多電平逆變電路的控制方法仿真研究

孟彥京， 周 斌

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 前 言

在電力電子領(lǐng)域，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大功率變換器已獲得廣泛應(yīng)用，特別是在交通、冶金、石油電力等領(lǐng)域，對(duì)變換器容量的要求也越來越大[1].由于受到功率器件容量的限制，在高壓大容量的應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)電路一般采用2種方法來實(shí)現(xiàn)：一種是用中低壓變換器采用多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)；另一種是低壓器件串聯(lián)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高壓輸出.但是上述2種方法均存在較大缺點(diǎn)，多重化技術(shù)需要龐大的變壓器，其系統(tǒng)造價(jià)提高、降低了系統(tǒng)效率，同時(shí)因變壓器磁性材料的特性，變換器在低頻(<20 Hz)時(shí)能量傳輸困難，大大限制了該方法在低頻變換器上的應(yīng)用.而器件串聯(lián)應(yīng)用則存在器件均壓?jiǎn)栴}，不論靜態(tài)均壓還是動(dòng)態(tài)均壓電路，均會(huì)使系統(tǒng)電路復(fù)雜，可靠性降低.為此，研究人員努力尋求一種既無需變壓器，又無需均壓電路的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，“多電平變換器”的出現(xiàn)引起了人們的注意并受到越來越多的關(guān)注.1977年，德國(guó)學(xué)者Holtz首次提出三電平變換拓?fù)?，其主電路采用常?guī)的兩電平電路，僅在其每相橋臂帶一對(duì)開關(guān)管作為輔助中點(diǎn)進(jìn)行鉗位.Nabae A等人將輔助開關(guān)管換成一對(duì)鉗位二極管，分別和上下橋臂串聯(lián)開關(guān)管相連以輔助中點(diǎn)鉗位，稱為中點(diǎn)鉗位式——Neutral Point Clamped(NPC)三電平變換器[2]，這種變換器控制較容易，主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)僅承受直流側(cè)一半的電壓，因此更適合在大功率場(chǎng)合使用.

1 三電平逆變器的工作原理

在三電平逆變器中，每一相需要4個(gè)主開關(guān)器件、4個(gè)續(xù)流二極管、2個(gè)鉗位二極管，平均每個(gè)主開關(guān)管所承受的正向阻斷電壓為Ud/2[3].下面進(jìn)一步分析中性點(diǎn)鉗位逆變器主電路的穩(wěn)態(tài)工作情況.

1.1 工作模式1

開關(guān)器件VI1、VI2導(dǎo)通，VI3、VI4關(guān)斷分兩種情況考慮：(1)電流方向?yàn)榱魅胴?fù)載，即電流P點(diǎn)流過VI1、VI2到達(dá)輸出端A.若忽略開關(guān)器件的正向?qū)ü軌航担瑒t輸出端電位等同于P點(diǎn)電位.(2)電流從負(fù)載流出，此時(shí)電流從輸出端A流過續(xù)流二極管VD2、VD1注入P點(diǎn)，輸出端A點(diǎn)電位仍等同于P點(diǎn)電位.

1.2 工作模式2

開關(guān)器件VI2、VI3導(dǎo)通，VI1、VI4關(guān)斷：(1)電流流入負(fù)載，則電流從中性點(diǎn)O通過鉗位二極管VD5、主開關(guān)器件VI2到達(dá)輸出端，輸出端電位等同于O點(diǎn)電位.(2)電流從負(fù)載流出，電流從輸出端流過VI3、VD6注入中性點(diǎn)，該相輸出端電位讓等同于O點(diǎn)電位.在這種情況下，VD5、VD6與VI2、VI3一起鉗制了輸出端電位等于中性點(diǎn)電位.

1.3 工作模式3

開關(guān)器件VI3、VI4導(dǎo)通，VI1、VI2關(guān)斷.它的工作模式與工作模式1相仿，輸出端A點(diǎn)電位等同于N點(diǎn)電位.

表1 3種工作模式的開關(guān)狀態(tài)與每相輸出電壓

由以上分析可知，在中性點(diǎn)鉗位型逆變器中，主開關(guān)管VI1和VI4不能同時(shí)導(dǎo)通，而VI1和VI3、VI2和VI4的工作狀態(tài)是互反的，這是三電平逆變器的基本控制規(guī)則.3種工作模式的開關(guān)狀態(tài)與每相輸出電壓見表1.

2 中性點(diǎn)鉗位型逆變器工作狀態(tài)的切換

三電平NPC型逆變器的穩(wěn)態(tài)工作具有P、O、N 3種開關(guān)狀態(tài)，從一種開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種開關(guān)狀態(tài)必然需要換相，下面首先以一相橋臂電路為例，分析NPC型逆變器從P狀態(tài)切換至O狀態(tài)的過程.

2.1 電流從逆變器流向負(fù)載端

設(shè)初始狀態(tài)為主開關(guān)器件VI1、VI2導(dǎo)通，電流流徑為P電位—VI1—VI2—A端，如圖1(a)所示.為使逆變器從P狀態(tài)切換至O狀態(tài)，先給VI1施加關(guān)斷信號(hào)，由于VI1關(guān)斷有延時(shí)，所以電流仍可繼續(xù)流通.待VI1完全關(guān)斷后，便形成O電位—VD5—VI2—A端的電流流徑，使鉗位二極管VD5流過全部負(fù)載電流，因而由VI1到VD5的換相過程結(jié)束，電流流徑變成如圖1(b)所示.此時(shí)負(fù)載端呈零電位，逆變器進(jìn)入O狀態(tài)工作.應(yīng)該指出，在這種狀態(tài)下，器件VI3雖然接收到導(dǎo)通信號(hào)，但對(duì)電路的工作并無影響.

圖1 電流流入負(fù)載時(shí)三電平逆變器P-O狀態(tài)切換：(a)從P流向A，(b)從O流向A

2.2 電流從負(fù)載端流向逆變器

其初始狀態(tài)如圖2(a)所示，電流流徑為A端—VD2—VD1—P電位，此時(shí)負(fù)載端電位就是P電位.從表1可知，為了使逆變器從P狀態(tài)切換至O狀態(tài)，VI2、VI3應(yīng)有導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而VI1、VI4則有關(guān)斷信號(hào).VI1的關(guān)斷對(duì)電路的工作沒有影響，而VI3的導(dǎo)通則提供了從A端—VI3—VD6—O電位的電流路徑.由于O比P的電位低，所以從負(fù)載來的電流大量流向此路徑，并使流經(jīng)VD2—VD1的電流不斷減少，直至為零，如圖2(b)所示，這就完成了從P狀態(tài)切換到O狀態(tài)的換相過程.

圖2 電流流入逆變器時(shí)三電平逆變器P-O狀態(tài)的切換：(a)從A流向P，(b)從A流向O

3 三電平逆變器的電壓相量PWM控制法

對(duì)于以交流電動(dòng)機(jī)為負(fù)載的三相對(duì)稱系統(tǒng)，當(dāng)在電動(dòng)機(jī)上加的是三相正弦電壓時(shí)，如

(1)

則對(duì)應(yīng)的空間電壓相量的定義為

(2)

可以用此來分析三相三電平逆變器向交流異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí)在電動(dòng)機(jī)氣隙中磁通向量的運(yùn)行軌跡.此時(shí)設(shè)逆變器輸出的端電壓為uAO,uBO,uCO，電動(dòng)機(jī)上的相電壓為uAO′,uBO′,uCO′，電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)對(duì)逆變器參考電壓為uOO′，亦即零序電壓[3].這里O′為電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)，O為逆變器直流電壓電源電位參考點(diǎn).此時(shí)前面所說的電動(dòng)機(jī)定子電壓的空間相量為

(3)

而且有

uAO′=uAO-uO′OuBO′=uBO-uO′OuCO′=uCO-uO′O

(4)

理想的三電平逆變器電路的開關(guān)模型如圖3 所示，每相橋臂的電路可以簡(jiǎn)化成為一個(gè)與直流電源相通的單刀三擲開關(guān)S.

圖3 三電平逆變電路的開關(guān)模型 圖4 三電平逆變器空間相量分布圖

在正常情況下，以圖中O點(diǎn)為逆變器零電位的參考點(diǎn)，則三電平逆變器電路的一個(gè)橋臂有E/2、0和-E/2 3種輸出電壓電平，即每相輸出分別有正(P)、零(O)、負(fù)(N)3個(gè)開關(guān)狀態(tài).如果定義開關(guān)變量Sa、Sb、Sc為各相橋臂的輸出狀態(tài)，則各相電壓表示為

其中

(5)

1：第x相輸出電平P；0：第x相輸出電平O，這里x為a、b或c；-1：第x相輸出電平N.

因此，三相三電平逆變器就可以輸出27種電壓狀態(tài)組合，對(duì)應(yīng)27組不同的逆變器開關(guān)狀態(tài)，此時(shí)仍定義電壓空間相量為

(6)

則在α-β平面上，三電平逆變器27組開關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的空間相量如圖4所示.圖中標(biāo)出了不同開關(guān)狀態(tài)組合和空間相量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如其中PNN表示A、B、C三相輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)為正(P)、負(fù)(N)、負(fù)(N).另外可以看出，同一電壓相量可以對(duì)應(yīng)不同的開關(guān)狀態(tài)，越向內(nèi)層對(duì)應(yīng)的冗余開關(guān)狀態(tài)越多.因此，在α-β平面的27組開關(guān)狀態(tài)實(shí)際上只對(duì)應(yīng)19個(gè)空間相量，簡(jiǎn)稱為基本相量.

3.1 參考電壓相量的合成

為了使三電平逆變器輸出的電壓相量接近于圓形、并最終得到圓形旋轉(zhuǎn)磁通鏈，也可利用逆變器的輸出電壓電平和作用時(shí)間的有限組合，用多邊形去接近圓形.在采樣周期內(nèi)，對(duì)于一個(gè)給定的參考電壓相量Uref，可以用3個(gè)基本電壓相量來合成，根據(jù)伏秒平衡原理，滿足以下方程組：

(7)

(1)首先要找出合成參考電壓相量的3個(gè)基本相量.

(2)確定3個(gè)基本相量的作用時(shí)間，即每個(gè)電壓相量對(duì)應(yīng)的占空比.

(3)確定各個(gè)基本電壓相量所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài).

(4)確定各開關(guān)狀態(tài)的輸出次序以及各相輸出電平的作用時(shí)間，即確定輸出的開關(guān)狀態(tài)序列和對(duì)應(yīng)的三相占空比.

3.2 三電平空間相量PWM控制算法—600坐標(biāo)系的算法

在α-β平面上，根據(jù)三電平基本空間相量之間的角度都是60°倍數(shù)這一特點(diǎn)，可以推斷，采用非正交的60°坐標(biāo)系可以簡(jiǎn)化參考相量的合成和作用時(shí)間的計(jì)算[6].

3.2.1 坐標(biāo)變化

假設(shè)采用60°坐標(biāo)系為g-h坐標(biāo)系，取g軸和直角坐標(biāo)中α軸重合，逆時(shí)針轉(zhuǎn)60°為h軸，如圖6所示.

圖5 600坐標(biāo)系與α-β坐標(biāo)系 圖6 600坐標(biāo)系的三電平空間相量圖

(8)

(9)

3.2.2 基本相量選擇

(10)

(11)

3.2.3 作用時(shí)間的計(jì)算

當(dāng)3個(gè)最近的相量被確定以后，就可以通過下面的方程式計(jì)算出各個(gè)相量的占空比

(12)

d1+d2+d3=1

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

d1+d2+d3=1

(18)

解式(14)～式(18)得

(19)

(20)

d3=dLL=1-dUL-dLU

(21)

(22)

(23)

d3=dUU=1-dUL-dLU

(24)

① 輸出開關(guān)狀態(tài)的確定

利用已經(jīng)得到的和參考電壓相量最近的3個(gè)基本相量后，就可以確定3個(gè)輸出開關(guān)的狀態(tài).對(duì)于二極管鉗位三電平逆變器，假設(shè)3個(gè)最近相量之一是

(25)

此基本相量對(duì)應(yīng)三相開關(guān)狀態(tài)為

S1=(S1a,S1b,S1c)TS1a,S1b,S1c∈{0,1,2}

(26)

則有以下的方程組

(27)

根據(jù)式(27)選擇不同的i就可以得到基本相量所對(duì)應(yīng)的全部開關(guān)狀態(tài).

由式(27)可知，得到的基本相量為二維坐標(biāo)，這樣確定的三相開關(guān)狀態(tài)就有一個(gè)可以選擇的自由度.設(shè)i為對(duì)應(yīng)參數(shù)，利用這一參數(shù)，對(duì)三相開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行選擇，就可以實(shí)現(xiàn)三電平逆變器的中點(diǎn)電壓平衡的控制.三電平逆變器的仿真電路圖如圖7所示.

圖7 三電平逆變器的仿真電路圖

4 仿真結(jié)果分析

圖8 三電平逆變器電壓、電流的仿真波形圖

直流電壓為530 V，電容Cd1和Cd2均為560 μF，其四按壓的初值為530/2 V，調(diào)制深度m=0.8，輸出基波頻率設(shè)為50 Hz，載波頻率設(shè)為基波的30倍，即1 500 Hz.將仿真時(shí)間設(shè)為0.06 s，采樣時(shí)間為5×10-7s，運(yùn)行后可得仿真結(jié)果(如圖8所示).由于MATLAB仿真時(shí)不允許電壓源與電容直接相連，故在直流電壓源出口串聯(lián)了一個(gè)10-4Ω的小電阻.三相負(fù)載中的有功為1 kW，感性無功為500 Var.逆變器輸出端a點(diǎn)相對(duì)于中性點(diǎn)的電壓Uao、線電壓Uab、負(fù)載相電壓Uan和負(fù)載相電流的仿真波形如圖9所示.3個(gè)電壓分別為3、5、9電平，隨著電平數(shù)的升高，線電壓和負(fù)載相電壓較兩電平逆變器更接近于正弦波.線電壓的諧波分析如圖10所示,其基波幅值為459.1 V,THD(Total harmonic distortion總諧波失真)為35.25%.電容Cd1和Cd2上的電壓和流出中性點(diǎn)的電流如圖11所示.正是由于中點(diǎn)電流不為零，造成了電容電壓的波動(dòng)，波動(dòng)頻率為基波頻率的3倍.將逆變器輸出電壓的波形放大后可以看到電容電壓的變化情況.若電容增大，則波動(dòng)幅度變小，而電容減小時(shí)，波動(dòng)幅度會(huì)增大.

圖9 三電平逆變器線電壓諧波分析圖 圖10 三電平逆變器電容電壓、中點(diǎn)電流仿真波形圖

5 結(jié)論

(1)開關(guān)主管所需承受的電壓值明顯降低，僅為中間直流回路電壓的1/2，從而解決了高電壓與主開關(guān)器件低耐壓值的矛盾，為變流器在高壓大功率中應(yīng)用開辟了一條新途徑.

(2)隨著對(duì)中間直流回路分析所分的電壓等級(jí)數(shù)的增加，三電平逆變器輸出電壓等級(jí)數(shù)增加，諧波含量明顯降低，電壓質(zhì)量提高，可以降低輸出濾波要求，甚至在某些場(chǎng)合可以省掉輸出濾波器，為抑制諧波技術(shù)提供了一條新思路.

(3)從達(dá)到相同的輸出性能指標(biāo)來看，三電平逆變器能有效地降低主管開關(guān)頻率，使系統(tǒng)損耗相對(duì)降低.尤其調(diào)速進(jìn)入額定頻率后，采用準(zhǔn)24脈沖工況，不僅主管開關(guān)損耗最小，而且供電質(zhì)量好，THD(Total harmonic distortion總諧波失真)也小.

(4)隨著電平數(shù)增加，每個(gè)電平幅值相對(duì)降低，電壓變化減少，主電路電流含有的脈動(dòng)成分更小.

參考文獻(xiàn)

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