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三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問題的研究

時(shí)間:2023-05-01 12:35:42 電子通信論文 我要投稿
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三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問題的研究

摘要:為了全面分析中點(diǎn)電位平衡問題,建立了一個(gè)三電平變換器的數(shù)學(xué)模型,分析了三電平變換器中點(diǎn)電位不平衡的原因,詳細(xì)地討論了空間矢量控制方法中不同矢量對中點(diǎn)電位的影響。最后,實(shí)驗(yàn)研究了一種基于檢測直流側(cè)中點(diǎn)電流的方向和直流側(cè)電容電壓的大小,來平衡中點(diǎn)電位的滯環(huán)控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該滯環(huán)控制方法平衡中點(diǎn)電位的有效性。

    關(guān)鍵詞:三電平變換器;中點(diǎn)電壓平衡;空間矢量PWM

三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問題的研究

引言

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。

圖1

    國內(nèi)外學(xué)者對三電平逆變器中點(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。

圖2

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] [2] [3] 

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