0矢量，1N，1P，4N和4P均為小矢量，2為中矢量，3和5為大矢量。1N，1P，4N，4P和2對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流分別為a，?a，?c，c和b。

圖2 傳統(tǒng)VSVPWM

當(dāng)參考電壓矢量ref位于A3扇區(qū)時(shí)，由最近三矢量原則可知，

參考電壓矢量ref可以保持在1個(gè)周期內(nèi)中點(diǎn)電流為0。然而，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)導(dǎo)致中點(diǎn)電壓波動(dòng)時(shí)，由于沒(méi)有引入中點(diǎn)電壓反饋進(jìn)行控制，系統(tǒng)自然恢復(fù)平衡的速度十分緩慢。圖3為VSVPWM控制方法在不同負(fù)載條件下的自然恢復(fù)過(guò)程。引入干擾后，中點(diǎn)電壓不平衡，成對(duì)的小矢量大小不相等，在1個(gè)周期內(nèi)流過(guò)中點(diǎn)的電流不為0，中點(diǎn)電壓不能維持初始設(shè)置電壓，將向平衡方向發(fā)展。但是由于成對(duì)小矢量相互抵消的作用，使得有利于中點(diǎn)平衡的電流減小，因此恢復(fù)平衡的過(guò)程十分緩慢，而且，從仿真結(jié)果可以看出，隨著負(fù)載電感值的增大，電流變化減小，恢復(fù)平衡的時(shí)間也隨之增大。

圖3 VSVPWM自然恢復(fù)過(guò)程

因此，傳統(tǒng)VSVPWM在全調(diào)制度和全功率因數(shù)范圍內(nèi)可以維持中點(diǎn)電壓平衡，但是存在輸出電壓諧波增加和抗干擾能力差的特點(diǎn)。

3 基于不平衡度的VSVPWM

和傳統(tǒng)VSVPWM一樣引入虛擬中矢量

此時(shí)再引入不平衡因子：

式中：C2是支撐電容C2上的電壓；DC是直流側(cè)母線電壓。當(dāng)小于硬件允許偏差值，即中點(diǎn)電壓在允許的范圍之內(nèi)波動(dòng)時(shí)，采用VSVPWM；當(dāng)超出該范圍，引入時(shí)間調(diào)節(jié)因子，=()。

以A扇區(qū)為例，假設(shè)中點(diǎn)電壓偏移后合成ref需要增加1N作用時(shí)間，則可以表達(dá)為：

(7)

圖4 偏移對(duì)扇區(qū)的影響

表2 偏移后小矢量的坐標(biāo)

根據(jù)偏移后的虛擬小矢量的坐標(biāo)，可計(jì)算出包圍各個(gè)小扇區(qū)的線段所在的直線表達(dá)式。由此可得ref若在A11小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：(其中，式(8)~(14)中的為ref在A扇區(qū)內(nèi)與大矢量3所在直線的夾角。)

ref若在A12小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A21小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

(a) A11，A21和A3扇區(qū)劃分；(b) A12，A22和A5扇區(qū)劃分

ref若在A22小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A3小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A4小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

ref若在A5小扇區(qū)，應(yīng)滿足如下條件：

在改進(jìn)型算法進(jìn)行扇區(qū)重新劃分后，可根據(jù)小扇區(qū)所在區(qū)域選擇增加或者減小小矢量的作用時(shí)間，以此保證合成電壓矢量的準(zhǔn)確性。

4 仿真實(shí)驗(yàn)討論

由于試驗(yàn)條件限制，無(wú)法進(jìn)行大功率牽引電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為了對(duì)新方法進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，采用3種不同實(shí)現(xiàn)方法的對(duì)比試驗(yàn)，電路的所有參數(shù)均保持一致，具體參數(shù)見(jiàn) 表3。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

其中，RL負(fù)載電路代替地鐵能量回饋裝置并網(wǎng)部分，為了突出顯示不同算法對(duì)出現(xiàn)中點(diǎn)偏移的處理能力，特在=0.2 s時(shí)加入擾動(dòng)，使支撐電容C2放電，在=0.4 s時(shí)撤去這一擾動(dòng)。通過(guò)對(duì)比不同調(diào)制算法下負(fù)載部分的線電壓、相電流和電容電壓來(lái)探究SVPWM算法、VSVPWM算法和本文所提出的改進(jìn)型VSVPWM算法對(duì)這一擾動(dòng)的處理能力，以此突出改進(jìn)型VSVPWM的優(yōu)勢(shì)。

具體的波形及其相關(guān)數(shù)據(jù)如圖6~14。圖6~8是在SVPWM算法、VSVPWM算法和改進(jìn)型算法下支撐電容的電壓C1和C2。沒(méi)有外界干擾時(shí)，電容電壓約等于750 V。在=0.2 s加入擾動(dòng)后，SVPWM算法和VSVPWM算法下的電容電壓均呈現(xiàn)發(fā)散趨勢(shì)，不能穩(wěn)定在750 V左右。而在改進(jìn)型算法下的兩電容電壓卻可以很好地穩(wěn)定在750 V附近。=0.4 s撤去擾動(dòng)，3種算法下的電容電壓都將向中點(diǎn)電位恢復(fù)，將=0.42 s時(shí)的仿真數(shù)據(jù)記錄在表4中(其中Δ=C1?750 V)。從表中數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，VSVPWM算法的恢復(fù)速度最慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)至擾動(dòng)前的狀態(tài)；其次是SVPWM算法，大約0.11 s能恢復(fù)至擾動(dòng)前的狀態(tài)；恢復(fù)速度最快的為本文提出的改進(jìn)型VSVPWM算法，在擾動(dòng)撤去的極短時(shí)間內(nèi)就恢復(fù)至了擾動(dòng)前的狀態(tài)。

圖6 SVPWM下的電容電壓

圖7 VSVPWM下的電容電壓

圖8 改進(jìn)型算法下的電容電壓

表4 t=0.42 s時(shí)的電容電壓值

出現(xiàn)這種情況是由于SVPWM算法和VSVPWM算法均沒(méi)有引入中點(diǎn)電壓反饋。在= 0.2 s擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，電容C2會(huì)對(duì)其并聯(lián)的電阻進(jìn)行放電，致使中點(diǎn)電位出現(xiàn)波動(dòng)，C2減小，C1增大。在=0.4 s撤去擾動(dòng)后，由于使用的是RL負(fù)載，系統(tǒng)會(huì)緩慢地自然恢復(fù)平衡。然而不同算法的恢復(fù)速度又有很大的差異，在改進(jìn)型算法中由于引入了不平衡度因子，可以實(shí)時(shí)反饋中點(diǎn)電壓偏移程度，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)改變相應(yīng)小矢量作用時(shí)間，維持中點(diǎn)電壓平衡。

圖9~11分別是SVPWM算法、VSVPWM算法和改進(jìn)型算法的線電壓ab，圖中虛線為750 V刻度線。從圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，在加入擾動(dòng)后，線電壓不能穩(wěn)定在750 V，出現(xiàn)了很大的偏差，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與前面電容電壓發(fā)散的原因一致，2個(gè)支撐電容上的電壓不等。中點(diǎn)電位不平衡導(dǎo)致每相橋臂上的開(kāi)關(guān)器件要承受額外的電壓應(yīng)力，對(duì)器件的壽命十分不利，同時(shí)對(duì)其性能提出了更高的要求。在0.4 s撤去擾動(dòng)后，線電壓才緩慢恢復(fù)至750 V附近。在圖11中可以看到，改進(jìn)型算法的線電壓十分穩(wěn)定，沒(méi)有偏差。

圖9 SVPWM下的線電壓

圖10 VSVPWM下的線電壓

圖11 改進(jìn)型算法下的線電壓

圖12 SVPWM下的相電流

圖12~14是在SVPWM算法、VSVPWM算法和改進(jìn)型算法下的相電流a。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的SVPWM算法和VSVPWM算法下的電流脈動(dòng)相對(duì)較大，主要原因是阻感負(fù)載可以減小電流脈動(dòng)，使之更加平緩。

圖13 VSVPWM下的相電流

圖14 改進(jìn)型算法下的相電流

5 結(jié)論

1) 對(duì)傳統(tǒng)VSVPWM原理進(jìn)行介紹與分析，傳統(tǒng)方法存在抗干擾能力差的缺點(diǎn)，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)恢復(fù)速度緩慢，不適合地鐵能量回饋裝置。

2) 為了克服傳統(tǒng)SVPWM算法中點(diǎn)不平衡的缺陷，本文提出一種引入不平衡因子的VSVPWM方法，在全調(diào)制度全功率因數(shù)范圍內(nèi)能夠維持中點(diǎn)電位平衡，并且具有很強(qiáng)的魯棒性。

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Neutral point balance control of energy feedback inverter for metro vehicle

SHEN Shixiu, XIANG Chaoqun, ZHANG Lulin, LI Zhuoxin, CHENG Shu

(School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The braking energy of metro vehicles is huge. Three-level inverters can be used to feed them back to the power grid for reuse. However, the neutral-point potential imbalance has always existed in three-level inverters. To solve this problem, a new algorithm was proposed, which can improve the neutral-point potential imbalance very well. Based on the analysis of the traditional VSVPWM algorithm, the feedback-neutral unbalance factor was introduced, and the theory that different small vectors can be used to adjust in the same small sector is proposed. The simulation results show that the improved algorithm can better control the neutral point potential.

three-level inverter; neutral potential control; virtual space vector pulse width modulation

TM464

A

1672 ? 7029(2019)11? 2843 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.025

2019?02?18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB1200801-12，2017YFB1200902-11)

成庶(1981?)，男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，博士，從事電力牽引及傳動(dòng)控制研究；E?mail：6409020@qq.com

(編輯 陽(yáng)麗霞)