多电平变流器在电气传动中的中点电位平衡控制策略改进

一、多电平变流器中点电位不平衡问题分析

1. 中点电位不平衡产生的原因

多电平变流器中点电位不平衡的产生是由多种因素共同作用的结果。其中，直流侧电容参数的差异是一个重要原因。由于电容的制造工艺和使用环境等因素的影响，不同电容的电容值和等效串联电阻可能存在差异。在变流器运行过程中，这些差异会导致电容充放电速率不同，从而引起中点电位的偏移。

负载不平衡也是导致中点电位不平衡的关键因素之一。当负载三相电流不对称时，会在直流侧电容上产生不同的电流分量，使得电容的充放电情况不一致，进而造成中点电位的波动。开关器件的导通和关断时间差异、死区时间的设置等也会对中点电位产生一定的影响。

2. 中点电位不平衡对电气传动系统的影响

中点电位的不平衡会对电气传动系统的性能产生多方面的影响。它会导致输出电压波形畸变。由于中点电位的偏移，变流器输出的三相电压不再对称，含有更多的谐波成分。这些谐波会增加电机的铜损和铁损，降低电机的效率，同时还会引起电机的振动和噪声，影响电机的使用寿命。

中点电位不平衡还会影响功率开关器件的工作状态。不平衡的中点电位会使某些开关器件承受更高的电压应力，增加了开关器件损坏的风险。这不仅会降低系统的可靠性，还会增加系统的维护成本。

3. 现有中点电位平衡控制策略的局限性

目前，常用的中点电位平衡控制策略主要有基于空间矢量调制的控制策略和基于载波调制的控制策略。基于空间矢量调制的控制策略通过选择合适的电压矢量来调节中点电位，但在复杂工况下，电压矢量的选择可能不够灵活，难以实现精确的电位平衡。

基于载波调制的控制策略则通过调整载波信号来控制中点电位，但这种策略对载波信号的频率和相位要求较高，且在负载变化较大时，控制效果会受到一定的影响。现有的控制策略大多依赖于固定的参数和控制规则，缺乏自适应调节能力，难以适应不同的工况和系统参数变化。

二、改进的中点电位平衡控制策略

1. 改进策略的基本原理

本文提出的改进中点电位平衡控制策略基于自适应调节的思想。该策略通过实时监测中点电位的变化情况，根据监测结果动态调整控制参数，以实现对中点电位的精确控制。具体来说，改进策略引入了一个自适应调节模块，该模块根据中点电位的偏差和变化率，自动调整控制信号的幅值和相位。

在空间矢量调制的基础上，改进策略对电压矢量的选择进行了优化。根据中点电位的实时情况，优先选择能够有效调节中点电位的电压矢量，同时避免选择会加剧中点电位不平衡的电压矢量。通过这种方式，提高了中点电位平衡控制的精度和效率。

2. 自适应调节模块的设计

自适应调节模块是改进策略的核心部分。该模块主要由中点电位监测单元、参数计算单元和控制信号调整单元组成。中点电位监测单元实时采集中点电位的实际值，并将其与设定值进行比较，得到中点电位的偏差。

参数计算单元根据中点电位的偏差和变化率，利用自适应算法计算出需要调整的控制参数。控制信号调整单元根据计算得到的控制参数，对控制信号进行调整，从而实现对中点电位的精确控制。自适应调节模块能够根据系统的实时运行情况自动调整控制参数，具有较强的自适应能力和鲁棒性。

3. 控制策略的实现步骤

改进的中点电位平衡控制策略的实现步骤如下：通过传感器实时采集中点电位的实际值和负载电流等相关参数。将采集到的参数输入到自适应调节模块中，计算出需要调整的控制参数。

根据计算得到的控制参数，对空间矢量调制算法进行优化，选择合适的电压矢量。将优化后的控制信号发送到功率开关器件，控制变流器的输出电压，实现对中点电位的平衡控制。在整个过程中，不断重复上述步骤，实时监测和调整中点电位，确保其始终保持在允许的范围内。

三、改进策略的仿真与实验验证

1. 仿真模型的建立

为 了 验 证 改 进 中 点 电 位 平 衡 控 制 策 略 的 有 效 性 ， 利 用MATLAB/Simulink 软件建立了多电平变流器的仿真模型。在仿真模型中，包括直流侧电容、功率开关器件、负载等主要部件。

对传统的中点电位平衡控制策略和改进后的控制策略分别进行仿真。设置不同的工况，如负载不平衡、电容参数差异等，观察中点电位的变化情况和输出电压波形的质量。通过仿真结果对比，分析改进策略的优势。

2. 实验平台的搭建

搭建了多电平变流器的实验平台，该平台包括直流电源、变流器主电路、控制电路和负载等部分。控制电路采用了高性能的数字信号处理器（DSP），用于实现改进的中点电位平衡控制策略。

在实验平台上进行了一系列实验，模拟不同的工况，测量中点电位的实际值和输出电压的波形。实验结果与仿真结果进行对比，进一步验证改进策略的有效性和可行性。

3. 结果分析与讨论

通过仿真和实验结果可以看出，改进的中点电位平衡控制策略在抑制中点电位波动方面具有明显的优势。在负载不平衡和电容参数差异等复杂工况下，改进策略能够快速、准确地调节中点电位，使其保持在允许的范围内。

与传统控制策略相比，改进策略下的输出电压波形质量更高，谐波含量更低。这表明改进策略能够有效提高多电平变流器在电气传动系统中的性能，降低系统的谐波损耗，提高电机的运行效率。

结语

本文针对多电平变流器在电气传动中的中点电位不平衡问题，提出了一种改进的中点电位平衡控制策略。通过对中点电位不平衡产生的原因进行深入分析，指出了现有控制策略的局限性。在此基础上，详细阐述了改进策略的基本原理、自适应调节模块的设计和控制策略的实现步骤。

通过MATLAB/Simulink 仿真和实验平台的验证，结果表明改进的控制策略能够有效抑制中点电位的波动，提高输出电压波形的质量，降低系统的谐波含量。与传统控制策略相比，改进策略具有更强的自适应调节能力和鲁棒性，能够更好地适应不同的工况和系统参数变化。然而，本文提出的改进策略仍存在一些不足之处。例如，自适应调节模块的算法复杂度较高，对硬件的计算能力要求较高。在未来的研究中，可以进一步优化自适应调节算法，降低算法的复杂度，提高系统的实时性和可靠性。可以将改进策略应用到更复杂的电气传动系统中，进一步验证其有效性和实用性。改进的中点电位平衡控制策略为多电平变流器在电气传动领域的应用提供了一种有效的解决方案，具有重要的理论和工程应用价值。

参考文献：

[1]李婉婷.三电平中点箝位型变流器的效率优化及中点电位控制策略研究[D].陕西省:西安理工大学,2019.

[2]童芳.多电平牵引变流器中点电位控制策略研究[D].湖南省:中南大学,2014.