二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制

二极管钳位型三电平逆变器中点电位平衡控制

1电平逆变电路中点电位不平衡问题的研究与传统的两平分离器相比，多平分配器的输出电压平均数增加，电压变化率d/d降低，开关频率降低，导致输出台阶电压波形平滑，电压和电流的变形减少。因此，在大型休息无源负压器、宽通道电源和高压调速器领域进行了广泛的研究和应用。在几种多电平拓扑结构中,二极管钳位型(NPC)三电平逆变电路由于结构最为简单,无需复杂的变压器,控制电路和控制方法也较为简单,因而得到广泛的应用;但三电平逆变电路存在一个固有问题,即中点电位不平衡。目前,国内外很多学者都在进行这方面的研究,大致可以分为注入零序分量的载波控制方法和通过调整小矢量对的作用时间来控制中点电位平衡的空间电压矢量控制方法。但无论是哪种控制方法,最终都是归结于调整平均输出电压中的零序分量。针对三电平逆变器中点电位不平衡的问题,本文分析了引起中点电位不平衡的原因以及各空间基本矢量对中点电位的影响,并在文献的基础上加入反馈控制结构,对注入零序分量实现中点电位平衡的SPWM方法进行了基于PSpice的仿真研究,仿真结果表明,当注入6n倍次零序分量时,中点电流中产生直流分量,并且当注入的零序分量幅值等于上下两电容电压差时,中点电位得到了有效的控制。仿真结果验证了理论的正确性以及控制方法的有效性。2三平压器的中点水位控制2.1带开关的变器空间电压佐以三电平逆变器主电路的等效模型如图1所示,当逆变器正常工作时,每相桥臂有3种开关状态,分别为1,0,-1,用P,O,N分别表示,因此三相三电平逆变器共有27种开关状态组合,在α-β平面可以表示成如图2所示的空间电压矢量图。其中将大六边形的顶点所在位置的矢量定义为大矢量,幅值为,如PNN,PPN;大矢量将六边形空间电压矢量图分成了6个扇区,将每个扇区的角平分线所在位置的矢量定义为中矢量,幅值为姨3Ud/3,如PON;将内部小六边形的顶点所在位置的矢量定义为小矢量,幅值为Ud/3,如POO,ONN;将α-β坐标原点处的矢量定义为零矢量,幅值为0,如PPP,OOO,NNN。2.2中点电位的影响造成中点电位不平衡的原因有很多,电容电压固有的波动、负载的波动等。一般电容电压固有的波动大小受电容容量的限制,不会影响系统的正常运行,而由于负载情况造成的波动是必须考虑的。由图1和图2知,大矢量PNN使得三相负载没有一相接至母线中点,此时,流过母线中点的电流iN=0,因此,母线中点电位不会波动;零矢量OOO使得负载三相短路,并接在母线中点上,此时流过母线中点的电流iN=0,也不会导致中点电压的波动;而中矢量PON使得a,c两相负载分别接至正、负母线上,b相负载接至直流母线中点,此时流过母线中点电流iN=ib,因此中点电位受b相负载的影响;小矢量POO使得a相负载接至正母线上,b,c两相负载接至母线中点,此时中点电位受b,c两相负载的影响。由以上分析可知,大矢量和零矢量不会影响中点电位,而中矢量和小矢量使三相负载的一相或两相被连接到直流母线中点,并经过直流母线分压电容和正负母线形成回路,使得中点电流受负载电流的影响,从而导致中点电压波动,如图3所示。2.3spwm方法的原理中点电位控制的调制方式主要分成空间矢量调制和正弦载波调制。对于三电平中点钳位型逆变电路而言,由于中矢量引起的中点电流与负载相位有关,因此对于中矢量无法直接实施控制,而每对小矢量引起的中点电流极性相反,通过调整正负小矢量的相对作用时间能够在一个开关周期实现对中点电位的平衡控制。但是随着电平数的增多,矢量和相应的开关冗余状态及运行状态控制复杂度都大大增加,相应的算法更加复杂。因此,本文主要研究注入零序分量的SPWM方法,即通过给调制波中注入适当的零序分量来调节中点电位。具体方法是:通过一个反馈结构,将上下电容的差值作为注入零序分量的幅值,通过控制叠加在各相电压指令上的偶数次零序电压指令达到间接控制小矢量的作用时间,使得中点电位达到平衡。实现的框图如图4所示。3从基波周期求解直流分量设逆变器三相输出电压电流如下式所示:式中:a为相电压幅值对Udc归一化后的值;ω为角频率;θ为功率因数角;I为各相电流幅值。在一个关周期中,中点电流的平均值可表示为式中,Rx(x=u,v,w)为一个开关周期中三相桥臂连到中点N的时间比。Rx值通过下式三相输出电压的值来确定:为了便于分析,将基波周期按三相正序输出电压过零点分成6个扇区,如图5所示。将零序分量分成6n(n=1,2,…)倍次和6n-3倍次来讨论,在包含零序分量的三相对称输出电压中,一个基波周期内,设u相电压过零点第1个电角度为φ,第2个电角度为φ+π;v相电压过零点第1个电角度为φ+2π/3,第2个电角度为φ+5π/3;w相电压过零点第1个电角度为φ+π/3,第2个电角度为φ+4π/3,当注入6n倍次零序分量时,第1个过零点的电压由下式得出:从式(5)和式(6)可知,向指令电压中注入6n倍次零序分量,一个基波周期按过零点当β=6nφ时能分6个区间(n为非零自然数,β为注入零序分量初始相位角),当β≠6nφ时只能分3个区间。利用式(1)~式(4)分别计算6个区间的中点电流iN,将计算得到的表达式统一到第1扇区,化简结果如下:将式(7)中的6个表达式叠加化解,可得中点电流在区间[φ+π/3,φ+2π/3]的表达式如下:再对式(8)在一个基波周期计算平均值得:代入β=6nφ化解可分别得到注入6次、12次的结果如下式所示:由此可得注入6n次的结果如下式所示:由式(10)~式(12)可知,只要θ不等于φ,一个基波周期内,注入6的倍数次零序分量能够产生直流量。对于注入零序分量初始相位角不特定的情况,一个基波周期按三相电压过零点只能等分3个区间,按上述方式,分别求取3个区间表达式、移相,最后得到注入6n倍次零序分量的通用表达式见式(13),由此可知,当β≠6nφ时,对式(13)作积分,能得到一个直流分量。因此向指令电压中注入6n倍次的零序分量时,总能产生直流分量;同样的方法:向指令电压中注入6n-3倍次的零序分量时,中点电流不能产生直流分量。4零序分量时中点电流的变化利用PSpice仿真软件搭建了系统仿真模型,分别对注入6次、12次零序分量时的三电平系统进行了仿真研究,仿真参数分别为:交流侧输入380V,经过三相桥式整流电路输出幅值为540V的直流,三相对称负载为R=10Ω,L=15mH,直流侧分压电容为C1=C2=4700μF,载波频率为2kHz,系统输出频率为50Hz。仿真波形如图6~图8所示。图6分别为注入6次、12次零序分量时中点电流的频谱图,图7为图6对应的放大图。由图6、图7可知,当注入6次零序分量时,中点电流的直流分量为0.152A,注入12次零序分量时,中点电流的直流分量为0.03117A。图8中,图8a为没有注入零序分量时中点电位的波形图,中点电位在-1.3279V与2.7292V之间波动;图8b为注入6次零序分量后,中点电位的波形图,中点电位在-0.491V与0.704V之间波动;图8c为注入12次零序分量后,中点电位的波形图,中点电位在-0.381V与0.549V之间波动,由图8可知,注入6次、12次零序分量后,中点电位波动得到了有效的抑制。5仿真结果验证对于二极管钳位型三电平逆变器,其直流侧中点电位不平衡需要通过往