基于虛擬空間矢量的中點(diǎn)電壓平衡控制

摘要：基于傳統算法的二極管箝位型三電平逆變器，在高調制度及低功率因數下存在中點(diǎn)電壓不可控區域，中點(diǎn)電壓中存在3倍基波頻率的低頻紋波信號，嚴重時(shí)將導致系統無(wú)法正常工作。針對此問(wèn)題，在分析該不可控區域存在原因的基礎上，研究了虛擬空間矢量與平衡因子法相結合的十段式對稱(chēng)模式，有效實(shí)現了中點(diǎn)電壓的全范圍可控，并能消除因電容不平衡等因素造成的中點(diǎn)電壓偏移，具有較好的魯棒性。仿真及實(shí)驗驗證了該方案的正確性與有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；中點(diǎn)電壓；不可控區域；虛擬空間矢量

1 引言
三電平中點(diǎn)箝位型逆變器具有等效開(kāi)關(guān)頻率高、輸出波形正弦、單管耐壓低等優(yōu)點(diǎn)，在中、高壓大功率場(chǎng)合應用廣泛，中點(diǎn)電壓平衡是影響其控制性能的重要因素。近年來(lái)，國內外學(xué)者提出一系列中點(diǎn)電壓平衡方案，文獻在傳統兩電平空間矢量脈寬調制(SVPWM)的基礎上，提出了基于參考電壓矢量分解的算法；文獻提出了基于非正交坐標系的簡(jiǎn)化SVPWM算法，但該方法在調制度較高或功率因數較低時(shí)，單純采用小矢量對中點(diǎn)電壓控制將出現不可控區域。
為在高調制度和低功率因數下有效控制中點(diǎn)電壓，并解決因電容不一致或開(kāi)關(guān)管延時(shí)等原因造成的中點(diǎn)電壓偏移，此處在討論中點(diǎn)電壓波動(dòng)原因的基礎上，利用虛擬空間矢量，并結合精確調節因子方法，消除了中矢量對中點(diǎn)電位的影響，實(shí)現了中點(diǎn)電壓的全范圍控制。

2 傳統SVPWM及其對中點(diǎn)電壓的控制
傳統SVPWM算法根據參考電壓矢量的幅值和方向判斷其所處區域，選擇其最近的3個(gè)基本矢量進(jìn)行合成，再根據伏秒平衡原理計算各基本矢量的作用時(shí)間，生成所需的PWM波。
根據基本矢量的模長(cháng)和對中點(diǎn)電壓的影響，可將其分為大、中、正負小和零矢量。由于中矢量對中點(diǎn)電壓不可控，當調制度較高或功率因數較低時(shí)，無(wú)功分量比重較大，通過(guò)調節小矢量無(wú)法完全抵消由中矢量引起的中點(diǎn)電壓波動(dòng)，存在不可控區域，文獻給出不可控區域的數學(xué)表達式。

3 虛擬空間矢量
3．1 虛擬矢量原理
考慮三相平衡，即ia+ib+ic=0。設計虛擬矢量的原則為虛擬矢量的中點(diǎn)電流為零，使其對中點(diǎn)電壓無(wú)影響。以中矢量Vpon為例，因其對應的中點(diǎn)電流ib(t)通常不為零，且隨時(shí)間變化，會(huì )對中點(diǎn)電壓造成不可控影響。在一個(gè)采樣周期內，在原本的中矢量上加入相鄰的兩個(gè)小矢量vonn，vppo(對應中點(diǎn)電流分別為ia和ic)，令三者作用時(shí)間相同，用此虛擬矢量代替原來(lái)的中矢量則可消除中矢量對中點(diǎn)電壓的影響。虛擬中矢量vVM1=(vonn+vpon+vppo)／3。采用虛擬中矢量代替原來(lái)的中矢量后，一個(gè)扇區被分成了5個(gè)小區域，如圖1所示。

3．2 計算作用時(shí)間
以圖1參考電壓矢量為例，可計算出相鄰3個(gè)基本矢量的作用時(shí)間。設小矢量的作用時(shí)間為t1，虛擬中矢量的作用時(shí)間為t2，大矢量的作用時(shí)間為t3，則各開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間如表1所示。

3．3 中點(diǎn)電壓平衡控制
采用虛擬中矢量的控制算法，理論上可消除中矢量對中點(diǎn)電壓的影響，較好地控制中點(diǎn)電壓平衡，但無(wú)法控制中點(diǎn)電壓原本就有偏移時(shí)的情況；此外，虛擬空間矢量是在三相平衡的前提下提出的，當三相負載不平衡時(shí)，并不能消除中矢量對中點(diǎn)電壓的影響。為解決這一問(wèn)題，在虛擬矢量的基礎上加入精確中點(diǎn)平衡因子。
造成中點(diǎn)電壓偏離零點(diǎn)的原因是一個(gè)周期內流入中點(diǎn)的電荷不為零，故直流側中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題可通過(guò)控制流入中點(diǎn)的電荷來(lái)實(shí)現。
三相負載平衡時(shí)，在圖2參考矢量所在小區域中，中矢量對應中點(diǎn)電流為ia+ib+ic=0，設正負小矢量作用時(shí)間分別為tp=(1+f)t1／2，tn=(1-f)t1／2，通過(guò)調節tp，tn即可控制中點(diǎn)電壓而不改變輸出電壓。
一個(gè)周期內，流入中點(diǎn)的電荷量為：

設上、下兩電容原有電壓分別為U1和U2，令流入中點(diǎn)的電荷與兩電容原有電荷差△Q=Cd(U2-U1)相抵消，即可使中點(diǎn)電壓為零，從而控制中點(diǎn)電壓，求出平衡因子：
f=-Cd(U2-U1)／(t1ia) (2)