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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.doc.doc

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.…

贾子敬
2017-10-16 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《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.docdoc》,可适用于综合领域

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doc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::|分类:默认分类|标签:|字号大中小订阅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:图三电平逆变器电路图)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)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。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=。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所示表是它的每相开关状态表总共有=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pppooo和nnn是零矢量还有个短矢量(模长=Vdc)个中矢量(模长=)以及个长矢量(模长=Vdc)。图三电平电压空间矢量图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。表三电平开关状态关系(X=a,b,c)开关状态开电压值关符号SxSxSxSxpoONOONOOFFOFFOVdcnFFOFFNOFFONONFFON,Vdc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和n。例如:pon表示Va=VdcVb=和Vc=,Vdc,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。表总结了对中点电流iNP与电压平衡有影响的电压矢量。从表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。表中线电流与电压矢量关系iii正负中npnpnp短矢量短矢量矢量onipopi,naoiaonbppioooi,ocnicpnanoiopni,nboibpocopinoni,paoiaopbnnioooi,ocpicnpapoionpi,pboibnoc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:VREF=(VaVbejπVcejπ)=m()式中:Va、Vb和Vc为输出三相电压Vpn=为合成电压模值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幅值之间的比值即m=。因为三相三电平的对称性本文只考虑<θ<π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<θ<π内分为四个不同的三角形区域来讨论中点电压平衡问题。如图所示首先考虑外部小三角形参考电压的合成。对于图的阴影部分的参考电压合成表达式如下:VREF=DsoVsoDMVMDLVL()式中:Dso为短矢量的占空比Dso=tsoTsDM为中矢量的占空比DM=tMTsDL为长矢量的占空比DL=tLTs。图外部小三角形区域电压合成根据平行四边形法则可知:()由式()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(mso)Dso而短矢量Vso(poo)的占空比可以表示为(,mso)Dso。其中mso正或负短矢量的调制度mso,。因此中线电流可以用下式表示:iNP=DMibmsoDsoia()从式()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:()同时:()图中部小三角形区域电压合成将式()带入式()中解得:()因此该区域的中线电流可表示为:iNP=DMib(msoDsoiamsDsic)()式中:mso和ms为短矢量的调制度。式()与式()相比可知在式()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。图为内部小三角形区域参考电压矢量合成图。图内部小三角形区域电压合成该区的合成参考电压可表示为:VREF=DsoVsoDsVsDoVo()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:()中线电流为:iNP=msoDsoiamsDsic()从式()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和区域合成。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。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=V采样频率fs=Hz,调制度m=。各相输出接有R,L负载,输出各相电压仿真波形如图所示其中波形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=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。图三电平逆变器仿真实验电压波形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。

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