基于優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制算法的變頻器中點(diǎn)平衡控制
馬文忠， 吳海波， 郭江艷
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東東營(yíng)257062)
摘要：分析了二極管中點(diǎn)嵌位型(NPc)三電平變頻器中點(diǎn)不平衡的機(jī)理及危害。通過(guò)優(yōu)化三電平空間矢量脈寬涮制算法，利用正負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的不同影響，采用一種通過(guò)控制正負(fù)小矢量作用時(shí)間來(lái)控制中點(diǎn)平衡的算法。利用MATLAB／simulmk仿真軟件對(duì)該中點(diǎn)平衡算法進(jìn)行仿真，并在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了NPc三電平變頻器試驗(yàn)電路，采用TMs3202812數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)了控制算法。仿真分析和實(shí)際試驗(yàn)都驗(yàn)證了所采用的控制方法的有效性，取得較好的抑制中點(diǎn)電位偏移的效果：
關(guān)鍵詞：空間矢量脈寬調(diào)制；變頻器；中點(diǎn)平衡控制
中圖分類(lèi)號(hào)：TM 921 51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：167316540(2010)0055-04
0 引言
近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大功率多電平變頻器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，正日益成為研究的熱點(diǎn)。其中，二極管中點(diǎn)嵌位型(Neut同P0inT cIamped，NPc)多電平變頻器由于其成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和較好的應(yīng)用效果，已成為多電平變頻器中研究和應(yīng)用最多的類(lèi)型。但是，在NPc型多電平變頻器的應(yīng)用過(guò)程中，也出現(xiàn)了許多亟待解決的問(wèn)題。其中，中點(diǎn)電位不平衡就是比較突出的問(wèn)題之一。中點(diǎn)電位不平衡將帶來(lái)輸出電壓波形畸變、電平數(shù)降低、逆變器開(kāi)關(guān)器件承受的電壓不均衡、電容的壽命降低等危害[1-8]。本文將以應(yīng)用最為廣泛的NPc三電平逆變器為研究對(duì)象，對(duì)其中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題進(jìn)行分析研究，并采用一種優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制(space VectorPulse width M[)(1ulation，svPwM)算法對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行控制，其算法也可以推廣到任意多電平結(jié)構(gòu)的逆變器中。
1 NPC型三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的機(jī)理
二極管箝位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。對(duì)于三電平逆變器來(lái)說(shuō)，每一相有
P、O、N三個(gè)狀態(tài)，所以共有33=27種電狀態(tài)組合，得到逆變器輸出電壓空間矢量的分布情況如
(1)逆變器電路結(jié)構(gòu)及控制策略對(duì)中點(diǎn)電位的影響。
三電平逆變器除零矢量外，共有24種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，各種狀態(tài)下交流負(fù)載的連接形式雖不盡相同，但其連接情況可歸結(jié)為圖2所示的五種連接方式。尉2以四種不同矢量的五組開(kāi)關(guān)狀態(tài)PNN．00()，PON，ONN和POO為例，畫(huà)出了三電平逆變器電路拓?fù)浜碗娏骰芈罚治霾煌_(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)中點(diǎn)電流及電壓的情況。
在三電乎逆變器的19個(gè)基本矢量中，大矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)使三相輸出和正負(fù)母線相連，不影響中點(diǎn)電壓；零矢量使負(fù)載三相短接，掛在正、負(fù)、零母線之一，也不會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電壓的變動(dòng)。中矢量和小矢量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)至少有一相輸出和零母線相連，并與正、負(fù)母線形成電流回路，從而導(dǎo)致電容c1和c2充放電，使中點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)。
圖2中l(wèi)np為中點(diǎn)電流，流出中點(diǎn)為正。顯然，大矢量和零矢量時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的中點(diǎn)電流iop=0，電容c1和c2上的電壓保持不變，處于平衡狀態(tài)(不考慮充電電阻的影響)，如圖2(a)、(b)所示=當(dāng)中矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)為PON時(shí)，如圖2(c)所示，有inp=ib，當(dāng)負(fù)載電流ib>0時(shí)，上電容c1充電，ucl升高，下電容c2放電，uc2，F(xiàn)降，從而中點(diǎn)電位Umo=(uc1一ucs)／2下降；反之，ib<0，則c，放電，c2充電，中點(diǎn)電位umo上升�？梢钥闯觯娏鞣较虿煌瑫r(shí)，對(duì)中點(diǎn)電壓的影響也不同。對(duì)于小矢量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)ONN，滿足inp=ia,如圖2(d) 導(dǎo)致逆變器中點(diǎn)電位不平衡的主要原因如下。所示；而對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)POO，有inp=ib+ic=-ia，如圖2(e)所示，顯然ONN和POO兩組開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電壓的作用完全相反。
(2)與直流母線電容有關(guān)。首先兩個(gè)電容在制造工藝上不可能達(dá)到完全相同，勢(shì)必會(huì)造成中點(diǎn)電壓的固有偏移；其次，電容值的大小與直流側(cè)電壓平衡關(guān)系密切，電容值越小，電壓波動(dòng)必然越嚴(yán)重，所以電容值要盡可能大，但考慮到成本和制造工藝}：的限制，電容值又不能取得過(guò)大。
(3)與負(fù)載有關(guān)。負(fù)載越重，中點(diǎn)電流越大，中點(diǎn)電位波動(dòng)越大，造成的不平衡也越嚴(yán)重；負(fù)載功率因數(shù)也與中點(diǎn)電流的柏位關(guān)系密切，是影響中點(diǎn)電壓的重要因素。
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