三电平逆变器中点电压平衡的电压空间矢量

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

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：

图1  三电平逆变器电路图

    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（模长=Vdc）;6个中矢量（模长=）以及6个长矢量（模长=Vdc）。

图2  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1  三电平开关状态关系（X=a,b,c） 开关符号 开关状态 电压值 Sx1 Sx2 Sx3 Sx4 pon ONOFFOFF ONONOFF OFFONON OFFOFFON Vdc/20－Vdc/2

    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。

表2  中线电流与电压矢量关系 正短矢量 inp 　 负短矢量 inp 　 中矢量 inp onn ia 　 poo －ia 　 pon ib ppo ic 　 oon －ic 　 opn ia non ib 　 opo －ib 　 npo ic opp ia 　 noo －ia 　 nop ib nno ic 　 oop －ic 　 onp ia pop ib 　 ono －ib 　 pno ic 　

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：

    VREF=(Va＋Vb·ej2π/3＋Vc·ej4π/3)=m·（1）

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=≤1。

    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：

    VREF=DsoVso＋DMVM＋DLVL（2）

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。

图3  外部小三角形区域电压合成

    根据平行四边形法则可知：

    （3）

    由式（3）可得：

    (4)

    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：

    iNP=DM·ib＋mso·Dso·ia（5）

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。

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