三電平變換器中點電壓平衡問題的研究

0??? 引言

??? 二極管中點箝位型逆變器[1]是最近研究的一個熱點。這種拓撲結構，每個功率開關管承受的最大電壓為直流側電壓的1/2，另外，由于相電壓有三種電平狀態，比傳統的二電平逆變器多了一個電平，因此輸出波形質量高。因而這種結構變換器在高性能、中高電壓的變頻調速，有源電力濾波裝置和電力系統無功補償等領域有著廣泛的應用。但是，這種變換器采用兩個電容串聯來產生三個電平，由于開關器件本身特性的不一致和變換器能量轉換時中點電位參與能量的傳輸，因此，會產生兩個電容電壓分壓不均的問題，即中點平衡問題。如果中點電位不平衡，在交流輸出側會產生低次諧波，使逆變器的輸出效率變低，同時諧波還會對電機產生脈動轉矩，影響電機的調速性能；另外，逆變器某些開關管承受的電壓增高，降低了系統的可靠性；最后，中點電位波動降低了直流側電容的壽命。

??? 國內外學者對三電平逆變器中點問題作了不少的研究，提出了不少的方法。載波SPWM方法中平衡中點電位一般都是在調制波中注入適當零序分量。文獻[2]中注入三次零序分量來平衡中點電位，文獻[3]中提出了一種注入零序電壓的分析算法。空間矢量方法中平衡中點電位的方法[4]歸納起來主要有以下幾種：

??? 1）開環被動控制??? 在每一個新開關周期，小矢量的P，N狀態進行轉換，這種方法只有在平衡負載的情況下能夠較好控制中點電位，其動態調整特性不好；

??? 2）滯環型控制??? 是目前應用最多的一種閉環控制方法，在檢測每相電流方向基礎之上，通過選擇小矢量P，N狀態使中點電位朝不平衡方向的相反方向來選擇，這種方法的缺點就是電流中有1/2開關頻率的紋波；

??? 3）有源控制??? 這種方法通過控制電流的調制因子，需要檢測中點電位不平衡的大小和相電流的幅度，好處就是沒有1/2開關頻率的紋波，但是，由于增加了其他的開關狀態從而增加了開關損耗，這種方法一般沒有滯環控制那么可靠。

??? 本文首先對三電平逆變器建模，分析造成三電平逆變器中點電位不平衡的本質原因。詳細地分析了整流和逆變兩種狀態下各類電壓矢量對中點電位的影響。討論了一種基于檢測中點電流方向和直流側電容電壓大小，來調整小矢量P，N狀態作用時間進而平衡中點電位滯環控制方法。最后實驗研究了該方法的效果，實驗結果驗證了滯環控制方法的有效性和可靠性。

1??? 三電平變換器的數學模型

??? 為建立三電平變換器的數學模型，作如下理想假設：

??? 1）直流側的輸入電源E_d是理想的恒定的直流電壓源；

??? 2）所有開關器件都是理想的開關，即所有開關器件沒有慣性和損耗；

??? 3）直流側電容也是理想元件，即無內阻、無電感且C_dc1=C_dc2；

??? 4）變換器的開關頻率遠大于基波頻率；

??? 5）變換器的負載是三相對稱感性負載。

??? 引入開關函數S_ij，其中i表示第i相(i=a，b，c)，j表示i相的開關接到哪個點（j=P，N，O），對中點箝位型的變換器建立等效模型如圖1所示。

圖1??? 三電平變換器等效開關模型

??? 對于直流側的節點0列電流關系方程得

??? i_o=i_c1＋i_c2（1）

??? i_c2=－C_dc2（2）

??? i_c1=C_dc1（3）

??? i_o=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（4）

??? v_dc1＋v_dc2=E_d（5）

??? 由式（1）—式（5）可以得出

??? i_o=2C_dc1=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（6）

??? 由式（6）不難看出，只要中點有電流，即只要三相中的三個開關有連接到中點0的時候就可能會影響中點的電位。而且從式（6）中也不難看出，中點電流的方向決定了中點電位漂移方向。

2??? 電壓空間矢量對直流電壓平衡的影響

??? 三相三電平逆變器有27種開關狀態，其中有效的電壓矢量為19種。圖2是開關狀態和電壓空間矢量對應關系。按照電壓矢量幅值從小到大的原則，可以把這些向量分為4組,即零電壓矢量、小電壓矢量、中電壓矢量和大電壓矢量。其中零矢量V₀有3種開關狀態（－1－1－1）、（000）和（111）。小矢量V₁，V₄，V₇，V₁₀，V₁₃，V₁₆都有兩種不同的開關狀態。根據開關是接到P還是N把這種小矢量分為兩種不同的狀態：開關連接P和地的開關狀態為P狀態，如V_1p的開關狀態為（100）；開關連接地和N的狀態為N狀態，如V_1n的開關狀態為(0－1－1)。由此可知，只要中點電流i₀不為0，直流側的電容就會充放電，從而影響中點電位。在4類矢量中的零矢量，由于三相電位相等，所以中點不會有電流通過，因此不會影響中點電位。大矢量，由于中點根本就沒有參與能量的傳輸，因此也不會產生影響。中矢量和小矢量，中點會參與能量的傳輸，也即中點電流i_o不為零，所以都會影響中點電位。圖3是中點電流灌入和抽出兩種工作狀態下，中矢量對中點電位的影響；圖4是中點電流灌入和抽出兩種狀態下小矢量P狀態對中點電位的影響；圖5是中點灌入和抽出兩種不同狀態下N狀態對中點電位的影響；圖6是同一小矢量P狀態情況下，在某相電流方向確定情況下對中點電位的影響。(圖中→及←表示中點電流的方向。↑及↓表示中點電位的上升和下降)。從圖3、圖4、圖5可以看出無論是小矢量還是中矢量，中點電流灌入的時候，中點電位上升，中點電流抽出的時候，中點電位下降。從圖6可以看出當某相電流方向確定的時候，小矢量P，N狀態對中點電位的影響是相反的，這也是為什么可以通過選擇小矢量P，N狀態作用時間調節中點電位平衡的原因。

圖2??? 三電平變換器的電壓空間矢量圖

(a)??? 電流灌入??? (b)??? 電流抽出

圖3??? 中矢量對中點電位的影響

(a)??? 電流灌入??? (b)??? 電流抽出

圖4??? 小矢量P狀態對中點電位影響的示意圖

(a)??? 電流灌入??? (b)??? 電流抽出

圖5??? 小矢量N狀態對中點電位影響的示意圖

(a)??? V₁的P狀態??? (b)??? V₁的N狀態

圖6??? 同一小矢量PN狀態對中點電位的影響

3??? 滯環控制空間矢量控制方法[5]

??? 從前面的分析可知，根據中點電流的方向合理選擇小矢量P，N狀態可以平衡中點電位。假設中點電流抽出的時候為正，則當v_dc1－v_dc2>h，i_o<0或v_dc1－v_dc2<h，i_o>0時，合成參考電壓矢量的小矢量選P狀態；當v_dc1－v_dc2>h，i_o>0或v_dc1－v_dc2i_o<0時，合成參考電壓矢量的小矢量選N狀態（其中h為滯環的寬度）。