三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問題的研究

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題，即中點(diǎn)平衡問題。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。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)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(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?？臻g矢量方法中平衡中點(diǎn)電位的方法[4]歸納起來主要有以下幾種：　　

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(diǎn)電位朝不平衡方向的相反方向來選擇，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控制電流的調(diào)制因子，需要檢測中點(diǎn)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(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中點(diǎn)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(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。

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(duì)稱感性負(fù)載?！　∫腴_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(gè)點(diǎn)（j=p，n，o），對(duì)中點(diǎn)箝位型的變換器建立等效模型如圖1所示。

對(duì)于直流側(cè)的節(jié)點(diǎn)0列電流關(guān)系方程得

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

2電壓空間矢量對(duì)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(duì)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(diǎn)電流i0不為0，直流側(cè)的電容就會(huì)充放電，從而影響中點(diǎn)電位。在4類矢量中的零矢量，由于三相電位相等，所以中點(diǎn)不會(huì)有電流通過，因此不會(huì)影響中點(diǎn)電位。大矢量，由于中點(diǎn)根本就沒有參與能量的傳輸，因此也不會(huì)產(chǎn)生影響。中矢量和小矢量，中點(diǎn)會(huì)參與能量的傳輸，也即中點(diǎn)電流io不為零，所以都會(huì)影響中點(diǎn)電位。圖3是中點(diǎn)電流灌入和抽出兩種工作狀態(tài)下，中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響；圖4是中點(diǎn)電流灌入和抽出兩種狀態(tài)下小矢量p狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響；圖5是中點(diǎn)灌入和抽出兩種不同狀態(tài)下n狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)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(duì)中點(diǎn)電位的影響。(圖中→及←表示中點(diǎn)電流的方向。↑及↓表示中點(diǎn)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(diǎn)電流灌入的時(shí)候，中點(diǎn)電位上升，中點(diǎn)電流抽出的時(shí)候，中點(diǎn)電位下降。從圖6可以看出當(dāng)某相電流方向確定的時(shí)候，小矢量p，n狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)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(shí)間調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位平衡的原因。

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(diǎn)電流的方向合理選擇小矢量p，n狀態(tài)可以平衡中點(diǎn)電位。假設(shè)中點(diǎn)電流抽出的時(shí)候?yàn)檎?，則當(dāng)vdc1－vdc2>h，io<0或vdc1－vdc20時(shí)，合成參考電壓矢量的小矢量選p狀態(tài)；當(dāng)vdc1－vdc2>h，io>0或vdc1－vdc2

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果　　

為了研究滯環(huán)控制方法的特點(diǎn)，建立了主電路如圖1的變換器，負(fù)載為2.2kw異步電動(dòng)機(jī)，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(diǎn)電位波形；圖9為滯環(huán)控制svpwm方法輸出線電壓波形。

5結(jié)語　　

中點(diǎn)箝位型的三電平變換器，雖然存在中點(diǎn)電位的不平衡問題，但是，通過適當(dāng)?shù)姆椒?，中點(diǎn)電位的不平衡問題可以很好地得到抑制。因此，中點(diǎn)電位的不平衡問題不會(huì)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(diǎn)電位的效果好，是目前廣泛采用的一種控制方法。