三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的電壓空間矢量控制原理及算法
摘要:分析了三電平電壓空間矢量調(diào)制基本原理,深入研究了影響三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的主要因素,由此提出一種控制箝位二極管電壓型三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的電壓空間矢量算法。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的控制算法能有效平衡三電平逆變器中點(diǎn)電壓。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/179721.htm關(guān)鍵詞:三電平逆變器;電壓空間矢量脈寬調(diào)制;中點(diǎn)電壓平衡;箝位二極管
1 引言
近年來,在高壓、大功率變換電路中,一種新型的變換器——箝位二極管式電壓型三電平逆變器(如圖1所示),引起了越來越多的關(guān)注。它不僅能應(yīng)用于大功率高輸入電壓的逆變場合,而且能應(yīng)用于如靜止無功補(bǔ)償、電力有源濾波器等電力電子裝置中。歸納起來,三電平逆變器主要有兩個(gè)顯著特點(diǎn):
圖1 三電平逆變器電路圖
1)由多個(gè)電平臺階合成的輸出電壓正弦波形,在相同開關(guān)頻率條件下,與傳統(tǒng)二電平逆變器相比,諧波含量大大減少,改善了輸出電壓波形;
2)開關(guān)管的電壓額定值只為直流母線上電壓的一半,使低壓開關(guān)器件可以應(yīng)用于高壓變換器中。
但是,三電平逆變器的缺點(diǎn)是控制策略較復(fù)雜和出現(xiàn)中點(diǎn)電壓不平衡的問題[1],其中,中點(diǎn)電壓不平衡是三電平逆變器的一個(gè)致命弱點(diǎn)。顯然,若逆變器直流母線上并聯(lián)兩電容的中點(diǎn)電壓在運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定,它將引起輸出的三電平電壓變化,不僅使輸出電壓波形畸變,諧波增加,而且使三相輸出電流不對稱,失去三電平逆變器的優(yōu)勢。然而,對于中點(diǎn)電壓不平衡問題,目前尚未有根本的解決方法。其中有代表性的方法一是利用改進(jìn)硬件電路實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓平衡的方法[2];二是通過改變開關(guān)時(shí)序或控制矢量電壓持續(xù)時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)電壓平衡。但都存在電路復(fù)雜、控制效果不理想的問題。
為此,本文基于傳統(tǒng)二電平逆變器電壓空間矢量控制原理[3],提出基于平衡三電平逆變器中點(diǎn)電壓的電壓空間矢量控制的思想,從而在不增加硬件電路情況下,根本解決了三電平逆變器中點(diǎn)電壓不平衡的問題。
2 三電平電壓空間矢量調(diào)制及中點(diǎn)電壓不平衡原因
在傳統(tǒng)三相兩電平逆變器中,電壓空間矢量個(gè)數(shù)為23=8[2]。根據(jù)三相兩電平逆變器電壓空間形成原理,箝位二極管式電壓型三電平逆變電路的電壓矢量合成圖如圖2所示,表1是它的每相開關(guān)狀態(tài)表,總共有33=27個(gè)合成電壓矢量。與三相兩電平逆變器不同,三電平逆變器電壓矢量可分為長矢量,中矢量,短矢量和零矢量,其中ppp,ooo和nnn是零矢量;還有12個(gè)短矢量(模長=Vdc);6個(gè)中矢量(模長=)以及6個(gè)長矢量(模長=Vdc)。
圖2 三電平電壓空間矢量圖
結(jié)合電壓空間矢量圖可以得到三電平逆變器三相電壓合成機(jī)理:任意時(shí)刻的三相電壓Va、Vb和Vc可由三個(gè)相鄰的電壓空間矢量合成,當(dāng)電壓矢量沿著逆時(shí)針或順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí),空間矢量由一個(gè)有效狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)有效狀態(tài),從而產(chǎn)生連續(xù)的三相電壓。
表1 三電平開關(guān)狀態(tài)關(guān)系(X=a,b,c)
開關(guān)符號 | 開關(guān)狀態(tài) | 電壓值 | |||
---|---|---|---|---|---|
Sx1 | Sx2 | Sx3 | Sx4 | ||
pon | ONOFFOFF | ONONOFF | OFFONON | OFFOFFON | Vdc/20-Vdc/2 |
從上面分析可知,三電平逆變器每相都有三個(gè)開關(guān)狀態(tài),即p,0和n。例如:pon表示Va=Vdc/2;Vb=0和Vc=-Vdc/2,在此pon電壓矢量中,B相輸出直接接到中點(diǎn)Np上,因此,將影響中點(diǎn)電壓的平衡。表2總結(jié)了對中點(diǎn)電流iNP與電壓平衡有影響的電壓矢量。從表2看到,中短矢量都將影響三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡,但由于正負(fù)短矢量產(chǎn)生的中線電流方向是恰好相反的,且它們是成對出現(xiàn)的,因而相互抵消,不影響中點(diǎn)電壓平衡。而中矢量,由于它其中有一相直接接入了中點(diǎn)Np,因而使得中線有電流,中點(diǎn)電壓會受到負(fù)載的影響,它是電壓不平衡的根本原因。而長矢量的每相直接接到母線的正或負(fù)端,因此它的中線不會有電流,也不會影響中點(diǎn)電壓的平衡。
表2 中線電流與電壓矢量關(guān)系
正短矢量 | inp | 負(fù)短矢量 | inp | 中矢量 | inp | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
onn | ia | poo | -ia | pon | ib | ||
ppo | ic | oon | -ic | opn | ia | ||
non | ib | opo | -ib | npo | ic | ||
opp | ia | noo | -ia | nop | ib | ||
nno | ic | oop | -ic | onp | ia | ||
pop | ib | ono | -ib | pno | ic |
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