基于SVPWM调制算法下中点电位平衡控制策略研究

朱寒　陈健　叶轻舟

摘 要：本文首先综述中点电位不平衡产生原因及其危害；其次，对开关矢量对中点电位的影响作了具体讲解；再次，介绍了基于分配因子思想下的四种不同的中点电位控制策略研究；最后，对比这四种中点电位控制策略，选出本文使用的中点电位控制算法即PI控制，并利用MATLAB/5imulink仿真，论证此方法有效性及合理性。

关键词：矢量调制算法；中点电位平衡控制；策略研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.216

1 中点电位不平衡产生原因及危害

成中点电位不平衡的原因有很多，主要有：

（1）由于两电容上的电流之间在中矢量和小矢量作用时存在着相位或幅值的差异，這种不对称会出现在充放电的暂态过程，这种不对称还会由于其三相连接在某些情况下会将其加剧。

（2）从电容的生产过程中，制作用于直流侧的两个电容不会在各项指标上全都一样，因此作为中间直流稳压部分，必然会使中点电压有波动。

（3）在实际使用中，用于直流侧稳压的电容它们的值都比较大，可是从现实角度看，电容的成本以及电容值等级都会有限制，必然产生矛盾。

（4）中点电流越大，波动越严重。而中点电流是定子电流的直接反映，所以负载转矩越大，波动越严重。

（5）由于中点电位的控制与小矢量的权重有关，小矢量的权重与输出的相电压的模值有关，模值越大，则参与权重越小，这样中点电位的控制就会越困难。

中点电位不平衡造成的危害：

（1）逆变器输出电压波形发生畸变。这样，输入给感应电机的电压中就会带有低次谐波，从而使电机负载产生脉动转矩，影响调速性能；

（2）开关器件承受的电压不均衡。每相中有的器件承受的电压偏低，严重时将影响正常工作。

（3）由于直流侧电容上的电压不平衡，导致电容寿命降低。

2 开关矢量对中点电位的影响

中点电流只被小矢量及中矢量作用时影响。成对出现的正负小矢量，对中点电流的影响相反，可作为控制量；而中矢量由于不存在冗余状态，不可作为控制量。现有的中点电位平衡控制方法基本上都是基于在一个开关周期中通过调节冗余小矢量的作用时间，利用中点电流使直流侧上下电容存储的电荷趋于稳定。

3 中点电位控制策略研究

中点电位控制策略研究中的核心思想就是通过改变上下电容两端的电荷量，使得上下两电容电荷量相同。并且各自的原理都是一样的：上面的电容电压UC1比下面电容电压UC2大，由此导致中性点电位不足，此时控制策略即为：对中性点就应该注入电荷（亦或是让电流流进中性点）；反之，则对中性点需要抽出电荷（亦或是电流从中性点中流出来）。

在不采取中点电位控制策略时，在一个采样周期内负小矢量在最开始与最后作用时持续的时间总和等于中间的正小矢量的作用的时间总和。这里由于正负小矢量在作用时是等价的，只是电流的方向相反。由此导致对于中点电位的调节可以适当地改变正负小矢量对其产生影响时的时间，这样对于中点电位的平衡策略起到缓和的作用。

综上所述这里采用基于分配因子思想的几种控制策略，并在比较之后选择适合的控制策略。基于此思想的控制策略的操作过程：首先引入小矢量时间因子，其次确定起作用的小矢量在一个采样周期内产生影响持续的时间，然后调整正、负小矢量作用时间，最终实现控制目标。

下面对四种不同控制策略的策略特点进行详细说明：首先作出假设条件：设时间因子是 k（-1≤k≤1），在其作用之后，负小矢量作用的时间总和为（1+k）T1/2，正小矢量作用的总的时间为（1-k）T1/2，且另外的矢量作用时间并不变。

（1）滞环控制策略特点：该方法只要知道上下两端电容电压差即可，需要说明的是这里上下两端电容电压差非常容易确定；初此之外该方法无须确定中性点电流，由此得以获得：整个控制策略操作过程较简便。

（2）PI 控制算法的特点：它与滞环控制一样，二者不需要推算出中性点电流，只需要计算出上下电容的电压差，推导过程简单方便。一般条件下，对PI参数值，可以根据实际经验获得。此外，根据自动控制原理的传递函数的知识，PI控制框图的传递函数可以经过数学计算的推导出来，然后计算PI 的参数值，如下式即为传递函数。

（3）基于中点电荷守恒控制算法的特点：对于时间因子 k 值的获得过程比起上文的两种控制算法复杂的多，时间因子k值得计算过程涉及大量的浮点数运算，不仅如此，此处还需要根据前文的电路图以及中矢量和小矢量作用时与重点电流的对应关系计算出此时的中性点电流，但是它相对于上文两种控制算法的优点就是对于中点电位的平衡控制效果比较有效，并且快速性也比较高。

（4）中点平均电流为零控制的特点：确定k值时不考虑上下两端的电压差，但要确定i0模值大小。正是因为在计算k时的方便，由此将导致当以一个开关周期作为单位时间确定i0时，经过调节之后得出的效果并不是很好，并且在上下电容的起始电压不相同的条件下，在此方法作用下所用的控制时间比起前面的控制算法用的时间更长。

4 结论

对于三电平逆变器有多种控制策略，其中空间矢量调制算法优点突出：调制比大、输出电压波形质量好、易于数字化以及母线电压利用率高，从而成为人们关注的热点；但中点电位平衡问题是三电平逆变器无法避免的。

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