基于零序电压注入的中点电位控制方法

基于零序电压注入的中点电位控制方法

1新型放电平衡控制的数学模型小型多平压延伸段（rc）是一种相对成熟的多平压延加工。缺点是，输出电压降低，低耐压器可实现高压输出。输出电压比传统两平压延结构更真实，波形含量减少。目前,三电平NPC逆变器的研究最为成熟,已广泛应用于高压变频调速、有源电力滤波及高压直流(HighVoltageDirectCurrent,简称HVDC)输电系统等场合。多电平逆变器脉宽调制(PWM)技术有多种,其中载波PWM方法具有谐波特性好,容易实现等优点,已广泛应用于多电平逆变器控制中。文章首先分析三电平NPC逆变器中点电位平衡问题,讨论利用零序分量注入实现中点电位控制的PWM方法,并在此基础上利用控制自由度组合的思想对一种实时控制中点电位的PWM方法进行改进后,提出了一种新型载波交叠零序电压注入的PWM方法。仿真研究及实验证明,新方法具有良好的中点电位控制能力,并能有效改善低调制度下输出电压的谐波特性。2立三电平nb变压器模型用一个较为简单的数学模型就能说明三电平NPC逆变器的中点不平衡机理。为建立三电平NPC逆变器数学模型,首先假设:直流侧输入为理想的恒压源,交流侧接三相对称负载;所有开关器件均为理想开关;直流侧电容为理想元件,且容值相等。图1示出三电平NPC逆变器的等效开关模型。对O点列基尔霍夫电流方程,有:3零序电压注入介质的vm方法3.1idthmotch回归系统的原理在高电压应用场合,常采用向调制波中注入零序分量来提高直流电压利用率。开关频率优化脉宽调制(SwitchingFrequenceOptimunPulseWidthModulation,简称SFOPWM)是一种典型的零序电压注入PWM方法。如图2所示,SFOPWM方法载波的选取及控制信号的产生方式与SHPWM完全相同,但在三相正弦调制波中注入了零序分量,零序分量及合成的调制波由下式决定:式中ua-U0=ua*ub-U0=ub*uc-U0=uc*SFOPWM最大调制比可以达到1.15,有效提高了直流电压利用率。在单相系统中,使用SFOPWM方法会使输出波形中存在3次谐波,但三相系统中3次谐波可以相互抵消,不会影响负载的正常运行。3.2零序电压分量的实时控制针对三电平NPC逆变器的中点电位平衡问题,目前研究较多的是空间矢量PWM(SpaceVectorPWM,简称SVPWM)方法,即通过调整冗余矢量作用时间来实现中点电位平衡;对于载波PWM方法,文献提出一种动态调整载波零序电压分量的控制方法,并给出了“预估→校验→修正”零序电压的实时控制算法。该算法需在每个控制周期内检测两个直流侧电容的电压及三相输出电流,直流电容之间的电压差为:!Udc=Udc1-Udc2(7)计算得到一个控制周期内平均中线电流:要控制中点电位平衡,必须控制平均中线电流,由此可以解出所需注入的零序电压分量。该方法可实时检测出中点电位偏移程度并加以相应的控制,是一种较为理想的中点电位控制方案。在调制度较低时,采用载波PWM方法输出电压的谐波特性会变差,总谐波失真度THD增大。文献提到一种通过载波交叠改善低调制度下输出电压谐波特性的PWM方法。以下进一步研究载波交叠思想用于零序电压注入PWM实现中点电位平衡的方法。4器件控制板设计在MATLAB/Simulink环境下建立了三电平NPC逆变器系统模型,对零序电压注入载波PWM方法进行了仿真研究,模型主要参数为:直流母线电压300V,母线电容C1=C2=3300μF;基波频率50Hz,开关频率1.5kHz。调制波零序电压的计算采用文献提出的方法,同时为了改善低调制度下输出电压的谐波特性,基于控制自由度组合思想对零序电压注入PWM方法进行了改进,即对两个载波增加竖直方向上的偏移量,使之产生交叠,图3示出载波交叠零序电压注入PWM新方法。器件控制信号产生方式与SFOPWM方法相同。载波之间的交叠量不同对输出电压及中点电位平衡有不同的控制效果,仿真与实验均采用50%载波幅值的交叠量。4.1与研究方法对比图4a示出采用新方法在高调制度下,即M=0.8时输出线电压uline仿真波形;图4b,4c给出了相同调制度下分别用SFOPWM方法与新方法得到的直流侧电容中点电压uO仿真波形。对比图4b,4c可以发现,在较高调制度下,新方法对控制中点电位平衡的效果显著。表1列出在高调制度下线电压50次谐波以内两种方法所得THD值比较。可见,在该条件下两种方法对线电压谐波特性影响相差不大。4.2相同调制度下的仿真图5a示出在低调制度下,即M=0.3时新方法仿真波形,此时uline电平数退化为3;图5b,5c给出了两种方法在相同调制度下的uO仿真波形。对比图5b,5c可见,在低调制度下新方法同样能较好地控制中点电位平衡。表2给出在低调制度下线电压50次谐波内两种方法所得THD值比较,可见新方法的THD值明显降低,表明新方法优于一般的零序电压注入载波PWM方法,可以改善低调制度下输出电压谐波特性。5与新方法比较建立了基于DSP控制的三电平NPC逆变器装置,对所提出的载波交叠零序电压注入PWM方法进行了实验验证。实验装置主要参数与仿真模型一致,DSP芯片采用TMS320F2407A,使用11kW异步电机作为负载。实验中对不加中点电位平衡控制的SFOPWM方法与新方法进行了比较。图6a示出M=0.8时新方法uline实验波形;图6b,c示出相同调制度下采用SFOPWM方法与新方法uO实验波形比较。对比图6b,c可见,在高调制度下新方法具有良好的中点电位控制能力。图7a示出M=0.3时新方法的uline实验波形;图7b,c示出相同调制度下采用SFOPWM与新方法uO实验波形比较。对比图7b,c可见,新方法在低调制度下同样能实现良好的中点电位平衡控制。使用WaveStar软件对两种方法的线电压波形进行了谐波特性分析。表3列出两种方法在不同调制度下线电压50次谐波内的THD值,可见在高调制度下两种方法的谐波特性比较接近;低调制度下新方法的线电压THD值显著降低。由此可见,在低调制度下新方法的谐波特性更优。6电平dna变压器中点不平衡问题针对三电平NPC逆变器中点电位平衡问题进行了研究,在使用零序电压注入实现中点电位平衡的控制方法基础上,利用载波竖直方向移动的控制自由度,使两个载波有一定量的重叠,从而达到更好的控制效果。仿真及实验结果均证明,这种方法具有良好的中点电位控制能力,可在低调制度下改善输出线电压谐波特性。引入开关函数:由式(