三电平

三电平逆变器中点电压平衡的电压空间矢量控制原理及算法 刘学超 (华南理工大学电力学院，广东 广州 510640） 摘  要 ： 分 析 了 三 电 平 电 压 空 间 矢 量 调 制 基 本 原 理 ， 深 入 研 究 了 影 响 三 电 平 逆 变 器 中 点 电 压 平 衡 的 主 要 因 素 ， 由 此 提 出 一 种 控 制 箝 位 二 极 管 电 压 型 三 电 平 逆 变 器 中 点 电 压 平 衡 的 电 压 空 间 矢 量 算 法 。 理 论 分 析 和 仿 真 实 验 结 果 表 明 ， 所 提 出 的 控 制 算 法 能 有 效 平 衡 三 电 平 逆 变 器 中 点 电 压 。 关键词： 三 电 平 逆 变 器 ； 电 压 空 间 矢 量 脉 宽 调 制 ； 中 点 电 压 平 衡 ； 箝 位 二 极 管 1 引 言 近 年 来 ， 在 高 压 、 大 功 率 变 换 电 路 中 ， 一 种 新 型 的 变 换 器 — — 箝 位 二 极 管 式 电 压 型 三 电 平 逆 变 器 （ 如 图 1所 示 ） ， 引 起 了 越 来 越 多 的 关 注 。 它 不 仅 能 应 用 于 大 功 率 高 输 入 电 压 的 逆 变 场 合 ， 而 且 能 应 用 于 如 静 止 无 功 补 偿 、 电 力 有 源 滤 波 器 等 电 力 电 子 装 置 中 。 归 纳 起 来 ， 三 电 平 逆 变 器 主 要 有 两 个 显 著 特 点 ： 1） 由 多 个 电 平 台 阶 合 成 的 输 出 电 压 正 弦 波 形 ， 在 相 同 开 关 频 率 条 件 下 ， 与 传 统 二 电 平 逆 变 器 相 比 ， 谐 波 含 量 大 大 减 少 ， 改 善 了 输 出 电 压 波 形 ； 2） 开 关 管 的 电 压 额 定 值 只 为 直 流 母 线 上 电 压 的 一 半 ， 使 低 压 开 关 器 件 可 以 应 用 于 高 压 变 换 器 中 。 但 是 ， 三 电 平 逆 变 器 的 缺 点 是 控 制 策 略 较 复 杂 和 出 现 中 点 电 压 不 平 衡 的 问 题 [1]， 其 中 ， 中 点 电 压 不 平 衡 是 三 电 平 逆 变 器 的 一 个 致 命 弱 点 。 显 然 ， 若 逆 变 器 直 流 母 线 上 并 联 两 电 容 的 中 点 电 压 在 运 行 时 不 稳 定 ， 它 将 引 起 输 出 的 三 电 平 电 压 变 化 ， 不 仅 使 输 出 电 压 波 形 畸 变 ， 谐 波 增 加 ， 而 且 使 三 相 输 出 电 流 不 对 称 ， 失 去 三 电 平 逆 变 器 的 优 势 。 然 而 ， 对 于 中 点 电 压 不 平 衡 问 题 ， 目 前 尚 未 有 根 本 的 解 决 方 法 。 其 中 有 代 表 性 的 方 法 一 是 利 用 改 进 硬 件 电 路 实 现 中 点 电 压 平 衡 的 方 法 [2]； 二 是 通 过 改 变 开 关 时 序 或 控 制 矢 量 电 压 持 续 时 间 的 方 法 实 现 电 压 平 衡 。 但 都 存 在 电 路 复 杂 、 控 制 效 果 不 理 想 的 问 题 。 为 此 ， 本 文 基 于 传 统 二 电 平 逆 变 器 电 压 空 间 矢 量 控 制 原 理 [3]， 提 出 基 于 平 衡 三 电 平 逆 变 器 中 点 电 压 的 电 压 空 间 矢 量 控 制 的 思 想 ， 从 而 在 不 增 加 硬 件 电 路 情 况 下 ， 根 本 解 决 了 三 电 平 逆 变 器 中 点 电 压 不 平 衡 的 问 题 。 2 三 电 平 电 压 空 间 矢 量 调 制 及 中 点 电 压 不 平 衡 原 因 在 传 统 三 相 两 电 平 逆 变 器 中 ， 电 压 空 间 矢 量 个 数 为 23=8[2]。 根 据 三 相 两 电 平 逆 变 器 电 压 空 间 形 成 原 理 ， 箝 位 二 极 管 式 电 压 型 三 电 平 逆 变 电 路 的 电 压 矢 量 合 成 图 如 图 2所 示 ， 表 1是 它 的 每 相 开 关 状 态 表 ， 总 共 有 33=27个 合 成 电 压 矢 量 。 与 三 相 两 电 平 逆 变 器 不 同 ， 三 电 平 逆 变 器 电 压 矢 量 可 分 为 长 矢 量 ， 中 矢 量 ， 短 矢 量 和 零 矢 量 ， 其 中 ppp， ooo和 nnn是 零 矢 量 ； 还 有 12个 短 矢 量 ;6个 中 矢 量 （ 模 长 = 。 结 合 电 压 空 间 矢 量 图 可 以 得 到 三 电 平 逆 变 器 三 相 电 压 合 成 机 理 ： 任 意 时 刻 的 三 相 电 压 Va、 Vb和 Vc可 由 三 个 相 邻 的 电 压 空 间 矢 量 合 成 ， 当 电 压 矢 量 沿 着 逆 时 针 或 顺 时 针 方 向 旋 转 时 ， 空 间 矢 量 由 一 个 有 效 状 态 转 移 到 另 一 个 有 效 状 态 ， 从 而 产 生 连 续 的 三 相 电 压 。 从 上 面 分 析 可 知 ， 三 电 平 逆 变 器 每 相 都 有 三 个 开 关 状 态 ， 即 p， 0和 n。 例 如 ： pon表 示 Va=Vdc/2； Vb=0和 Vc=－ Vdc/2,在 此 pon电 压 矢 量 中 ， B相 输 出 直 接 接 到 中 点 Np上 ， 因 此 ， 将 影 响 中 点 电 压 的 平 衡 。 表 2总 结 了 对 中 点 电 流 iNP与 电 压 平 衡 有 影 响 的 电 压 矢 量 。 从 表 2看 到 ， 中 短 矢 量 都 将 影 响 三 电 平 逆 变 器 中 点 电 压 平 衡 ， 但 由 于 正 负 短 矢 量 产 生 的 中 线 电 流 方 向 是 恰 好 相 反 的 ， 且 它 们 是 成 对 出 现 的 ， 因 而 相 互 抵 消 ， 不 影 响 中 点 电 压 平 衡 。 而 中 矢 量 ， 由 于 它 其 中 有 一 相 直 接 接 入 了 中 点 Np， 因 而 使 得 中 线 有 电 流 ， 中 点 电 压 会 受 到 负 载 的 影 响 ， 它 是 电 压 不 平 衡 的 根 本 原 因 。 而 长 矢 量 的 每 相 直 接 接 到 母 线 的 正 或 负 端 ， 因 此 它 的 中 线 不 会 有 电 流 ， 也 不 会 影 响 中 点 电 压 的 平 衡 。 3 中 点 电 压 平 衡 空 间 电 压 矢 量 控 制 原 理 及 算 法 定 义 三 电 平 逆 变 器 合 成 空 间 参 考 电 压 矢 量 如 下 ： m为 系 数 ， 是 SVPWM的 调 制 度 ， 它 表 示 输 出 相 电 压 实 际 的 电 压 幅 值 ︱ Vm︱ 与 最 大 可 能 合 成 相 电 压 因 为 三 相 三 电 平 的 对 称 性 ， 本 文 只 考 虑 0< θ < π /3的 情 况 。 在 每 一 实 时 采 样 中 ， 任 一 参 考 电 压 可 以 由 与 它 相 邻 的 三 个 电 压 矢 量 来 合 成 。 根 据 参 考 电 压 合 成 区 域 的 不 同 ， 可 以 将 0< θ < π /3内 分 为 四 个 不 同 的 三 角 形 区 域 来 讨 论 中 点 电 压 平 衡 问 题 。 如 图 3所 示 ， 首 先 考 虑 外 部 小 三 角 形 参 考 电 压 的 合 成 。 对 于 图 3的 阴 影 部 分 的 参 考 电 压 合 成 表 达 式 如 下 ： 式 中 ： Dso为 短 矢 量 的 占 空 比 ， Dso=tso/Ts； DM为 中 矢 量 的 占 空 比 ， DM=tM/Ts； DL为 长 矢 量 的 占 空 比 ， DL=tL/Ts。 根 据 平 行 四 边 形 法 则 可 知 ： 由式（3）可得： 在 外 部 小 三 角 形 区 域 ， 有 两 个 因 素 决 定 了 中 线 电 流 。 一 个 为 不 能 调 节 的 中 矢 量 ， 另 一 个 为 可 调 节 的 短 矢 量 。 其 中 在 Dso期 间 ， 可 以 通 过 正 （ onn） 和 负 （ poo） 短 矢 量 来 调 节 中 线 电 流 。 所 以 ， 短 矢 量 Vso(onn)的 占 空 比 可 以 表 示 为 (1＋ mso)Dso/2； 而 短 矢 量 Vso(poo)的 占 空 比 可 以 表 示 为 (1－ mso)Dso/2。 其 中 mso正 或 负 短 矢 量 的 调 制 度 mso∈ [－ 1， 1]。 因 此 中 线 电 流 可 以 用 下 式 表 示 ： 从 式 （ 5） 看 到 ， 调 节 mso可 以 控 制 中 线 电 流 的 大 小 和 方 向 ， 从 而 控 制 了 中 点 电 压 的 平 衡 。 但 是 中 线 电 流 还 受 到 负 载 电 流 及 占 空 比 的 影 响 ， 它 们 将 制 约 中 点 电 压 的 平 衡 。 在 如 图 4的 中 部 小 三 角 形 参 考 电 压 的 合 成 中 ,中 点 电 压 可 由 两 个 不 同 方 向 的 短 矢 量 调 制 平 衡 。 它 的 参 考 合 成 矢 量 可 以 表 示 为 ： 将 式 （ 7） 带 入 式 （ 6） 中 解 得 ： 式 中 ： mso和 ms1为 短 矢 量 的 调 制 度 。 式 （ 5） 与 式 （ 9） 相 比 可 知 ， 在 式 （ 9） 中 由 于 存 在 两 个 可 以 调 节 的 短 矢 量 ， 因 此 在 该 区 域 更 有 利 于 中 点 电 压 的 平 衡 。 图 5为 内 部 小 三 角 形 区 域 参 考 电 压 矢 量 合 成 图 。 该 区 的 合 成 参 考 电 压 可 表 示 为 ： VREF=DsoVso＋ Ds1Vs1＋ DoVo   （ 10） 式 中 ： Vo为 零 矢 量 电 压 。 因 此 根 据 平 行 四 边 形 法 则 ， 它 的 占 空 比 为 ： 从 式 （ 12） 可 以 看 到 ， 中 线 电 流 只 含 可 以 调 制 的 短 矢 量 ， 而 不 含 不 可 调 制 的 中 矢 量 。 所 以 内 部 区 域 的 参 考 电 压 矢 量 更 有 利 于 中 线 电 流 的 调 节 ， 同 时 有 利 于 中 点 电 压 的 平 衡 。 但 是 ， 它 的 电 压 矢 量 幅 值 很 小 ， 电 压 利 用 率 不 高 ， 该 区 域 只 适 用 于 刚 起 动 或 瞬 态 时 。 总 之 ， 当 电 压 矢 量 旋 转 时 ， 稳 定 运 行 时 ， 电 压 矢 量 只 可 能 在 Ⅰ 和 Ⅱ 区 域 合 成 。 改 变 ω 可 以 调 节 输 出 频 率 ； 改 变 各 占 空 比 D可 以 调 节 输 出 电 压 大 小 并 且 通 过 短 矢 量 占 空 比 调 节 还 实 现 了 中 点 电 压 平 衡 。 4 仿 真 实 验 依 据 上 述 关 于 中 点 电 压 平 衡 的 电 压 空 间 矢 量 算 法 以 及 三 相 多 电 平 电 压 空 间 矢 量 快 速 算 法 理 论 [4]， 用 Matlab对 箝 位 二 极 管 式 三 相 三 电 平 电 压 型 逆 变 器 进 行 了 仿 真 实 验 。 其 中 Vdc=200 V， 采 样 频 率 fs=600 Hz,调 制 度 m=0.92。 各 相 输 出 接 有 R－ L负 载 ,输 出 各 相 电 压 仿 真 波 形 如 图 6所 示 ， 其 中 波 形 Vo是 输 入 电 容 两 端 电 压 之 差 ， 即 平 衡 电 压 波 形 ,输 出 频 率 为 fo=50 Hz。 从 实 验 表 明 ， 以 上 的 基 于 电 压 空 间 矢 量 的 电 压 平 衡 算 法 是 可 行 的 ， 中 点 电 压 可 以 达 到 一 定 范 围 的 平 衡 。 通 过 三 电 平 的 采 用 ， 它 的 输 出 相 电 压 波 形 将 更 近 似 于 正 弦 波 ， 在 相 同 开 关 频 率 条 件 下 ， 大 大 降 低 了 谐 波 污 染 。 5 结 语 将 电 压 空 间 矢 量 与 三 电 平 逆 变 器 相 结 合 ， 可 以 集 二 者 优 点 ， 同 时 调 节 了 中 点 电 压 的 平 衡 ， 这 样 便 解 决 了 多 电 平 输 入 母 线 电 压 的 不 平 衡 问 题 。 特 别 是 在 利 用 数 字 信 号 处 理 （ DSP） 的 控 制 中 ， 该 方 法 算 法 简 单 ， 实 现 容 易 ， 具 有 明 显 的 优 势 。 本 文 结 合 了 电 压 空 间 矢 量 快 速 算 法 ， 给 出 了 三 相 三 电 平 逆 变 器 的 仿 真 结 果 ， 进 一 步 证 明 了 它 的 可 行 性 。 参 考 文 献