基于優化空間矢量脈寬調制算法的變頻器中點平衡控制
馬文忠， 吳海波， 郭江艷
(中國石油大學(華東)，山東東營257062)
摘要：分析了二極管中點嵌位型(NPc)三電平變頻器中點不平衡的機理及危害。通過優化三電平空間矢量脈寬涮制算法，利用正負小矢量對中點電位的不同影響，采用一種通過控制正負小矢量作用時間來控制中點平衡的算法。利用MATLAB／simulmk仿真軟件對該中點平衡算法進行仿真，并在實驗室條件下搭建了NPc三電平變頻器試驗電路，采用TMs3202812數字信號處理器實現了控制算法。仿真分析和實際試驗都驗證了所采用的控制方法的有效性，取得較好的抑制中點電位偏移的效果：
關鍵詞：空間矢量脈寬調制；變頻器；中點平衡控制
中圖分類號：TM 921 51 文獻標志碼：A文章編號：167316540(2010)0055-04
0 引言
近年來，隨著電力電子技術的發展，高壓大功率多電平變頻器得到了越來越廣泛的應用，正日益成為研究的熱點。其中，二極管中點嵌位型(Neut同P0inT cIamped，NPc)多電平變頻器由于其成熟的拓撲結構和較好的應用效果，已成為多電平變頻器中研究和應用最多的類型。但是，在NPc型多電平變頻器的應用過程中，也出現了許多亟待解決的問題。其中，中點電位不平衡就是比較突出的問題之一。中點電位不平衡將帶來輸出電壓波形畸變、電平數降低、逆變器開關器件承受的電壓不均衡、電容的壽命降低等危害[1-8]。本文將以應用最為廣泛的NPc三電平逆變器為研究對象，對其中點電位不平衡問題進行分析研究，并采用一種優化空間矢量脈寬調制(space VectorPulse width M[)(1ulation，svPwM)算法對中點電位進行控制，其算法也可以推廣到任意多電平結構的逆變器中。
1 NPC型三電平逆變器中點電位不平衡的機理
二極管箝位式三電平逆變器的拓撲結構如圖1(a)所示。對于三電平逆變器來說，每一相有
P、O、N三個狀態，所以共有33=27種電狀態組合，得到逆變器輸出電壓空間矢量的分布情況如
(1)逆變器電路結構及控制策略對中點電位的影響。
三電平逆變器除零矢量外，共有24種開關狀態，各種狀態下交流負載的連接形式雖不盡相同，但其連接情況可歸結為圖2所示的五種連接方式。尉2以四種不同矢量的五組開關狀態PNN．00()，PON，ONN和POO為例，畫出了三電平逆變器電路拓撲和電流回路，分析不同開關狀態時中點電流及電壓的情況。
在三電乎逆變器的19個基本矢量中，大矢量對應的開關狀態使三相輸出和正負母線相連，不影響中點電壓；零矢量使負載三相短接，掛在正、負、零母線之一，也不會導致中點電壓的變動。中矢量和小矢量的開關狀態對應至少有一相輸出和零母線相連，并與正、負母線形成電流回路，從而導致電容c1和c2充放電，使中點電壓發生波動。
圖2中lnp為中點電流，流出中點為正。顯然，大矢量和零矢量時開關狀態的中點電流iop=0，電容c1和c2上的電壓保持不變，處于平衡狀態(不考慮充電電阻的影響)，如圖2(a)、(b)所示=當中矢量開關狀態為PON時，如圖2(c)所示，有inp=ib，當負載電流ib>0時，上電容c1充電，ucl升高，下電容c2放電，uc2，F降，從而中點電位Umo=(uc1一ucs)／2下降；反之，ib<0，則c，放電，c2充電，中點電位umo上升。可以看出，電流方向不同時，對中點電壓的影響也不同。對于小矢量的開關狀態ONN，滿足inp=ia,如圖2(d) 導致逆變器中點電位不平衡的主要原因如下。所示；而對開關狀態POO，有inp=ib+ic=-ia，如圖2(e)所示，顯然ONN和POO兩組開關狀態對中點電壓的作用完全相反。
(2)與直流母線電容有關。首先兩個電容在制造工藝上不可能達到完全相同，勢必會造成中點電壓的固有偏移；其次，電容值的大小與直流側電壓平衡關系密切，電容值越小，電壓波動必然越嚴重，所以電容值要盡可能大，但考慮到成本和制造工藝}：的限制，電容值又不能取得過大。
(3)與負載有關。負載越重，中點電流越大，中點電位波動越大，造成的不平衡也越嚴重；負載功率因數也與中點電流的柏位關系密切，是影響中點電壓的重要因素。
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