三電平變換器中點電壓平衡問題的研究

0??? 引言

??? 二極管中點箝位型逆變器[1]是最近研究的一個熱點。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個功率開關(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)無功補償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是，這種變換器采用兩個電容串聯(lián)來產(chǎn)生三個電平，由于開關(guān)器件本身特性的不一致和變換器能量轉(zhuǎn)換時中點電位參與能量的傳輸，因此，會產(chǎn)生兩個電容電壓分壓不均的問題，即中點平衡問題。如果中點電位不平衡，在交流輸出側(cè)會產(chǎn)生低次諧波，使逆變器的輸出效率變低，同時諧波還會對電機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機的調(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，中點電位波動降低了直流側(cè)電容的壽命。

??? 國內(nèi)外學(xué)者對三電平逆變器中點問題作了不少的研究，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平衡中點電位，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電位的方法[4]歸納起來主要有以下幾種：

??? 1）開環(huán)被動控制??? 在每一個新開關(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電位，其動態(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，在檢測每相電流方向基礎(chǔ)之上，通過選擇小矢量P，N狀態(tài)使中點電位朝不平衡方向的相反方向來選擇，這種方法的缺點就是電流中有1/2開關(guān)頻率的紋波；

??? 3）有源控制??? 這種方法通過控制電流的調(diào)制因子，需要檢測中點電位不平衡的大小和相電流的幅度，好處就是沒有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，這種方法一般沒有滯環(huán)控制那么可靠。

??? 本文首先對三電平逆變器建模，分析造成三電平逆變器中點電位不平衡的本質(zhì)原因。詳細(xì)地分析了整流和逆變兩種狀態(tài)下各類電壓矢量對中點電位的影響。討論了一種基于檢測中點電流方向和直流側(cè)電容電壓大小，來調(diào)整小矢量P，N狀態(tài)作用時間進(jìn)而平衡中點電位滯環(huán)控制方法。最后實驗研究了該方法的效果，實驗結(jié)果驗證了滯環(huán)控制方法的有效性和可靠性。

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）直流側(cè)的輸入電源E_d是理想的恒定的直流電壓源；

??? 2）所有開關(guān)器件都是理想的開關(guān)，即所有開關(guān)器件沒有慣性和損耗；

??? 3）直流側(cè)電容也是理想元件，即無內(nèi)阻、無電感且C_dc1=C_dc2；

??? 4）變換器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率；

??? 5）變換器的負(fù)載是三相對稱感性負(fù)載。

??? 引入開關(guān)函數(shù)S_ij，其中i表示第i相(i=a，b，c)，j表示i相的開關(guān)接到哪個點（j=P，N，O），對中點箝位型的變換器建立等效模型如圖1所示。

圖1??? 三電平變換器等效開關(guān)模型

??? 對于直流側(cè)的節(jié)點0列電流關(guān)系方程得

??? i_o=i_c1＋i_c2（1）

??? i_c2=－C_dc2（2）

??? i_c1=C_dc1（3）

??? i_o=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（4）

??? v_dc1＋v_dc2=E_d（5）

??? 由式（1）—式（5）可以得出

??? i_o=2C_dc1=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（6）

??? 由式（6）不難看出，只要中點有電流，即只要三相中的三個開關(guān)有連接到中點0的時候就可能會影響中點的電位。而且從式（6）中也不難看出，中點電流的方向決定了中點電位漂移方向。

2??? 電壓空間矢量對直流電壓平衡的影響

??? 三相三電平逆變器有27種開關(guān)狀態(tài)，其中有效的電壓矢量為19種。圖2是開關(guān)狀態(tài)和電壓空間矢量對應(yīng)關(guān)系。按照電壓矢量幅值從小到大的原則，可以把這些向量分為4組,即零電壓矢量、小電壓矢量、中電壓矢量和大電壓矢量。其中零矢量V₀有3種開關(guān)狀態(tài)（－1－1－1）、（000）和（111）。小矢量V₁，V₄，V₇，V₁₀，V₁₃，V₁₆都有兩種不同的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)開關(guān)是接到P還是N把這種小矢量分為兩種不同的狀態(tài)：開關(guān)連接P和地的開關(guān)狀態(tài)為P狀態(tài)，如V_1p的開關(guān)狀態(tài)為（100）；開關(guān)連接地和N的狀態(tài)為N狀態(tài)，如V_1n的開關(guān)狀態(tài)為(0－1－1)。由此可知，只要中點電流i₀不為0，直流側(cè)的電容就會充放電，從而影響中點電位。在4類矢量中的零矢量，由于三相電位相等，所以中點不會有電流通過，因此不會影響中點電位。大矢量，由于中點根本就沒有參與能量的傳輸，因此也不會產(chǎn)生影響。中矢量和小矢量，中點會參與能量的傳輸，也即中點電流i_o不為零，所以都會影響中點電位。圖3是中點電流灌入和抽出兩種工作狀態(tài)下，中矢量對中點電位的影響；圖4是中點電流灌入和抽出兩種狀態(tài)下小矢量P狀態(tài)對中點電位的影響；圖5是中點灌入和抽出兩種不同狀態(tài)下N狀態(tài)對中點電位的影響；圖6是同一小矢量P狀態(tài)情況下，在某相電流方向確定情況下對中點電位的影響。(圖中→及←表示中點電流的方向。↑及↓表示中點電位的上升和下降)。從圖3、圖4、圖5可以看出無論是小矢量還是中矢量，中點電流灌入的時候，中點電位上升，中點電流抽出的時候，中點電位下降。從圖6可以看出當(dāng)某相電流方向確定的時候，小矢量P，N狀態(tài)對中點電位的影響是相反的，這也是為什么可以通過選擇小矢量P，N狀態(tài)作用時間調(diào)節(jié)中點電位平衡的原因。

圖2??? 三電平變換器的電壓空間矢量圖

(a)??? 電流灌入??? (b)??? 電流抽出

圖3??? 中矢量對中點電位的影響

(a)??? 電流灌入??? (b)??? 電流抽出

圖4??? 小矢量P狀態(tài)對中點電位影響的示意圖

(a)??? 電流灌入??? (b)??? 電流抽出

圖5??? 小矢量N狀態(tài)對中點電位影響的示意圖

(a)??? V₁的P狀態(tài)??? (b)??? V₁的N狀態(tài)

圖6??? 同一小矢量PN狀態(tài)對中點電位的影響

3??? 滯環(huán)控制空間矢量控制方法[5]

??? 從前面的分析可知，根據(jù)中點電流的方向合理選擇小矢量P，N狀態(tài)可以平衡中點電位。假設(shè)中點電流抽出的時候為正，則當(dāng)v_dc1－v_dc2>h，i_o<0或v_dc1－v_dc2<h，i_o>0時，合成參考電壓矢量的小矢量選P狀態(tài)；當(dāng)v_dc1－v_dc2>h，i_o>0或v_dc1－v_dc2i_o<0時，合成參考電壓矢量的小矢量選N狀態(tài)（其中h為滯環(huán)的寬度）。

4??? 實驗結(jié)果

??? 為了研究滯環(huán)控制方法的特點，建立了主電路如圖1的變換器，負(fù)載為2.2kW異步電動機，開關(guān)管采用IRF840,反并二極管和箝位二極管采用MUR860。圖7為通常SVPWM方法直流側(cè)兩電容電壓的波形；圖8為滯環(huán)控制SVPWM方法的中點電位波形；圖9為滯環(huán)控制SVPWM方法輸出線電壓波形。

圖7??? 通常SVPWM方法的直流側(cè)兩電容電壓

圖8??? 滯環(huán)控制SVPWM中點電位波形

圖9??? 滯環(huán)控制SVPWM方法的輸出線電壓波形

5??? 結(jié)語

??? 中點箝位型的三電平變換器，雖然存在中點電位的不平衡問題，但是，通過適當(dāng)?shù)姆椒ǎ悬c電位的不平衡問題可以很好地得到抑制。因此，中點電位的不平衡問題不會影響這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用。滯環(huán)控制的SVPWM方法，控制簡單，平衡中點電位的效果好，是目前廣泛采用的一種控制方法。