双三电平变频器直流侧中点电位平衡策略研究与实现

马秀丽 何凤有

（1.徐州机电工程学校，江苏 徐州 221131；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221131）

1 引言

双三电平直流侧中性点电压（简称为中点电压或中点电位）是由串联连接的平波电容器的分压决定的，所以当中性点与网侧某相电压相连接或者通过箝位二极管和负载连接的时候，电流流经中性点，使得中性点电压发生波动，此外，在实际电路中还要考虑到功率器件的开关特性与平波电容器容量等的离散性所引起的中性点电位的波动。如果因为这些原因造成中性点电位波动很大，则将因为过压而引起功率器件和平波电容的损坏，并导致电压控制性能下降等。因此研究中点电位不平衡问题是双三电平系统控制的重要组成部分。

2 双三电平变频器直流侧中点电位不平衡原理

下面以三电平逆变器为例，分析中点电位波动的原理。

图1 中点电位分析图

对于直流母线电容上的电压有如下关系

式中，ic1，ic2为流过电容C1、C2上的电流，其参考方向见图1；Vc10，Vc20为电容电压的初始值。

假设某时刻工作于稳态，且两个电容上的电压相等，则有

式中，i0为中点电流。

从图1的开关模型可以看出，中点电位的不平衡主要是由于中点电流对直流环节的电容充、放电不均，中点电位的波动与中点电流的关系可以表示为

由式（7）可以看出，中点电位与i0密切相关，随i0的大小和方向变化而变化。

3 双三电平变频器逆变侧中点电压控制策略

（1）改变S值法

在判断参考电压空间矢量位置时，如果参考电压空间矢量位于两个小六边形的重叠区域，此时S取值不惟一，例如，当参考电压矢量Vr位于图2所示的位置时，S=1或者2，其中，Vr_s1、Vr_s2分别为S=1、2时，校正之后的两电平参考电压矢量。

图2 重叠区域S值的两择性

此时可以将参考电压空间矢量由三电平平面化简至S=1或者S=2中的任何一个两电平平面。如果选择化简至S=1的两电平平面，则在这个平面内，参考电压所确定的矢量作用顺序为：(100)-(10-1)-(00 -1)-(0 -1 -1)。在这个作用顺序中，反组小矢量的作用时间明显多于正组小矢量的作用时间，在这个矢量作用序列下，电容C1被充电，C2被放电，中点电位将下降；如果选择化简至S=2的两电平平面，在这个平面内，参考电压所确定的矢量作用顺序为：(110)-(100)-(10 -1)-(00 -1)，则反组小矢量的作用时间少于正组小矢量的作用时间，在此矢量作用序列下，电容C1被放电，C2被充电，中点电位将上升。

同理对其他S值的两电平平面进行分析最终可以发现：当S=1、3、5的时候，电容C1被充电，C2被放电，中点电位将下降；当S=2、4、6的时候，电容C1被放电，C2被充电，中点电位将上升。所以当参考电压空间矢量位于两电平平面重叠区域只需要根据中点电位的波动情况相应地改变S值即可对波动进行有效的抑制。而在程序编写的时候，改变S值只需要对S进行简单的加减运算，结合所在的两电平平面的扇区号N就可以达到控制中点电位的目的。

（2）改变小矢量作用时间法

由以上分析可知，由于中矢量引起的中点电流取决于负载相位，因此对于中矢量无法直接实施控制，可以做的常常是通过调整正负冗余小矢量的相对作用时间，以对中点电压偏移进行补偿。

例如，当参考电压空间矢量位于S=1，N=2时，如图3所示。

图3 改变小矢量作用时间法示意图

电压空间矢量的作用顺序为

T1N、T2N、T8、T1P分别为对应矢量的作用时间，由于T1N、T1P对应的电压空间矢量在空间上是重合的，是一对冗余小矢量，对中点电位造成的影响效果相反。

由于T1N+T1P＝T1，将T1分成两部分，一份供正组小矢量作用，一份供反组小矢量作用，由于中点电位的波动，所以需要对两份作用时间进行动态调整，如式（8）～（9）所示，加入平衡因子τ(-1≤τ≤1)对时间进行调节

所以在获得中点电位偏差的情况下，针对偏差的不同情况动态改变正、负小矢量的作用时间即可对中点电位波动进行抑制。

（3）仿真研究

按照上述所讲述的方法进行设计，应用Matlab软件在SIMULINK编写程序，并进行仿真。

仿真参数如下：对称三相负载参数电阻R=0.9Ω，电感L=0.04H；直流电压Ed=538V；直流侧分压电容C1＝C2＝2200μF ；仿真中系统的输出频率为50Hz；调制系数为1.0。

仿真结果如图4～5。

图4 加入中点电压控制之前波形

图5 加入中点电压控制之后波形

由图4和5对比可见，三电平SVPWM控制算法中加入中点电压控制之后，电压、电流波形的正弦度变好，中性点电压被合理控制在1V范围内。

（4）双三电平变频器整流侧中点电压控制策略

通过仔细分析可以发现：对于同一个开关序列，在逆变器中和在整流器中，其对两个电容的中点电位的影响恰好相反。所以其对中点电位的控制方法可以基本沿用逆变侧中点电位控制策略中所述的方法，但是要做一下稍微的改动：要在中点电位偏差值的符号反相后，把数值送入整流器的中点电位控制单元中。

按照上述所讲述的方法进行设计，应用Matlab软件在Simulink编写程序，并进行仿真。

仿真参数如下：

电源电压：311V；

电抗器：10mH 0.04Ω；

直流侧电容：1000μF；

电阻：14Ω；

直流侧电压给定：538V。

仿真结果如图6，由图6可以看出，加入中点电压控制之后，直流侧中点电位的偏差很好地控制在1V范围之内。

图6 加入中点电压控制的波形

4 实验结果

实验对象为22kW三相异步电机，系统载波频率为1kHz，采用V/F控制，测量仪器采用Agilent MSO6014A型100M模拟数字混合示波器，电流测量采用Agilent 1146A电流探头，电压测量采用Agilent 2771A高压探头。

22kW异步电动机参数为：

闽东亨达机电有限公司，180L-4，PN=22kW，UN=380V，IN=42.5A，fN=50Hz，nN=1470rpm，Rs=0.5257Ω，Ls=0.1215H，Rr=0.3017Ω，Lr=0.12158H，Lm=0.1166H。

从图7可以看出，对于双三电平变频器，在采用了本文的控制策略后直流侧中点电位波动较小，电压正负半波对称度良好，取得了理想的实验波形。

图7 中点电位波形（2V/div）

5 结论

本文对双三电平变频器逆变侧和整流侧分别进行直流侧中点电位波动分析，提出抑制直流侧中点电位波动的控制方法，在Matlab/Simulink环境下进行流计算机仿真，得出了比较理想的仿真波形；在此基础上对实验室22kW异步电动机进行了实验验证，取得了理想的效果。

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