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三电平NPC 逆变器中点电位平衡的软件算法.pdf

三电平NPC 逆变器中点电位平衡的软件算法

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2011-09-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《三电平NPC 逆变器中点电位平衡的软件算法pdf》,可适用于IT/计算机领域

三电平NPC逆变器中点电位平衡的软件算法罗永吉,尹华杰,周艳青(华南理工大学电力学院,广东广州)  摘要:中点电位平衡问题是三电平NPC逆变器的一个固有问题。介绍了三电平NPC逆变器的重要的中点电位平衡控制方法。基于空间矢量PWM法介绍了适用于普通调制和适用于高调制系数的方案。基于注入零序电压的载波调制法介绍了一种全面、准确的控制方案和针对GTO的最小开通时间的控制方案。最后介绍了与具体的PWM调制模式分离的一种新型的滞环控制法。关键词:三电平NPC逆变器中点电位平衡脉宽调制中图分类号:TM    文献标识码:AMethodoftheNeutralpointBalancingintheThreelevelNPCInverterLUOYongji,YINHuajie,ZHOUYanqing(TheElectricPowerCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong,China)Abstract:TheneutralpointbalancingisaninherentproblemofthethreelevelNPCinverterThemostimportantcontrolstrategieswaspresentedFirst,themethodsbasedonSVPWMforthenormalmodulationandthehighmodulationindexwereintroducedThen,afullandaccuratecontrolbasedoncarrierandameasureconsideredtheminimumnontimeofGTOwereillustratedLast,anewhysteresisbandcontrolbeingindependentofPWMmodewasexplainedKeywords:threelevelneutralpiontclampdedinverterneutralpointbalancingpulsewidthmodulation  基金项目:国家自然科学基金资助项目(批准号)  作者简介:罗永吉(),男,研究生,Email:luoyongjicom 引言由于多电平逆变器,在高压大功率领域具有显著的优势,因而在过去多年里得到了普遍关注。多电平逆变器的实现有多种拓扑结构,和其他多电平拓扑结构相比,图所示的中点钳位(NPC)拓扑结构需要的元器件最少,只需要一个直流电源,因而得到广泛应用,是目前使用最广泛的拓扑结构。然而,这种电路拓扑存在中点电位图 三电平NPC逆变器主电路图Fig PowerstageofthreelevelNPCinverter波动问题,这不仅会导致输出电压、电流的波形扭曲,还将使功率器件上的电压不平衡,带来系统不稳定等危害。人们尝试了用不同方法来解决NPC逆变器的上述问题,这些方法有基于软件算法,或者基于硬件实现。基于硬件的方法需要增加两个DCDC逆变器,因而增加了整个逆变器的成本,本文对其不予讨论。软件算法实现目前主要有两种思路,即基于空间矢量调制的PWM法和基于注入零序电压的载波调制法。本文将主要介绍这两种算法思路及其衍生方法,并介绍一种新型的滞环比较法。 基于空间矢量调制的PWM法基于空间矢量调制的PWM法(SVPWM法)是在空间矢量调制规则基础上,保证参考电压不变,通过不同矢量的组合来控制中点电压的平衡。空间矢量调制的规则为:参考矢量由周围的基本矢量合成来获得。ELECTRICDRIVE  Vol No电气传动 年 第卷 第期  由图可知,三电平逆变器有个开关状态,种空间电压矢量(基本矢量),按模量大小可以分为类:零矢量、小矢量、中矢量和大矢量。其中零矢量和大矢量对中点电位没有影响小矢量和中矢量至少有一相与中点连接,对中点电位有影响。每个中矢量只有一种开关状态,其对中点电位的影响没有选择的余地。每个小矢量有两种开关状态,它们对中点电位平衡的作用相反,可以用来调节中点电位平衡。以这一特性为基础,人们提出了种解决中点电位平衡的方案,其中方案适用于一般调节,方案、适用于高调制系数时的调节,下面分别予以介绍。图 三电平NPC逆变器空间电压矢量图Fig SpacevoltagevectorwiththeirswitchingstatesforthreelevelNPCinverter SVPWM中点电位平衡控制方案~在空间矢量调制中,最传统的调制方法是NTV(threenearestvector)调制方法,即在一个调制周期内,用离参考矢量最近的个基本矢量去合成需要的参考矢量。如图所示的参考电压矢量Vf可以用基本的空间电压矢量V,V,V来调制合成。小矢量V有两种开关状态POO,ONN。方法,V只用一种开关状态,即V(POO)或V(ONN),则开关状态顺序有两种选择:POOPONPNN或者ONNPNNPON。具体选择哪种开关状态顺序取决于中点电位的平衡情况和各相电流的方向,使得中点电位向着有利于平衡的方向进行。这种方法在一个调制周期内只用个矢量,比较简单,但它存在两个不足:一是电容电压存在着明显的开关频率纹波二是当改变区域或选择不同的小矢量时,需改变开关顺序,这将需要至少个开关步骤(两相桥臂必须转换个电平),有时甚至需要个开关步骤,这样一来,开关频率将不再保持不变。方法,V用两种开关状态,即V=V(POO)V(ONN),T=αT(α)T(其中<α<),αT为POO的导通时间,(α)T为ONN的导通时间。则开关状态顺序为POOPONPNNONNONNPNNPONPOO。通过检测中点电流iO的方向和两个电容的电压UC,UC,来决定α的大小,使中点电位朝着有利于平衡的方向变化。当参考电压落在图中的区域A或C时,为了加强对中点电位的平衡控制,可以同时利用两对冗余小矢量,这样可以有效地使中点电位向着平衡方向移动。这种方法解决了方法中存在的不足,但其可控制的中点电流比方法小,增加了开关损耗。 SVPWM中点电位平衡控制方案,控制中点电位的平衡就是在一个控制周期Ts内,使平均的中点电流iO为零。当调制系数比较高或功率因数比较小时,方案就难以达到这种控制目的。其主要原因在于,此时小矢量作用的时间远小于中矢量作用的时间,导致小矢量产生的中点电流iO不能完全补偿中矢量产生的中点电流iO,因而不能很好地控制中点电位平衡。为了解决上述问题,SBusquetsMonge等提出了一种新的方法,通过对基本矢量进行重新组合,使每个开关周期中流过中点的电流为零。下面参照图,来说明新基本矢量的组合方法。对于小矢量V,重新组合的小矢量为Vs=V(PPO)V(OON)其产生的中点电流为iO=ic(ic)=因此新基本小矢量不影响中点电位的平衡。对于中矢量V,重新组合的中矢量为Vs=V(PPO)V(PON)V(ONN)其中点电流为iO=icibia=因此新基本中矢量也不影响中点电位的平衡。对于零矢量和大矢量,由于它们不直接与中点连接,所以对中点电位没有影响。图为按以上方法重新组合得到的新基本矢电气传动 年 第卷 第期罗永吉,等:三电平NPC逆变器中点电位平衡的软件算法量图。这个方法仍采用NTV调制,它在任何开关周期内,都可以完全控制中点电流iO为零,很好地解决了方案在高调制系数时不能控制中点电位平衡的问题。但它增加了开关频率和开关损耗当负荷不平衡时,即iO=icibia≠时,它无法使中点电位平衡。图 改进的新基本矢量图Fig Theimprovedspacevoltagevector SVPWM中点电位平衡控制方案当调制系数较高时,方案不能解决实际运用中负荷不平衡时中点电位平衡问题。AmitKumarGupta等提出了一种新的方法,能较好地解决方案的这个问题。在调制系数较高时,在传统的NV(nearestvector)法中,中点电位波动的主要原因是中矢量的采用。AmitKumarGupta的新方法叫做SV(selectedvector)法,其基本思想是:在合成参考矢量时,避免选择中矢量,只选用小矢量和大矢量参与合成,从而消除中矢量对中点电位不平衡的影响,由小矢量的两个开关状态来调节中点电位的平衡。其具体选择方法见图,其中m为调制系数,列出了不同m值,参考矢量落在不同的区域时,合成参考矢量的不同组合。图 SV(selectedvectors)法Fig Selectedvectorsmethod当m<时,SV法的开关损耗比NV法大当m>后,由于没有中点电位作用,SV法控制中点电位平衡能力比NV法好。 基于注入零序电压的载波调制法上面介绍的SVPWM法,其控制中点电位平衡的本质,就是通过调整平均输出电压中的零序分量,来控制中点电位的平衡。通过零序电压分量来分析和控制中点电位的平衡,是更为本质的方法,在控制上也更为全面、准确,因此下面就这种方法进行全面介绍。 载波调制法解决中点电位平衡方案,假设负载电流为正序电流,功率因数角为φ,各相桥臂的开关状态函数Sx取值为,,(分别对应N,O,P开关状态)。则中点电流瞬时值可以表示为iO=abs(Sa)iaabs(Sb)ibabs(Sc)ic=abs(Sa)iaabs(Sb)ibabs(Sc)ic()对三相三线制系统,三相参考电压(输出相电压)可以包含零序电压分量,如果注入的零序电压为V(t),则实际的参考电压为Vrx(t)=Vrx(t)V(t)()  PWM控制的本质就是在一个控制周期Ts内,控制开关状态函数Sa,Sb,Sc输出的平均效果等于参考电压的效果。因此有 iO=abs(Vra)iaabs(Vrb)ibabs(Vrc)ic()  定义  sgn(Vrx)=Vrx≥Vrx<则:iO=sgn(Vra)Vraiasgn(Vrb)Vrbibsgn(Vrc)VrcicVsgn(Vra)iasgn(Vrb)ibsgn(Vrc)ic()  中点电位波动控制的本质就是控制平均中点电流iO=,则零序电压V应该控制为V=sgn(Vra)Vraiasgn(Vrb)Vrbibsgn(Vrc)Vrcicsgn(Vra)iasgn(Vrb)ibsgn(Vrc)ic()  根据式(),知道零序电压V才能得到参考电压,但V本身是待求量,这是互相矛盾的。可以采用“预估校验修正”的方法来计算准确的零序电压,解决这个矛盾。首先用三相正序电压作参考电压,将一个基波周期划分为个区域,即   Sec(k)=πkπ,πkπ(k=,,⋯,)罗永吉,等:三电平NPC逆变器中点电位平衡的软件算法电气传动 年 第卷 第期则零序电压为 V=Ssgn·M·cos(θφ)()cosφcos(θφ)()其中 Ssgn=ωt∈,,区ωt∈,,区式中:φ为功率因数角θ=ωtkπ(k是ωt所在的Sec区号)。然后校验下面的公式是否成立:sgn=(VrxV)=sgn(Vrx)()如果成立,则算得的V正确否则,V错误,需求取一个偏移角,重划电压符号的区域,即Sec(k)=πФSkπ,πФSkπ求修正V。但式()的计算牵涉到功率因数角,实现比较困难,实用的算法如下。首先,在由三相正序电压的符号来预估所需注入的零序电压时,由于直流电压存在着偏差,中线电流并非真正为零,所以采用以下公式预估零序电压:V(tst)=iOsgn(Vra)Vraiasgn(Vrb)Vrbibsgn(Vrc)Vrcicsgn(Vra)iasgn(Vrb)ibsgn(Vrc)ic()  然后根据式()来校验。若错误,需重新修正,计算Vmid=mid(Vra,Vrb,Vrc),先令sgn(Vmid)=sgn(V(tst)Vmid),再用式()重新计算,此时得到的结果就是最后需要注入的零序电压V。基于零序电压注入的中点电位平衡控制算法反映了中点电位波动问题的本质,不仅适用于载波调制,也可应用于SVPWM方法。“预估校验修正”的算法可以快速准确地计算所需注入的零序电压,可用于实时控制 载波调制法解决中点电位平衡方案在调制系数较小的区域,PWM脉冲宽度可能小于GTO设备所需的最小开通时间。但这个最小开通时间必需予以保证,因为GTO缓冲电路中的容性储能需要这个时间来消散。开关模式的选择方法应该能够对GTO最小开通时间带来的影响进行补偿,不增加开关损耗。LazharBenBrahim提出了一种解决方法可以满足以上的要求。这种方法的原则是,在保持输出线电压不变的前提下,保证PWM控制脉冲大于最小开通脉冲。这种方法的关键在于控制参考电压。如果让最小参考电压能产生的PWM脉冲宽度,正好等于GTO需要的最小导通时间宽度,则最小参考电压Δe可以通过最小开通时间ΔTmin和三角载波频率fc=T计算得到。Δe=Ed×ΔTminT()  一旦三相参考电压中一相的电压幅值小于最小电压的幅值,则这相的参考电压必须修正。同样,其他两相电压也要修正以保证参考线电压不变。设原参考电压为er=(ea,eb,ec),修正后的参考电压为er=(eu,ev,ew)。假如|eu|≥|ev|≥|ew|,则修正后的参考电压为eu=sgn(eu)×Δeev=sgn(ev)×Δe(euev)ew=sgn(ew)×Δe(euew)()这种模式的波形如图所示。图 °矩形补偿模式Fig °rectangularcompensationmode  同样,也可以将高调制系数下的修正补偿,运用在相电压通过零点的时候。假设eu正在通过零点,且只有|eu|≤Δe,则可得到如下的修正电压,其波形如图所示。eu=sgn(eu)×Δeev=sgn(ev)×Δe(euev)ew=sgn(ew)×Δe(euew)()  这种调制方法减少了中点电位的不平衡,并在没有增加GTO开关损耗的情况下,解决了GTO最小导通时间的问题。同前面介绍的方法相结合,可以很好地控制中点电位平衡。图 高调制系数下的最小开通脉冲补偿Fig Minimumonpulsecompensationatindexmodulation电气传动 年 第卷 第期罗永吉,等:三电平NPC逆变器中点电位平衡的软件算法 一种新的滞环控制方法图所示是一种新的滞环控制方法,它与具体的PWM调制模式分离,只对已生成的三相PWM开关组合进行重新组合。图 滞环控制原理图Fig Principleofhysteresisbandcontrol  图中的平衡调节环节作用于已生成的PWM信号Gi,并产生具有中点平衡能力的PWM信号GO。通过测量中点电流iO和中点电压uO,判断中点电流是否有利于中点电位的平衡。若不利于平衡,则调整原开关组合为输出线电压相同但注入中点电流方向相反的开关组合,从而使新的开关组合有利于中点电位的平衡。该方法优点很多。其控制方法简单,不依赖于某种PWM方式加入中点平衡环节后逆变器增加的开关次数可以通过设定滞环宽度来调节有利于三电平逆变环节的系统集成其原理可以扩展应用到更多电平逆变器的中点电位平衡问题。但这种方法仍然不能对中矢量开关状态产生的中点电流引起的中点电位不平衡进行有效控制。 结语三电平NPC逆变器中点电位平衡控制策略方面的论文很多,并不断有新的研究文献发表。本文对三电平NPC逆变器中点电位平衡的主要控制策略进行了系统总结,内容包括基于空间矢量调制PWM法、基于注入零序电压的载波调制法和一种滞环控制方法等,涵盖了该领域新近的许多重要研究成果。参考文献 RodriguezJ,JihShengLai,FangZhengPengMultilevelInverters:ASurveyofTopologies,Controls,andApplicationsJIndustrialElectronics,IEEETransactions,,(): DcmasL,MeynardTA,FochH,etalComparaliveStudyofMultilevelTopologies:NPC,MulticellInverterandSMCwithIGBTCinProcIEEEIndustrialElectronicsSocConf,,: VonJouanneA,DaiS,ZhangHAMultilevelInverterApproachProvidingDClinkBalancing,RidethroughEnhancement,andCommonmodeVoltageEliminationJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,(): ZhouDongsheng,DidierRouaudExperimentalComparisonsofSpaceVectorNeutralPointBalancingStrategiesforThreelevelTopologyJIEEETransactionsonPowerElectronics,,(): JosepPou,RafaelPindadoEvaluationoftheLowfrequencyNeutralpointVoltageOscillationsintheThreelevelInverterJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,(): 宋文祥,陈国呈,束满堂,等中点钳位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究J中国电机工程学报,,(): BusquetsMongeS,SomavillaSANovelModulationfortheComprehensiveNeutralpointBalancingintheThreelevelNPCInverterwithMinimumOutputSwitchingfrequencyRippleCthAnnualIEEEPowerElectronicsSpecialistsConference,,: SergioBusquetsMonge,JosepBordonauTheNearestThreeVirtualSpaceVectorPWMAModulationfortheComprehensiveNeutralpointBalancingintheThreelevelNPCInverterJPowerElectronicsLetters,IEEE,():AmitKumarGupta,AshwinMKhambadkoneASimpleSpaceVectorPWMSchemetoOperateaThreelevelNPCInverteratHighModulationIndexIncludingOvermodulationRegion,withNeutralPointBalancingCIndustryApplicationsconference,,:SongQiang,LiuWenhua,YuQingguangANeutralpointPotentialBalancingAlgorithmforThreelevelNPCInvertersUsinganAnalyticallyInjectedZerosequenceVoltageCAPECEighteenthAnnualIEEE,,:宋文祥,陈国呈,丁肖宇,等基于两类脉宽调制方式本质联系的三电平逆变器中点电压平衡控制的研究J电工电子技术,,():LazharBenBrahimANeutralPointVoltageBalancingMethodforMultilevelGTOInvertersCIEEEIndustryApplicationsConferenceFortyFirstIASAnnualMeeting,,:姚文熙,吕征宇,费万民,等一种新的三电平中点电位滞环控制法J中国电机工程学报,,():收稿日期:修改稿日期:罗永吉,等:三电平NPC逆变器中点电位平衡的软件算法电气传动 年 第卷 第期

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