■ 中國(guó)石油大學(xué)電氣工程系 馬文忠 吳海波 郭江艷

0 引 言

為了滿足優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)速性能、提高效率及節(jié)能減排技術(shù)的需要，高壓大功率多電平變頻器日益成為研究熱點(diǎn)。而且因?yàn)槠淠蛪阂蟮?、等效開(kāi)關(guān)頻率高、無(wú)需動(dòng)態(tài)均壓、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸、中高壓變頻調(diào)速、PWM可逆整流、電力系統(tǒng)有源濾波、柔性輸電系統(tǒng)等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

二極管箝位型逆變器因?yàn)槠渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)成熟，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓為直流側(cè)電壓的一半等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)的三電平逆變器直流側(cè)采用兩只電容分壓來(lái)產(chǎn)生三個(gè)電平，由于電容工藝上不可能完全相同，所帶負(fù)載及功率開(kāi)關(guān)管狀態(tài)等因素的影響，將造成逆變器中點(diǎn)電位的不平衡，這是NPC型三電平逆變器固有的問(wèn)題，也是三電平變頻器應(yīng)用過(guò)程中亟待解決的比較突出的難題之一。該問(wèn)題將帶來(lái)輸出電壓波形畸變，開(kāi)關(guān)器件承受的電壓不均衡，降低電容的壽命，在有功傳遞時(shí)，可能導(dǎo)致M電平退化為三電平或兩電平等危害，這些問(wèn)題限制了三電平逆變器的應(yīng)用。本文將對(duì)NPC型三電平逆變器的中點(diǎn)電位不平衡的控制策略進(jìn)行深入分析研究。

1 中點(diǎn)電位平衡的硬件控制策略

一般提出的硬件控制策略有兩種：采用大電阻并在電容兩端強(qiáng)行分壓，但是由于三電平逆變器一般用在很大容量的情況下，所以從電壓精度及電源本身的功耗角度出發(fā)，該方法是不可取的；還有在直流電源和電容之間并入換流器，使中性點(diǎn)電流不經(jīng)過(guò)電容而直接流入換流器，從而抑制中點(diǎn)電位的偏移，該方案會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，也不常用。

下面分析一種是引入變流器均衡系統(tǒng)，在電源和電容之間并聯(lián)一個(gè)電壓均衡電路，通過(guò)電感吸收或存儲(chǔ)能量，通過(guò)對(duì)電容進(jìn)行充放電控制來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償中點(diǎn)電位波動(dòng)，該方法原理簡(jiǎn)單，不受逆變器PWM調(diào)制影響，也不受負(fù)載條件的限制，可以很好的抑制中點(diǎn)電位的偏移，下面將給出該方法的兩種硬件結(jié)構(gòu)。但是該方法的缺點(diǎn)是：需要增加額外的開(kāi)關(guān)器件及驅(qū)動(dòng)電路，由于電感中電流變化速度的限制，在頻率較高時(shí)控制效果將受到影響。

圖1是硬件控制策略的中點(diǎn)電位平衡電路的主電路。電路中的T1、T2、T3為IGBT管，D1、D2為續(xù)流二極管，L1、L2為儲(chǔ)能電感，C1、C2為分壓電容。這一電路由Boost和Buck變換器組成。T1、D1和C2構(gòu)成Buck變換器；T2、D2、L2和C1構(gòu)成Boost變換器。與普通抑制電路相比，該電路增加了一個(gè)IGBT管T3，通過(guò)控制T3管的導(dǎo)通與關(guān)斷，在直流側(cè)電壓Vdc降低時(shí)，該電路也能有效抑制中點(diǎn)電位的偏移。

Vdc保持不變時(shí)，T3保持導(dǎo)通，如圖2所示。當(dāng)UC1＞UC2時(shí)，Buck變換電路（T1、D1、L1、C2）開(kāi)始工作，當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)T1、L1、C2使電感L1儲(chǔ)能，另一方面電壓UC1經(jīng)T1與L1構(gòu)成回路，也使電感L1儲(chǔ)能；當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在L1中的電能經(jīng)C2、D1、L1的回路轉(zhuǎn)換到C2中，使C2上電壓增大，直到C1與C2上的電壓平衡。當(dāng)UC1＜UC2時(shí)，Buck變換器不再工作，Boost變換電路開(kāi)始工作，不再詳述。

當(dāng)輸入電源發(fā)生脈動(dòng)導(dǎo)致VDC減小至低于電壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，圖2所示電路中的T3管關(guān)斷，此時(shí)的等效電路如圖3所示。Boost和Buck變換器同時(shí)工作，不僅使C1、C2上的電壓平衡，而且使它們的電壓之和等于所設(shè)定的VDC值。Buck變換器調(diào)整電容C2兩端的電壓。T1導(dǎo)通時(shí)，從VDC流出的電流流經(jīng)T1、L1、C2，使L1儲(chǔ)能；T1關(guān)斷時(shí)，L1中的能量轉(zhuǎn)換到C2中，與此同時(shí)，Boost變換器將能量從C2轉(zhuǎn)換到C1中，調(diào)整C1兩端的電壓，其工作過(guò)程與上述Boost變換模式相同。

2 軟件控制策略

控制中點(diǎn)電位平衡的軟件控制策略分為基于載波PWM控制的中點(diǎn)電位控制和基于電壓空間矢量控制的中點(diǎn)電位控制方法。

1.基于載波PWM控制的中點(diǎn)電位控制方法

眾所周知，在SPWM正弦調(diào)制波里適當(dāng)注入三次諧波(一種零序分量)，就可以得到和空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)相同的輸出線電壓，而SVPWM則相當(dāng)于在正弦波上疊加了一個(gè)零序分量然后進(jìn)行規(guī)則采樣后的結(jié)果。基于SPWM和SVPWM二者之間的關(guān)系，載波PWM控制的中點(diǎn)電位控制方法的原理可以通過(guò)確定在調(diào)制波中加入適當(dāng)?shù)牧阈蚍至縼?lái)實(shí)現(xiàn)。因此，目前通用的方法就是在調(diào)制波中注入零序電壓分量來(lái)控制中點(diǎn)電位，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

A）根據(jù)直流母線側(cè)兩個(gè)電容電壓的差值和電容值，計(jì)算在一個(gè)控制周期內(nèi)平衡中點(diǎn)電位所需要的中點(diǎn)電流大??；

B）根據(jù)參考電壓和三相輸出電流計(jì)算控制中點(diǎn)電位所需的零序電壓大?。?/p>

C）根據(jù)計(jì)算得到的零序電壓，計(jì)算實(shí)際的調(diào)制電壓，進(jìn)而與三角載波比較產(chǎn)生開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.基于電壓空間矢量控制的中點(diǎn)電位控制方法

三電平空間矢量分布圖和第一扇區(qū)矢量分布圖如圖4、圖5所示。

其基本思想是：零矢量和大矢量由于中點(diǎn)不參與能量的傳送，因此它對(duì)中點(diǎn)電位沒(méi)有影響，而中矢量和小矢量由于中點(diǎn)處都會(huì)有電流流過(guò)，也即有能量的流動(dòng)，因此它會(huì)帶來(lái)中點(diǎn)電位的不平衡。其中每個(gè)小矢量都有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)（正小矢量和負(fù)小矢量），而且這兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響剛好相反。因此合理安排正負(fù)小矢量的作用時(shí)間，可以很好的平衡中點(diǎn)電壓。目前電壓空間矢量中平衡中點(diǎn)電位的方法主要有：

（1）開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)交替選擇正負(fù)小矢量，不需要檢測(cè)直流母線電壓和輸出端電流，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但是由于無(wú)法補(bǔ)償中矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，所以只能通過(guò)中矢量自身的對(duì)稱性，在一個(gè)完整的輸出電壓周期內(nèi)，完成中點(diǎn)電壓平衡，導(dǎo)致中點(diǎn)電壓存在很大的低頻紋波。

（2）檢測(cè)直流側(cè)電容電壓大小，然后根據(jù)中點(diǎn)電壓的偏離方向，合理安排正負(fù)小矢量PWM脈沖的作用時(shí)間，進(jìn)行中點(diǎn)電壓補(bǔ)償。

（3）檢測(cè)直流側(cè)電容電壓大小和直流側(cè)中點(diǎn)電流方向，然后根據(jù)中點(diǎn)電壓的偏離方向合理安排正負(fù)小矢量PWM脈沖的作用時(shí)間，進(jìn)行中點(diǎn)電壓補(bǔ)償。這種方法由于增加了中點(diǎn)電流方向檢測(cè)，因此可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的中點(diǎn)電壓調(diào)整，而且不受功率因數(shù)的影響。

方法（2）和（3）實(shí)際都是一種砰－砰控制。實(shí)現(xiàn)方法如下：

例如合成圖7中的參考矢量，選用，小矢量POO和OON合成電壓效果相同，但對(duì)中點(diǎn)電位影響相反。方法（2）和（3）即合理安排小矢量正負(fù)兩種狀態(tài)的作用時(shí)間，一般是引入一個(gè)時(shí)間調(diào)制因子k，使中點(diǎn)電位向平衡的方向發(fā)展。如采用下述規(guī)則：

當(dāng)-h≤Δ∪≤h時(shí)，取0.5；

當(dāng)Δ∪＞h，且此時(shí)首發(fā)小矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流的方向?yàn)榱魅?，則k＞0.5，否則k＜0.5；

當(dāng)Δ∪＜-h，且此時(shí)首發(fā)小矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流的方向?yàn)榱魅耄瑒tk＜0.5，否則k＞0.5。

二者的區(qū)別是，方法（2）只根據(jù)中點(diǎn)電位偏移的方向來(lái)確定調(diào)制因子，該方法受到負(fù)載功率因數(shù)和調(diào)制因數(shù)的影響，當(dāng)功率因數(shù)較小或調(diào)制因數(shù)較高時(shí)，對(duì)中點(diǎn)電位的調(diào)節(jié)作用不明顯。方法（3）根據(jù)中點(diǎn)電位偏移的方向及中點(diǎn)電流的方向來(lái)確定調(diào)制因子，將取得比方法（2）好的效果，但仍不能完全抑制中點(diǎn)電位的偏移。

（4）檢測(cè)直流側(cè)電容電壓大小和三相交流輸出電流。該方法通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)三相交流輸出電流方向得到方向函數(shù)，利用該函數(shù)選擇一個(gè)PWM周期內(nèi)不同電壓矢量作用時(shí)間來(lái)控制中點(diǎn)電流方向，實(shí)現(xiàn)電壓平衡。理論上這種方法更好，它能計(jì)算出補(bǔ)償?shù)木唧w時(shí)間，理論上能精確計(jì)算時(shí)間調(diào)制因子k，從而精確的控制中點(diǎn)電流，從而完全抑制中點(diǎn)電位的偏移，但是該方法要采樣的數(shù)據(jù)比較多，計(jì)算量比較大，對(duì)軟硬件的要求較高。下面給出的分別是A、B、C、D小區(qū)間內(nèi)時(shí)間調(diào)制因子k的計(jì)算公式：

3 結(jié)論

本文主要分析了目前NPC型三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡的控制策略，主要分為硬件方面的和軟件方面的。硬件控制策略一般是在電源和電容之間并入均衡電路，這種方法能很好的抑制中點(diǎn)電位的偏移，但是因?yàn)槎嚯娖侥孀兤鞫嘤迷诖笕萘康膱?chǎng)合，導(dǎo)致成本增加，且電路的復(fù)雜性增加，也增大了器件故障的幾率。因?yàn)橹悬c(diǎn)電位的波動(dòng)主要是中點(diǎn)流入流出的電流不相等造成的，本文介紹了依此為理論依據(jù)的兩種軟件控制策略，分為基于SPWM控制的中點(diǎn)電位控制策略和基于SVPWM控制的中點(diǎn)電位控制策略。前者一般就是在調(diào)制波中注入零序電壓分量來(lái)控制中點(diǎn)電位，后者則一般是通過(guò)控制正負(fù)小矢量的作用時(shí)間來(lái)使中點(diǎn)電位向平衡的方向發(fā)展。

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