多电平变换器控制技术详解

由多电平变换器供电的电动机调速系统采用了与两电平电压源型变换器相同的控制方法，即电压/频率控制（U/f或标量控制）、磁场定向控制（Field-oriented Control，FOC，即矢量控制）和直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）^[14]。对于U/f控制和FOC，在控制回路内均包含了一个多电平调制环节。因此，相对于两电平变换器调速系统，多电平变换器调速系统需要改变的并不是控制策略，而仅是调制环节的替换。换句话说，针对特定的多电平变换器，应采用一种适合多电平调制策略代替当前采用的两电平PWM调制策略或SVM调制策略。

相比之下，对于电动机磁通和转矩的特定变化，DTC与变换器产生的每一个开关状态或电压矢量均有关系，并不能直接从两电平变换器扩展到多电平变换器情形。主要原因在于：随着变换器输出电平数量的增加，电压矢量的数量将增加更多，这样一来，将很难根据磁通和转矩误差选择合适的准则来定义电压矢量。但是，通过使用多滞环控制器，并对空间矢量平面进行更为精细的扇区划分^[83]，一种适用于三电平中点钳位型变换器的DTC方案，在工业领域中获得了应用。

最近，有学者将FOC和DTC的一些特性进行了组合，并形成了另一种电动机传动控制方法——空间矢量调制-直接转矩控制（SVM-DTC）方案^[84]。这种方案把线性控制器和FOC中的SVM策略结合在一起，其中SVM策略使用了DTC策略的负载角控制概念（对定子和转子磁通之间的夹角进行控制），可实现转矩的快速动态控制，具有与DTC方案相当的性能；由于采用了调制环节，其开关频率固定，克服了传统DTC的缺点。该方案可方便地扩展到多电平变换器中，只需将两电平调制替换为多电平调制^[85]。如果多电平变换器具有较多的输出电平，该方案甚至不需要使用调制环节，只需采用最新的输出电平即可^[86]。(www.xing528.com)

将电动机侧和电网侧控制策略进行类比可以发现，与电网相连的多电平变换器采用的是电压定向控制（Voltage-Oriented Control，VOC）策略和直接功率控制（Direct Power Control，DPC）策略^[87]，这两种控制策略分别与FOC策略和DTC策略相对应。参考文献[88]介绍了一种改进型电网侧控制方法，采用电网虚拟磁通概念，实现了更好的同步控制。这种方法在参考文献[89]介绍的多电平变换器上获得了应用。对于电动机控制，一种源于空间矢量调制-直接功率控制（SVM-DPC）方案的组合式控制方案在三电平中点钳位型变换器上获得了应用^[90]。

除了多电平变换器的调制与控制方法，关于多电平变换器运行的一些细节问题在实际应用中也变得非常重要，如电容电压平衡控制^[91]、共模电压的抑制和消除、故障检测、故障诊断和容错运行等。