中点钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制策略

中点钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制策略

1电平变压器的应用在中点可控三平压结构中，每个开关管的电压仅为直接侧电压的一半，这有利于提高装置的电压等级。同时,由于相电压有三种电平状态,比传统的二电平逆变器多了一个电平,三电平可以输出阶梯波,在同样的开关频率及控制方式下,三电平逆变器输出电压和电流谐波显著小于二电平逆变器。因此,三电平逆变器在中高压变频调速、有源电力滤波器和电力系统无功补偿等领域有着广阔的应用前景。本文论述了二极管钳位型三电平逆变器中点波动的成因和危害,重点分析了目前三电平逆变器中点波动的控制策略,主要有基于SVPWM的控制和基于SPWM的控制,并对每种控制分析概括了其优、缺点,为实际应用提供了一点参考。2中点不平衡的成因中点箝位型三电平逆变器采用两个电容串联来产生三个电平,而实际上,由于开关器件本身特性的不一致和变换器能量转换时中点电位参与能量的传输,加之电容值不可能到无穷大,三电平逆变器的直流侧两个电容的电压并不能完全相等,而是存在一定的波动,因此会产生两个电容电压分压不均的问题,即中点平衡问题。下面从本质上来分析二极管钳位型三电平逆变器中点不平衡的成因,电路拓扑图如图1所示。中点电位的不平衡是由于直流侧电容C1、C2分压不均造成的,而电容电压的改变是通过流入或流出中点N的电流大小来实现的。具体以A相为例,图中iA表示从A相流出的负载电流。用Vc1、Vc2表示C1、C2两个电容上的电压。表1是逆变器在1,0,-1三个模态时,Vc1、Vc2的变化趋势。当逆变器处于1态或-1态时,虽然Vc1、Vc2也会发生变化,但是中点N的电位维持不变。而当逆变器处于0态时,中点N的电位就会随负载电流的流向而发生变化。当负载电流流出逆变桥时,中点电位降低;当负载电流流入逆变桥时,中点电位升高。在一个输出电压周期中,中点电位随着负载电流的流向周期性的发生波动,如果负载电流不平衡,就会使这种波动随周期渐渐积累,最后导致中点的偏移;影响系统的安全。所以,在二极管钳位型三电平逆变器中,中点电位的波动是必然存在的,控制的目的有两个,一是要在大范围内防止中点的偏移;二是在小范围内尽量减小中点波动的幅度,提高输出电压的质量。3谐波特性分析三电平逆变器直流电容中点电位不平衡问题,其危害主要有以下几个方面:(1)中点电位发生漂移,交流输出侧产生低次谐波,降低逆变器输出效率,谐波对电机负载产生脉动转矩,影响调速性能;(2)功率开关器件在工作时,承受的电压不均衡,一相桥臂有的功率器件承受电压偏大,影响器件的正常工作;(3)直流侧电容上电压的波动也降低了电容的使用寿命。4混合桥式电路设计中点平衡的控制总体上分为硬件控制和软件控制两大类,文献提出了一种抑制三电平逆变器中点电位偏移的硬件电路的实现方法。该方法在直流电容两端增加了一个由两个开关管和两个二极管组成的混合桥式电路,通过检测电容两端的电压差值,控制附加电路的开关管导通和关断,形成局部的buck或boost电路,对电压低的电容升压,对电压高的电容降压。从而达到中点平衡的目的。用硬件控制中点电位的平衡,虽然控制算法上面较为简单,但是在电路中要附加大量的器件,所以目前中点平衡的控制研究基本上集中在改进软件控制算法上面。针对软件控制算法,又有两大类不同的控制,一种是基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的控制方式,另一种是基于正弦脉宽调制(SPWM)调制的控制方法。4.1svpwm控制策略SVPWM控制方法是目前用的比较多的控制方法,因为三电平逆变器一般用在大容量、高电压的应用场合,采用的多是三相逆变结构,而在三相逆变器中为了提高电压的利用率,一般都是采用空间矢量的调制方式。传统的三电平逆变器的空间电压矢量控制,采用将空间电压矢量图分成6个60度大区间,在每一个60度大区间中,又分成4个三角形小区域,判断空间电压矢量的矢端位于哪一个三角形小区域,在这个区域中,采用最近三矢量的合成法则,如图2所示。矢量作用时间已由参考电压矢量决定,矢量作用次序与中点电位波动有关,三相桥臂每相有三个开关状态,整个系统就有33=27种开关状态,分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。大矢量和中矢量没有冗余的开关状态,而零矢量和小矢量存在冗余;对于中点电流而言,零矢量和大矢量对应的中点电流为零,所以中点电位的控制就是用小矢量抵消中矢量产生的中点电位的不平衡。可以考虑利用多余的小矢量来控制,一般采用改变作用次序的方法使波形在一个控制周期内对称。针对具体的控制策略不同,SVPWM调制方法又分为以下三种控制策略:(1)精确控制:该方法通过控制小矢量中点电流调制比的大小,使中点电位精确平衡。但这种办法需要测量各桥臂输出电流和中点波动的大小和方向。该方法的优点在于能精确的控制中点平衡,使中点几乎不波动。但实现起来比较复杂,而且可能会因为舍去某些开关状态而增加系统的开关损耗。(2)滞后控制:这是一种较简单,也是目前应用最广泛的方法。该方法通过检测中点波动的方向,来选择合适的小矢量的开关状态对中点电位加以控制。使用这种方法只需要知道每相的电流方向和中点波动的方向,而不需要知道其具体的值。该方法的缺点是中点电位仍会在小范围内波动,而且中点电位的波形中会含有高频分量,但它实现简单,鲁棒性强。本文将对这种方法进行改进,用来对中点电位加以控制。(3)消极控制:这种方法在各开关周期内交替使用小矢量的正负开关状态。该方法只能在负载平衡、对称的时候获得较好的效果。而实际应用中,一般负载都难以完全平衡,该方法的控制效果就会受到很大的影响。该方法还有一个缺点就是对于负载的暂态过程响应效果差,鲁棒性差。因此可以用该方法来作为中点控制方法的一个基准,以此来衡量其他控制方法的效果。4.2角滤波波的控制基本原理采用SPWM调制方法控制中点电位的不平衡,目前研究的不多。文献提到一种基于零序电压注入的三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法;文献提出了应用滞环控制的SHEPWM调制控制中点平衡的方法。这些方法控制复杂,需要大量的计算;文献提出了一种根据负载电流、中点电位波动方向以及作用的电压来选取电平作用模式控制中点电位波动的方法,但该方法在每个载波周期都要进行大量运算,且要改变脉波的发生方式,对于SPWM调制方式已经确定的程序来说,实际实现起来比较困难。这里提出一种简单的中点控制方法,它基于三相SPWM调制策略,采用载波跟随参考波上下浮动,控制三相电流在一个载波周期内等效作用为零,有效的控制了三电平电路的中点偏移。三相逆变器采用三相独立SPWM调制方式的时序波形如图3所示。将该波形在半个载波周期内放大,由于载波周期很短,在半个载波周期内,三相的参考波可以认为恒定,如图4所示。采样时刻发生在三角载波的波峰或波谷,PWM采用低电平有效比较发出。图上的粗线表示各相输出零电位的时间,从图中可以看出,各相输出零电位的时间分别为ta,tb,tc,它们一般不相等。当采样周期足够小时,可以认为各相电流近似不变,那么在这半个采样周期内从中点流出与流入的总电荷量为:ΔQ=iata+ibtb+ictc(1)一般情况下,上式中ΔQ≠0,因而中点电位就会随之变化。由于ΔQ会呈现周期性的变化,所以中点电位也会出现相应的周期性的波动。但如果负载较大的话,波动的幅度还是较大的。如果要抑制中点电位的偏离,可以想法使式(1)满足ΔQ=0。图5正是为抑制中点电位变化而提出的两个三角形载波可上下浮动的SPWM方法。三角波的浮动规则为:上调制波UTu的最小值与三相调制波中的最小值保持一致;下调制波UTd的最大值与三相调制波中的最大值保持一致。两个三角波在每个采样周期内幅值变化量仍保持不变。这样从图5中可看出,三相电压调制波均处于UTu和UTd之间,每一相接通零电位的时间分别为:ta=ab,tb=cd,tc=ef(2)由图中的平行四边形可知:ab=cd=ef,所以ta=tb=tc,故ΔQ=iata+ibtb+ictc=(ia+ib+ic)ta(3)对于常见的三相三线负载,ia+ib+ic=0,所以ΔQ=0。这样就可以在每个采样周期内均维持中点电位不变。这种改进的SPWM方法可以消除中点电位的偏移,也有一些缺点:(1)浮动三角载波的确定会增加一些运算量;(2)开关动作会有所增加,所以中点电位的抑制是以增加逆变器开关频率为代价的。5中点电位波动的控制策略本文论述了二极管钳位型三电平逆变器中点波动的成因和危害,得出中点电位的波动是由于中点流入流出的电流不相等造成的。分析了目前三电平逆变器中点电位波动的控制策略,主要有基于