抑制中点电位不平衡的控制算法优化

2.1 60°坐标系变换的空间矢量调制策略

本文采用了基于60°坐标系的空间矢量调制策略，并引入开关损耗最小与三相桥臂输出电流和重点电位检测的中点平衡算法。

这种控制策略是通过坐标变换将（x，y，z）三相坐标变换为非正交的60°（g，h）坐标系。即是将传统的三电平空间电压矢量坐标转化为描述一个三维空间线电压矢量U_REF=[u_abu_bcu_ca]^T。因此，60°（g，h）坐标变换下的参考矢量可以表示为：U_REF（g，h）=T·U_REF（U_ab，U_bc，U_ca）。其中变换矩阵。通过对参考矢量的坐标进行向上、向下取整，可得到在新坐标系下合成参考矢量的3个（g，h）坐标；根据伏秒平衡原理，可求得3个坐标的作用时间；最后通过坐标变换，将得到的3个（g，h）坐标反变换为（x，y，z）三相坐标系下的空间矢量。

2.2 开关损耗最小

在三电平变换器合成电压矢量时，可用冗余矢量实现新的算法，比如减少开关时间及功率设备的开关损耗，其核心思想是每次每相只有一个开关状态改变。也就是说，对于每相桥臂的两对互补开关，每次电压矢量变换时仅有一相一对互补的开关动作，即每次只增大或减小一位，使发生切换的开关数达到最小。如图3所示，当参考矢量落入到区间c时，开关状态的改变只能是211-210-110-100或221-211-210-110这2个序列。

同理，图3中其他区域中的开关状态的导通次序也可得出，如表2所示。

图3 一个扇区调制情况(www.xing528.com)

当参考矢量连续变换时，例如从区域a转移到区域c时，为使切换的开关数最小，要选择区域a中的导通次序（ii）和（iii），因为这2种导通次序与区域c中的导通次序相互衔接，在切换时就可以不使开关状态发生突变。同理，在区域b和d中，只有一种导通次序，当从区域b转向区域c时，要选区域c中的导通次序i），从区域c转向区域d时，要选区域c中的导通次序ii）；这样就能根据参考矢量的位置及转移方向确定哪些开关导通及其导通次序了。从以上开关状态切换中，也可看出，必须选择冗余矢量作为开关序列的起始和终止矢量，并且对于冗余矢量是奇数的开关状态，不宜作为序列的起始和终止。

表2 开关状态切换次序

2.3 基于三相桥臂输出电流和中点电位检测的中点平衡方法

通过前面的分析可知，在多电平变流器中，中矢量将导致中点波动，且不存在冗余开关状态，它对中点电位的影响是不可控的，一般作为扰动量来处理；而小矢量存在着冗余开关状态，冗余开关状态能得到相同的输出电压，但对中点电位的影响是截然相反的，且小矢量的冗余开关状态作用时，可使中点向不同的方向偏移；因此，在实际的控制系统中，可以通过对小矢量的处理来补偿由中矢量引起的中点电位波动。在本文系统的调制过程中，为减小开关损耗和输出电压du/dt，每次开关状态变化时，只有一相一对互补的开关动作，并且变动值是循环八段式控制。在控制中点电位的同时，要注意避免由于舍去某些开关状态而增加关损耗和输出电压的du/dt的情况发生。下面举例说明本论文采用的中点平衡控制方法。如图3所示，若参考矢量落入扇区c中，其空间矢量的调制顺序为211-210-110-100-100-110-210-211。为了不增加开关损耗，并确保扇区间的平滑过渡，中点控制方法只能对开关状态211和100进行取舍。由表1可知，开关状态211和100引入的中点电流分别为i_c和-i_c（以电流流出中点电位为参考方向）。在中点控制方法中，检测c相电流的方向，并根据此时上下侧直流电容电压差ΔU_NP=U_C1-U_C2的大小对开关状态211和100进行取舍。若中点电位偏低即ΔU_NP＜0，则舍去使电流从中点流出的开关状态，保留使电流流入中点的开关状态；反之，如果中点电位偏高即ΔU_NP＞0，则舍去使电流流入中点的开关状态，而保留使电流流出中点的开关状态。具体的取舍方法如表3所示。

由于各扇区具有对称性，使用相同的方法分析，即可得到所有扇区的调制方法。该中点控制方法的优点在于实现简单，鲁棒性强，缺点是中点电位仍会在小范围内波动，且中点电位的波形中会含有高频分量。

表3 具有中点电位平衡算法的优化调制策略