《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 三電平變換器中點電壓平衡問題的研究
三電平變換器中點電壓平衡問題的研究
桂紅云,姚文熙,呂征宇
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

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Ed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Cdc1=Cdc2;

    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)Sij,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

    io=ic1ic2(1)

    ic2=-Cdc2(2)

    ic1=Cdc1(3)

    io=SaoiaSboibScoic(4)

    vdc1vdc2=Ed(5)

    由式(1)—式(5)可以得出

    io=2Cdc1=SaoiaSboibScoic(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,V4V7,V10V13,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V1p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V1n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io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)vdc1vdc2>h,io<0或vdc1vdc2<h,io>0時,合成參考電壓矢量的小矢量選P狀態(tài);當(dāng)vdc1vdc2>h,io>0或vdc1vdc2io<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

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?,中點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。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。