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三电平并网逆变器中点电压平衡研究.pdf

三电平并网逆变器中点电压平衡研究

开心CCS
2011-04-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《三电平并网逆变器中点电压平衡研究pdf》,可适用于人文社科领域

三电平并网逆变器中点电压平衡研究三电平并网逆变器中点电压平衡研究张文平。李霄BorisL.CorralMartinez徐德鸿浙江大学电气工程学院杭州Email:zhangwenpingzju.edu.cn摘要分析了基于空间矢毒调制的极管箝位型三电平并网逆变器的中点电压不平衡机理给出了由中矢量和小矢量引起的巾点电流的数学表达在此基础卜阐述了通过对不同短矢量的冗余矢量的控制达到中点电压甲衡的方法通过仿真和实验验证了不平衡机理分析的正确和中点电压控制算法的有效。关键词三电平中点电压不平衡SVM.引言与传统的两电平结构相比二极管箝位型三电平逆变结构具有如下优点:)每个功率管承受的电压为直流侧的一半)在相同开关频率下输}H波形的谐波含量降低)功率器件开关损耗降低因而t电半逆变电路在中高压大功率的场合得到了“泛的应用till。但是j电平逆变器直流侧采用两个电容辞联产生互个电平中点电位参与能量的传输因此会产生两个电容分压不均的问题这样不仅会增大输出电压波形的谐波含量而且逆变器中某些开关管所承受的电压会上升严重时会损坏开关器件和直流电容因而要控制中点电压的小平衡。避免中点电压的不平衡一般采用以下方法:)路独立直流电源H这将会增加系统成本)增加功率变换电路控制中点电压∽这将会增加系统成本和控制复杂度)在控制方法卜合理选择冗余矢餐的作用时『HJ和顺序”。此方法实现简单有效凼而成为常用的中点电压控制方法。现有对中点平衡的研究侧重点在于对电压波动的抑制缺乏对中点电压波动机理的深入分析不能揭示电压波动问题的实质。因而有必要对中点电压不平衡机理深入分析。.中点电压和中点电流的关系二极管箝何式三电平并网逆变器如图(a)所示为了便于分析电压波动和中点电流的关系将图(a)等效为图(b)其中设%恒定直流侧负端为一啪正端为'L啪以流出中点为中点电流正方向中点电流fD和中点电位%之『HJ的关系分析如下:对图(b)二电容列写表达式‘=cld(V./Vo)k=c'兰丝二竺兰!其中E竺厂:蚪oJIIl。。妒lI厂(a)j电平并网逆变器电路图(b)三电平并网逆变器开关模型图l三电平并网逆变器和开关模型cl=c=c那么屯:t·c.一ic::c丛婴即式中点电流‘非零将引起中点电位圪的波动。.圪一寺J屯础().电压空间基本矢量引起的中点电流分析三电平逆变器基本矢量如图表l列出基本矢量与开关状态对应关系。由于大矢量和零矢量不会对中点电流造成影响下面重点分析中矢量和小矢量对中点电流的影响。.中矢量引起的中点电流开关周期乃中某一中矢量引起的中点电流/o=该矢量作用的占空比如似×该矢量所对应的引入中点的电流‘以此可以写出第扇区第扇区的表达式如式:以(f)ב(参考欠肇落于扇逸’()‘。=吒(f)ב(参考矢鼍落于l。扇区)丸(f)ב(参考矢鼍落于扇区)引入%鸭帆将式写成矩阵的形式如式其中%嘞%定义如表。国家高技术研究发展专项(课题编号:AA)经费资助··‘一。=九(f)×%%图三电平窄问电压基本矢量表l三电平卒『日J电压基本矢量和开关状态对应天系矢量种类开关状态长矢量pnn.ppn.npn·npp·nnp.pnp中久量ponopnnpohoponpPnO小矢量pooorlnppoOOtlopo:tl,oppnoppt护opOnO零矢量ppp,ooonl,ltlmc豳第十八届全国电源技术年会论文集表中矢量在各个扇区中开关状态‘飓的对应关系所处扇区开关状态●k%mb朋cI/pon/nop岛OlO●opn/onpI口lO/npo/pnoIcOl式c习中%=%彻(研%黼卜訇哏黜p訇M.和M.为中矢量d轴和留轴的权衡因子设调制比m=.将每个开关周期中t(f)等参数代入即可得到一个工频周期下M。和M。的变化曲线如图。■'如图和式b和毛是恒定的直流分量时中点电流频率为基波频率的倍平均值为所以虽然中矢量不可控但在一个工频周期中可以自然平衡唯一关心对式进行坐标变换即将式代入式并整理得到式嵋=%咖c功鸭×砌(口一訇幌嘲(口警)伽(口)=l鲫(口一等)●●●‘●●】岛.l●●’●哪一竺L/‘一。=鸩sin(a)。拥f口一一aLJ嘲一十到L/鸩:|:图中矢量对应的尬和鸩在一个工频周期内变化趋势的是倍频的交流脉动的大小因此需要通过小矢量冗余开关的选择抑制中矢量引起的交流脉动。.小矢量引起的中点电流为分析问题考虑二种极端情况即小矢量全部使用正小矢量或全部使用负小矢量。在一个开关周期中可能用到二个小矢量于是将小矢量分成岛组和岛组如图所示第“扇区的中点电流表达式如式其中全部选择正小矢量时mjo=ms=l。全部选择负小矢量时所。D=晰一。fj口ficr参考矢量落于扇区、毛一=%oxd,o(f)‘f参考矢量落于扇区f.r参考矢罱落于扇区‘r参考矢量落于扇区~‘r参考矢量落于扇区‘f参考矢量落于扇区引入so.sob昆pSla$毋。将式写成矩阵的形式如式其中S融岛pS墨Sk。定义如表对式进行坐标变换即将式代入式并整理得到式.‘一j小一J㈡≥铷●●slts协slc所处扇区sllOxilx‰Sob鼢Jonn/pooppo/oonb●lclOl●non/opoppo/oonbkOlO●non/opoopp/nookl●垂oop/nnoopp/noo≈kOOOOoop/nnopop/onolcbOO●●疗OHn/ppop/onokblOOO‘一=m,oxtoX。"Ims,Xt。×s。他。×t。×%。.×t.ב乏其中‰=‰嘟c功‰瞄p一舅‰锄p訇·‰=‰豳c回‰血p一訇‰血p訇‰=%瞄c功屯瞄(口一等)^。。os(口寺)~=屯血c功‰血(口一訇帆血(口十T妇)··×、■fl~以×%‘‘‘‘‘三电平并网逆变器中点电压平衡研究图小矢量对应的&和品在一个工频周期内变化趋势.中点电压控制策略由前长矢量和零欠量都不会引起中点电位波动中矢量和短矢量的作用会引起中点电位波动而正负小欠量对中点电压产生的影响相反如表可通过调节j下负小矢量相对作用时间(总作用时间不变)来对由中矢量引起的中点电压的波动进行补偿达到对中点电压不平衡的控制。下厩以参考矢量落红扇区中区t角形为例进行分析如图此时参与组合参考矢量的三定义:竹o×九×墨M曩×氏×%=岛%×厶׉一l×以l×%=置称只和S为小矢量d轴和g轴的权衡因子式转换茭i。s)‘idsxiq·设m=O.将每个开关周期中to吃l等参数代入即瓦得到一个工频周期下毋和只的变化曲线如图。红色曲线蔓全部采用正小矢量绿色为全部采用负小矢量的情况。图扇区的空问矢量图表中点电流和电压矢量的对应关系正小矢量负小欠煞●中矢量blob●●D九月I口P’kpOn坫●●ppolcoo甩。bDp九k●疗D疗坫opo。b.pob●●●oppId疗。khop%●以力oIcoop’konp●●pop坫。一D’坫pnOk个基本矢量是巧、巧和%其中短矢量巧有两种冗余开关状态poo和OtiB分别使A相电感电流I屯I和I屯I流入电容中点。兰yZ高于‰时可以选择一种开关状态使Ii。I注入中线。如果f。>o应选取O/In如果fd<应选取poo。当屹。J低于%时可以趔择一种开关状态使IfaI注入中线。如果口'应选取poo如果io<应选取ORR。其他扇区的三角形类似。.仿真和实验验证为验证三电平空fHJ矢量调制下中点电压不平衡机理分析的正确性及其中点平衡控制算法的有效性首先进行了仿真研究所采再的参数为:直流电容C=C=.tF系统的直流侧电压为V:滤波电感值为mH输出功率KW功率l大|数为控制周期为ltS.然后在以DSPFPGA为核心控制芯片构建的三电平逆变器实验平台系统上进行了实验研究参数与仿真相同。图给冉了未加中点电压控制时上电容电压的仿真和实验波形其中小矢量开关状态全部使用正小矢量中点电压存在交流删动频率为倍的基波频率验证了不平衡机理分析正确。图给出了加中点电压控制时上电容电压的仿真和实验波形验证了啤点电压控制方法的有效。(a)仿真波形(b)实验波形图未加中点电压控制的上电容电压波形卞一L一⋯.....一r■:二:j:.二二二二二二一『■(a)仿真波形(b)实验波形图加中点电压控制的上电容电压波形.结论理论分析了基于空间矢量调制的二极管箝位型i电平并阏逆变器中点电压不平衡机理中矢量不可控且在一个工频周期存在盈流脉动利用小矢量冗余选择消除中矢量引起的交流脉动控制中点电压通过仿真和实验验证了不平衡机理分析的正确和控制算沼的有效。参考文献【l】SteinkeJK.SwitchingfrequencyoptmalPWMcomrolofa曲eelevelinvert耐J.IEEETransactionsonPowerElectronics():【】McGrathBPHolmesDGLipoTA.OptimizedspacevectorswitchingsequencesformultilevelinvertersC.inProc.IEEEAPECOlAnaheimCAl..【】宋文祥陈国晕三电平中点箝位式逆变器SVPWM方法的研究【J】.电工电能新技术():.【】YazdaniAImvaniRA.Generalizedstate·spaceaveragedmodelofthethreelevelNPCconverterforsystematicDCvoltagebalancerandcurrentcontrollerdesignJ.IEEETransactionsonPowerDelivery():l·ll.IS】LeeDHLeeSRLeeFC.AnanalysisofmidpointbalancefortheneutralpointelampedthreelevelVsI【C】.IEEEPowerElectronicSpecialistsConferenceFukuoka.(下转第页)··第十八届全国电源技术年会论文集动MOSFET的需要。在网中绪出T原剐边Jf关管的《动波形枉定的负载范围自出于变压g漏感的存在可吼实R娘边Ⅱ关管的软开关同时自f’死区存在剐边同步牲流管宴现r零电Ⅲ开通。实验结果宴验样机参数:¨。~V,卿IV,nl庐IO咖‘开关管均采刖FDPN。在输^电Ⅱ为v、额定负载输出时得刮罔Ⅻ陌所示尘验结果。图所示是’n桥城边R关管的驱动W褥源电Ⅲ在额定负载F.原边H关管实现丁轼R关。罔是半桥副边同步整流管的驱动和漏杯电“副边两管实现T零电压*通。幽a)半桥原边开荚管驱动搜漏掠电压罔b)罔“a的展”图图a)半桥副边日步整流管驱动及捕源电压图”圈a)的展"图$并联组台式变换器在颧定负载情%下测得如圈所耵教率曲线.在全输^电压范围内效率均在%H上.实现高效率的升降压变换。结论本文捉mT一种串并联组合式升降Ⅲ变换%利用两种基本拓扑(半桥和Buck)的串并联组合实现T宽犏^电压范嗣内的升压或者降压变挟且控制结构简单.实验结果验Ⅲ了此变抉%具有良好的稳盎特性。图额定负载T的效率曲线参考文献Ⅲ任小水唐钊阮新波危建华桂满一种新颖的网R关Buck一st变换器J中国电机I程学报.():,吲RajarshiPaulDragonMaksimovic‘'AnalysisofPWMN∞linearltyinNonfarmingBuckB∞stPowerc㈣m"IEEEPESCp口【】PenYⅢchcng,xnMing,LeuChlngShanetalAfamilyofhighP⋯目d衄sitybusc∞v盯I盯s【c】IEEEPESC:~作者简介施金薷().女南京航空航i大学硕±研究生研究方向为电力电子与电力传动。吴“飞().男南京航空航天大学颈十研究生研究方向为电力电子与电力传动。邢岩().女南京航空航天大学博±生导师教授研究方向为电力电子与电力传动。(上接第页)【MishraMKJoshlAGhoshAConn%h㈣forequalizationofcapacitorvoltagesinneuualelmpedshuntcoⅢpenn州J】IEEETransactionsoffPowDeliveryrNh·【】Bons·Gnd⋯州edThre。levelhven啪(博士学位论文【D】杭州浙江大学。【】姜卫东王群京等考虑中点电Ⅲ币。衡的中点翱i型E电平逆变器空问矢量调制方尚口中国电机T程学}匣嘲s(螂:(J宋r拌陈国g陈陈基于矢量分属舯!皂平中点拨动机理分析舶研究册电工电能新拄h#州钟:"作者简介张文平(t).浙江大学硕十研究生主要趴事燃料电池发电系统和超级电窖储能系统的研究。事霄(").浙E大学博±研究生.主要从事燃料电池井网发电系统电力电子变换器、超级电窖储能技术照相关领域的研究。BorisLCorralMartiaez(.研咒方向为i屯平刚侧变漉器控制技术。檐德鸿()·教授博生导师从事高效率功率变挽和新能源等电力电子技术教育%研究。·s三

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