基于LCL無源濾波器的中點平衡控制設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26686基于LCL無源濾波器的中點平衡控制設計案例 [17]，可由該扇區(qū)的非零矢量和零矢量在時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式分別為：（1.6）則合成的參考電壓為：（1.7）由于各個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SX為每個橋臂的開關(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，表示該相所在橋臂的上兩個開關(guān)管導通，下兩個開關(guān)管關(guān)斷；取值為0時，表示該相所在橋臂中間某個管子導通；取值為-1時，表示該相所在橋臂下兩個開關(guān)管導通，上面兩個關(guān)斷。將三相電壓進行矢量合成，可以得到：通過計算，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應的位置，用P表示1，用O表示0，用N表示-1，則各個矢量運算舉例如下：當SaSbSc分別取PNN時：（1.9）當SaSbSc分別取PON時：（1.10）當SaSbSc分別取POO時：（1.11）當SaSbSc分別取ONN時：（1.12）當SaSbSc分別取OOO時：（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際應用中，SVPWM算法的實現(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系，進行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系的坐標軸上，計算出該矢量的模值和相角，同時進行空間位置判斷，計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，計算出脈沖觸發(fā)時間，生產(chǎn)出對應的波形。最后將基本矢量作用時間轉(zhuǎn)換為切換時間，在與三角波對比的基礎上，輸出PWM信號。需要注意的是，為了在實際應用中減小開關(guān)損耗，使得在每次開關(guān)狀態(tài)切換時，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基于改進型LCL濾波器對中點電位平衡的控制1.1.1傳統(tǒng)的中點電位平衡控制方法--分配因子法的概述由上文分析得知，當電路處于小矢量狀態(tài)時，中點電位會受到影響，且當成對的小矢量作用在中點時，產(chǎn)生的電流對于中點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)管的開斷組合來實現(xiàn)的，而功率管在切換過程當中不可避免的會存在一定的損耗，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，根據(jù)就近原則選取的基本矢量當中往往會包含小矢量對，我們可以通過對冗余小矢量作用時間進行配置，來實現(xiàn)對中點電位波動的抑制。具體的配置方法如下：我們可以在正負冗余小矢量當中，引入調(diào)制因數(shù)k，k的范圍在-1到1之間，通過中點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，來抑制中點電位的不平衡狀態(tài)。（1.14）式中，tp和tn表示一對正負小矢量的作用時間，t1為這對小矢量作用的總時間，此處選取第一扇區(qū)I區(qū)，計算一下加入冗余小矢量對后各個空間矢量的作用時間，計算結(jié)果如下圖所示。表1.1矢量作用時間時序表為了減少開關(guān)管的頻繁開斷，我們引入一個滯環(huán)寬度h，使得中點電壓偏差控制在滯環(huán)范圍內(nèi)即可。此時，當中點電位的絕對值不大于滯環(huán)寬度h時，VO=0;當中點電位的絕對值大于滯環(huán)寬度h時，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方向和中點電位VO的變化方向決定，具體為：（1.15）對中點電位平衡因子的控制規(guī)律總結(jié)如下表所示，當中點電位大小超出滯環(huán)寬度時，我們可以對應地去調(diào)整正負小矢量的作用時長，使得C1、C2兩電容進行充放電，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)的中點電位平衡控制方法，即分配因子法，具有以下幾種特點，在應用時值得注意：控制方法比較簡單，效果好、響應快，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)寬度設置過大時，控制效果會受到影響，中點電位得不到有效平衡；若將滯環(huán)寬度設置的過小時，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)維護成本升高。此外，在此基礎上，我們還可以從中點電位電荷角度來考慮，從周期開始時由電容電壓的偏差，計算出電荷偏差，可以得到需要注入或者抽出的中點電荷量，實現(xiàn)電位平衡。1.2.2改進型LCL濾波器的引入對中點電位的影響第二章我們詳細分析了改進型LCL濾波器的引入對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回接到了直流側(cè)中點，則勢必會對直流側(cè)中點平衡造成影響，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，使得電路在一對小矢量狀態(tài)作用時對于中點電位的影響不再可以相互抵消，如當小矢量ONN和POO為一對冗余小矢量，當小矢量ONN作用時，中線電流inpo=iA;當小矢量POO作用時，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，在一對冗余小矢量作用下的電路中線電流不再完全相反，此時直流側(cè)中點電位的大小不再由中線電流inp單獨影響，而是由中線電流inp和注入的零序電流io共同影響，此時流入流出中點的電荷量計算公式如下：（1.16）此時，傳統(tǒng)的滯環(huán)分配因子法在該電路中點電位平衡控制時不再適用，下文對它進行修正，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的表達式為：（1.17）下表為引入改進型LCL濾波器后冗余小矢量與對應中線電流值的修正后的版本：表1.3冗余小矢量與對應中線電流值對應表由上面推導可知，流出中點的電荷量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個扇區(qū)來計算，在這里我們也可以現(xiàn)計算出第一個扇區(qū)的電荷量Qnp，由對稱性計算出整個空間矢量圖Qnp的大小。當參考電壓落在第一個扇區(qū)的B三角形區(qū)域時如圖，根據(jù)就近原則，輸出矢量的順序為100-200-210-211-210-200-100,具體的七段式時序圖如下：圖1.6第一扇區(qū)合成參考矢量圖圖1.7輸出電壓矢量時序圖當參考矢量位于第一扇區(qū)的B三角形時，一個開關(guān)周期內(nèi)流出中點的電荷量大小為：（1.18）式中inp0=iA,inp1=0,inp2=iB,inp7=i0-iA；每個開關(guān)周期內(nèi)直流側(cè)電容電壓偏差為Udm,在中點儲存的電量為：Qnp0=CUdm；為了使得中點電位平衡，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