基于LCL無源濾波器的中點(diǎn)平衡控制設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26686基于LCL無源濾波器的中點(diǎn)平衡控制設(shè)計(jì)案例 [17]，可由該扇區(qū)的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。下文來具體分析三電平空間矢量原理：定義三相輸出電壓的表達(dá)式分別為：（1.6）則合成的參考電壓為：（1.7）由于各個(gè)橋臂輸出的電壓種類均有3種，則三相可輸出共27種狀態(tài)，設(shè)SX為每個(gè)橋臂的開關(guān)函數(shù)，則三相輸出電壓可表示為：（1.8）其中，SX共有三種取值，分別為1、0、-1。取值為1時(shí)，表示該相所在橋臂的上兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，下兩個(gè)開關(guān)管關(guān)斷；取值為0時(shí)，表示該相所在橋臂中間某個(gè)管子導(dǎo)通；取值為-1時(shí)，表示該相所在橋臂下兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，上面兩個(gè)關(guān)斷。將三相電壓進(jìn)行矢量合成，可以得到：通過計(jì)算，我們可以得到大矢量、中矢量、小矢量、零矢量及其在空間矢量圖中對(duì)應(yīng)的位置，用P表示1，用O表示0，用N表示-1，則各個(gè)矢量運(yùn)算舉例如下：當(dāng)SaSbSc分別取PNN時(shí)：（1.9）當(dāng)SaSbSc分別取PON時(shí)：（1.10）當(dāng)SaSbSc分別取POO時(shí)：（1.11）當(dāng)SaSbSc分別取ONN時(shí)：（1.12）當(dāng)SaSbSc分別取OOO時(shí)：（1.13）可以繪制出三電平逆變器的空間電壓矢量圖如下：圖1.3三電平逆變器的空間電壓矢量圖實(shí)際應(yīng)用中，SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)步驟主要有如下幾步：首先在空間矢量圖上建立直角坐標(biāo)系，進(jìn)行clark轉(zhuǎn)換，或叫做等功率轉(zhuǎn)換。將要合成的電壓矢量投射到直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上，計(jì)算出該矢量的模值和相角，同時(shí)進(jìn)行空間位置判斷，計(jì)算出該矢量所在的具體的空間位置。確定好參考矢量所在的空間位置后，利用就近三矢量思想，來確定脈沖觸發(fā)的順序，再利用伏秒平衡原理，計(jì)算出脈沖觸發(fā)時(shí)間，生產(chǎn)出對(duì)應(yīng)的波形。最后將基本矢量作用時(shí)間轉(zhuǎn)換為切換時(shí)間，在與三角波對(duì)比的基礎(chǔ)上，輸出PWM信號(hào)。需要注意的是，為了在實(shí)際應(yīng)用中減小開關(guān)損耗，使得在每次開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，只改變其中一相的開關(guān)狀態(tài)，我們采用七段式結(jié)構(gòu)對(duì)稱的輸出方法，促使矢量之間平滑切換，提高直流電壓的利用率。1.3基于改進(jìn)型LCL濾波器對(duì)中點(diǎn)電位平衡的控制1.1.1傳統(tǒng)的中點(diǎn)電位平衡控制方法--分配因子法的概述由上文分析得知，當(dāng)電路處于小矢量狀態(tài)時(shí)，中點(diǎn)電位會(huì)受到影響，且當(dāng)成對(duì)的小矢量作用在中點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生的電流對(duì)于中點(diǎn)電位的影響剛好是相反的，從而能夠抵消一部分不平衡的電壓。在空間矢量脈寬調(diào)制算法中，由于基本電壓矢量的切換是通過控制開關(guān)管的開斷組合來實(shí)現(xiàn)的，而功率管在切換過程當(dāng)中不可避免的會(huì)存在一定的損耗，因此為了最大限度的減小損耗，減少不必要的開關(guān)切換，在合成參考矢量時(shí)，根據(jù)就近原則選取的基本矢量當(dāng)中往往會(huì)包含小矢量對(duì)，我們可以通過對(duì)冗余小矢量作用時(shí)間進(jìn)行配置，來實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位波動(dòng)的抑制。具體的配置方法如下：我們可以在正負(fù)冗余小矢量當(dāng)中，引入調(diào)制因數(shù)k，k的范圍在-1到1之間，通過中點(diǎn)電位的電壓偏差和中線電流的方向，我們可以調(diào)節(jié)k值，來抑制中點(diǎn)電位的不平衡狀態(tài)。（1.14）式中，tp和tn表示一對(duì)正負(fù)小矢量的作用時(shí)間，t1為這對(duì)小矢量作用的總時(shí)間，此處選取第一扇區(qū)I區(qū)，計(jì)算一下加入冗余小矢量對(duì)后各個(gè)空間矢量的作用時(shí)間，計(jì)算結(jié)果如下圖所示。表1.1矢量作用時(shí)間時(shí)序表為了減少開關(guān)管的頻繁開斷，我們引入一個(gè)滯環(huán)寬度h，使得中點(diǎn)電壓偏差控制在滯環(huán)范圍內(nèi)即可。此時(shí)，當(dāng)中點(diǎn)電位的絕對(duì)值不大于滯環(huán)寬度h時(shí)，VO=0;當(dāng)中點(diǎn)電位的絕對(duì)值大于滯環(huán)寬度h時(shí)，VO與iO共同影響k的大小。即分配因子k的大小主要由中線電流iO方向和中點(diǎn)電位VO的變化方向決定，具體為：（1.15）對(duì)中點(diǎn)電位平衡因子的控制規(guī)律總結(jié)如下表所示，當(dāng)中點(diǎn)電位大小超出滯環(huán)寬度時(shí)，我們可以對(duì)應(yīng)地去調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時(shí)長(zhǎng)，使得C1、C2兩電容進(jìn)行充放電，使得偏差控制在脈寬范圍內(nèi)，k值為0。表1.2k值控制規(guī)律表傳統(tǒng)的中點(diǎn)電位平衡控制方法，即分配因子法，具有以下幾種特點(diǎn)，在應(yīng)用時(shí)值得注意：控制方法比較簡(jiǎn)單，效果好、響應(yīng)快，輸出的電壓諧波量較少；引入滯環(huán)寬度的大小要合理，若將滯環(huán)寬度設(shè)置過大時(shí)，控制效果會(huì)受到影響，中點(diǎn)電位得不到有效平衡；若將滯環(huán)寬度設(shè)置的過小時(shí)，逆變器中開關(guān)管開通關(guān)斷的頻率過高，器件損耗變大，壽命減小，系統(tǒng)維護(hù)成本升高。此外，在此基礎(chǔ)上，我們還可以從中點(diǎn)電位電荷角度來考慮，從周期開始時(shí)由電容電壓的偏差，計(jì)算出電荷偏差，可以得到需要注入或者抽出的中點(diǎn)電荷量，實(shí)現(xiàn)電位平衡。1.2.2改進(jìn)型LCL濾波器的引入對(duì)中點(diǎn)電位的影響第二章我們?cè)敿?xì)分析了改進(jìn)型LCL濾波器的引入對(duì)于抑制高頻共模電流具有顯著的效果，但是由于我們將LCL濾波器的濾波電容的公共點(diǎn)回接到了直流側(cè)中點(diǎn)，則勢(shì)必會(huì)對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)平衡造成影響，主要由于：將LCL濾波器回接到三相電流的輸入端，相當(dāng)于為三相橋臂電流注入零序分量，使得三相橋臂電流之和不再為0，使得電路在一對(duì)小矢量狀態(tài)作用時(shí)對(duì)于中點(diǎn)電位的影響不再可以相互抵消，如當(dāng)小矢量ONN和POO為一對(duì)冗余小矢量，當(dāng)小矢量ONN作用時(shí)，中線電流inpo=iA;當(dāng)小矢量POO作用時(shí)，中線電流inp1=iB+iC=iO-iA,不等于inpo。示意圖如下：圖1.4小矢量ONN圖1.5小矢量POO即采用了LCL濾波器后，在一對(duì)冗余小矢量作用下的電路中線電流不再完全相反，此時(shí)直流側(cè)中點(diǎn)電位的大小不再由中線電流inp單獨(dú)影響，而是由中線電流inp和注入的零序電流io共同影響，此時(shí)流入流出中點(diǎn)的電荷量計(jì)算公式如下：（1.16）此時(shí)，傳統(tǒng)的滯環(huán)分配因子法在該電路中點(diǎn)電位平衡控制時(shí)不再適用，下文對(duì)它進(jìn)行修正，提出一種廣義的分配因子法。1.1.2廣義的分配因子法定義SN為表示三相橋臂開關(guān)狀態(tài)的函數(shù)，N值為2、1、0，分別表示橋臂的開通狀態(tài)分別為+Vdc/2、0、-Vdc/2;則中線電流inp的表達(dá)式為：（1.17）下表為引入改進(jìn)型LCL濾波器后冗余小矢量與對(duì)應(yīng)中線電流值的修正后的版本：表1.3冗余小矢量與對(duì)應(yīng)中線電流值對(duì)應(yīng)表由上面推導(dǎo)可知，流出中點(diǎn)的電荷量np與中線電流和零序電流共同決定，在SVPWM算法中，我們將空間矢量圖分為6個(gè)扇區(qū)來計(jì)算，在這里我們也可以現(xiàn)計(jì)算出第一個(gè)扇區(qū)的電荷量Qnp，由對(duì)稱性計(jì)算出整個(gè)空間矢量圖Qnp的大小。當(dāng)參考電壓落在第一個(gè)扇區(qū)的B三角形區(qū)域時(shí)如圖，根據(jù)就近原則，輸出矢量的順序?yàn)?00-200-210-211-210-200-100,具體的七段式時(shí)序圖如下：圖1.6第一扇區(qū)合成參考矢量圖圖1.7輸出電壓矢量時(shí)序圖當(dāng)參考矢量位于第一扇區(qū)的B三角形時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)流出中點(diǎn)的電荷量大小為：（1.18）式中inp0=iA,inp1=0,inp2=iB,inp7=i0-iA；每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)直流側(cè)電容電壓偏差為Udm,在中點(diǎn)儲(chǔ)存的電量為：Qnp0=CUdm；為了使得中點(diǎn)電位平衡，要使每周期內(nèi)電容的充放電量相等：Qnp=Qnp0;在傳統(tǒng)的分配因