三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的電壓空間矢量控制原理及算法

摘要：分析了三電平電壓空間矢量調(diào)制基本原理，深入研究了影響三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的主要因素，由此提出一種控制箝位二極管電壓型三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的電壓空間矢量算法。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的控制算法能有效平衡三電平逆變器中點(diǎn)電壓。

關(guān)鍵詞：三電平逆變器；電壓空間矢量脈寬調(diào)制；中點(diǎn)電壓平衡；箝位二極管

1 引言

近年來(lái)，在高壓、大功率變換電路中，一種新型的變換器——箝位二極管式電壓型三電平逆變器（如圖1所示），引起了越來(lái)越多的關(guān)注。它不僅能應(yīng)用于大功率高輸入電壓的逆變場(chǎng)合，而且能應(yīng)用于如靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力有源濾波器等電力電子裝置中。歸納起來(lái)，三電平逆變器主要有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

圖1 三電平逆變器電路圖

1）由多個(gè)電平臺(tái)階合成的輸出電壓正弦波形，在相同開(kāi)關(guān)頻率條件下，與傳統(tǒng)二電平逆變器相比，諧波含量大大減少，改善了輸出電壓波形；

2）開(kāi)關(guān)管的電壓額定值只為直流母線上電壓的一半，使低壓開(kāi)關(guān)器件可以應(yīng)用于高壓變換器中。

但是，三電平逆變器的缺點(diǎn)是控制策略較復(fù)雜和出現(xiàn)中點(diǎn)電壓不平衡的問(wèn)題[1]，其中，中點(diǎn)電壓不平衡是三電平逆變器的一個(gè)致命弱點(diǎn)。顯然，若逆變器直流母線上并聯(lián)兩電容的中點(diǎn)電壓在運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定，它將引起輸出的三電平電壓變化，不僅使輸出電壓波形畸變，諧波增加，而且使三相輸出電流不對(duì)稱(chēng)，失去三電平逆變器的優(yōu)勢(shì)。然而，對(duì)于中點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題，目前尚未有根本的解決方法。其中有代表性的方法一是利用改進(jìn)硬件電路實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓平衡的方法[2]；二是通過(guò)改變開(kāi)關(guān)時(shí)序或控制矢量電壓持續(xù)時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)電壓平衡。但都存在電路復(fù)雜、控制效果不理想的問(wèn)題。

為此，本文基于傳統(tǒng)二電平逆變器電壓空間矢量控制原理[3]，提出基于平衡三電平逆變器中點(diǎn)電壓的電壓空間矢量控制的思想，從而在不增加硬件電路情況下，根本解決了三電平逆變器中點(diǎn)電壓不平衡的問(wèn)題。

2 三電平電壓空間矢量調(diào)制及中點(diǎn)電壓不平衡原因

在傳統(tǒng)三相兩電平逆變器中，電壓空間矢量個(gè)數(shù)為23=8[2]。根據(jù)三相兩電平逆變器電壓空間形成原理，箝位二極管式電壓型三電平逆變電路的電壓矢量合成圖如圖2所示，表1是它的每相開(kāi)關(guān)狀態(tài)表，總共有33=27個(gè)合成電壓矢量。與三相兩電平逆變器不同，三電平逆變器電壓矢量可分為長(zhǎng)矢量，中矢量，短矢量和零矢量，其中ppp，ooo和nnn是零矢量；還有12個(gè)短矢量（模長(zhǎng)=Vdc）;6個(gè)中矢量（模長(zhǎng)=）以及6個(gè)長(zhǎng)矢量（模長(zhǎng)=Vdc）。

圖2 三電平電壓空間矢量圖

結(jié)合電壓空間矢量圖可以得到三電平逆變器三相電壓合成機(jī)理：任意時(shí)刻的三相電壓Va、Vb和Vc可由三個(gè)相鄰的電壓空間矢量合成，當(dāng)電壓矢量沿著逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，空間矢量由一個(gè)有效狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)有效狀態(tài)，從而產(chǎn)生連續(xù)的三相電壓。

表1 三電平開(kāi)關(guān)狀態(tài)關(guān)系（X=a,b,c）

從上面分析可知，三電平逆變器每相都有三個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即p，0和n。例如：pon表示Va=Vdc/2；Vb=0和Vc=－Vdc/2,在此pon電壓矢量中，B相輸出直接接到中點(diǎn)Np上，因此，將影響中點(diǎn)電壓的平衡。表2總結(jié)了對(duì)中點(diǎn)電流iNP與電壓平衡有影響的電壓矢量。從表2看到，中短矢量都將影響三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡，但由于正負(fù)短矢量產(chǎn)生的中線電流方向是恰好相反的，且它們是成對(duì)出現(xiàn)的，因而相互抵消，不影響中點(diǎn)電壓平衡。而中矢量，由于它其中有一相直接接入了中點(diǎn)Np，因而使得中線有電流，中點(diǎn)電壓會(huì)受到負(fù)載的影響，它是電壓不平衡的根本原因。而長(zhǎng)矢量的每相直接接到母線的正或負(fù)端，因此它的中線不會(huì)有電流，也不會(huì)影響中點(diǎn)電壓的平衡。

表2 中線電流與電壓矢量關(guān)系