三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問(wèn)題的研究

摘要：為了全面分析中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題，建立了一個(gè)三電平變換器的數(shù)學(xué)模型，分析了三電平變換器中點(diǎn)電位不平衡的原因，詳細(xì)地討論了空間矢量控制方法中不同矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響。最后，實(shí)驗(yàn)研究了一種基于檢測(cè)直流側(cè)中點(diǎn)電流的方向和直流側(cè)電容電壓的大小，來(lái)平衡中點(diǎn)電位的滯環(huán)控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該滯環(huán)控制方法平衡中點(diǎn)電位的有效性。

    關(guān)鍵詞：三電平變換器；中點(diǎn)電壓平衡；空間矢量PWM

引言

二極管中點(diǎn)箝位型逆變器[1]是最近研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，另外，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個(gè)電平，因此輸出波形質(zhì)量高。因而這種結(jié)構(gòu)變換器在高性能、中高電壓的變頻調(diào)速，有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是，這種變換器采用兩個(gè)電容串聯(lián)來(lái)產(chǎn)生三個(gè)電平，由于開關(guān)器件本身特性的不一致和變換器能量轉(zhuǎn)換時(shí)中點(diǎn)電位參與能量的傳輸，因此，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電容電壓分壓不均的問(wèn)題，即中點(diǎn)平衡問(wèn)題。如果中點(diǎn)電位不平衡，在交流輸出側(cè)會(huì)產(chǎn)生低次諧波，使逆變器的輸出效率變低，同時(shí)諧波還會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的調(diào)速性能；另外，逆變器某些開關(guān)管承受的電壓增高，降低了系統(tǒng)的可靠性；最后，中點(diǎn)電位波動(dòng)降低了直流側(cè)電容的壽命。

圖1

    國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)問(wèn)題作了不少的研究，提出了不少的方法。載波SPWM方法中平衡中點(diǎn)電位一般都是在調(diào)制波中注入適當(dāng)零序分量。文獻(xiàn)[2]中注入三次零序分量來(lái)平衡中點(diǎn)電位，文獻(xiàn)[3]中提出了一種注入零序電壓的分析算法。空間矢量方法中平衡中點(diǎn)電位的方法[4]歸納起來(lái)主要有以下幾種：

1）開環(huán)被動(dòng)控制在每一個(gè)新開關(guān)周期，小矢量的P，N狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種方法只有在平衡負(fù)載的情況下能夠較好控制中點(diǎn)電位，其動(dòng)態(tài)調(diào)整特性不好；

2）滯環(huán)型控制是目前應(yīng)用最多的一種閉環(huán)控制方法，在檢測(cè)每相電流方向基礎(chǔ)之上，通過(guò)選擇小矢量P，N狀態(tài)使中點(diǎn)電位朝不平衡方向的相反方向來(lái)選擇，這種方法的缺點(diǎn)就是電流中有1/2開關(guān)頻率的紋波；

3）有源控制這種方法通過(guò)控制電流的調(diào)制因子，需要檢測(cè)中點(diǎn)電位不平衡的大小和相電流的幅度，好處就是沒(méi)有1/2開關(guān)頻率的紋波，但是，由于增加了其他的開關(guān)狀態(tài)從而增加了開關(guān)損耗，這種方法一般沒(méi)有滯環(huán)控制那么可靠。

本文首先對(duì)三電平逆變器建模，分析造成三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的本質(zhì)原因。詳細(xì)地分析了整流和逆變兩種狀態(tài)下各類電壓矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響。討論了一種基于檢測(cè)中點(diǎn)電流方向和直流側(cè)電容電壓大小，來(lái)調(diào)整小矢量P，N狀態(tài)作用時(shí)間進(jìn)而平衡中點(diǎn)電位滯環(huán)控制方法。最后實(shí)驗(yàn)研究了該方法的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了滯環(huán)控制方法的有效性和可靠性。

圖2

1 三電平變換器的數(shù)學(xué)模型

為建立三電平變換器的數(shù)學(xué)模型，作如下理想假設(shè)：

[1] [2] [3] 

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