三電平逆變器控制方法研究

江倩雯

（南京市儀器儀表工業(yè)供銷有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在使用兩電平逆變器時(shí)，人們通過提高逆變器中的開關(guān)器件的頻率來降低輸出諧波含量，而器件開關(guān)頻率的加大會(huì)對開關(guān)器件的使用壽命造成巨大的影響，同時(shí)減少電流中的諧波含量效果并不明顯，逆變器的輸出性能也沒有得到改善。后針對逆變器中的開關(guān)器件的速度缺點(diǎn)，人們提出了三電平逆變器概念。通過改良逆變器的主電路結(jié)構(gòu)，使器件開關(guān)始終處于低頻狀態(tài)，以此減小應(yīng)力作用和改善波輸出波形。同時(shí)使用三電平逆變器有效降低了系統(tǒng)對器件的耐壓等級，也使得逆變器中輸出的諧波含量大大減少，滿足了功高電壓、大功率逆變器的需求[1]。

1 三電平逆變器相關(guān)介紹及其控制問題

1.1 三電平逆變器的基本原理

現(xiàn)階段，三電平逆變器主電路采用的是二極管中點(diǎn)嵌位電路。即利用一對中點(diǎn)箱位二極管實(shí)現(xiàn)與上下橋臂串聯(lián)的二極管相連，并按照一定邏輯順序?qū)崿F(xiàn)了對開關(guān)的有效控制，促進(jìn)正弦波在輸出端的形成。運(yùn)用這種方式連接的電路性能強(qiáng)于二電平逆變器的電路，尤其是其各個(gè)器件開關(guān)所承受的電壓只有原來的一半，有效緩解了高電壓所帶來的問題。這不僅有利于提升逆變器的工作性能，而且也大大改善了波形質(zhì)量[2]。

1.2 三電平逆變器的PWM控制

三電平逆變器理論于1980年被國外學(xué)者提出，該技術(shù)一經(jīng)研發(fā)就立刻投入使用，并取得了理想的應(yīng)用效果。而對于改善三電平逆變器輸出波形的問題始終是中外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。通常情況下，電壓源型逆變器的輸出特性會(huì)受逆變器采用的器件開關(guān)的影響，使用PWM技術(shù)可以有效改善器件開關(guān)頻率。通過對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，能得到相對理想的正弦輸出波形。隨著相關(guān)學(xué)者的不斷研究，PWM調(diào)制控制方案越來越多，使得對輸出波形的控制日益成熟。采用PWM技術(shù)調(diào)制有較多優(yōu)勢，比如它能使開關(guān)頻率處于恒定狀態(tài)，在最大程度上限定諧波頻譜，以及優(yōu)化開關(guān)模式等。不僅如此PWM技術(shù)調(diào)制還可以實(shí)現(xiàn)起到反抑制諧波的作用。其中正弦波PWM是一種人們較為常用的調(diào)制方式，又被稱為相電壓控制法。通過依據(jù)既定的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)正弦信號波和三角載波的脈寬切換，產(chǎn)生有脈寬和頻率的開關(guān)信號，然后借由開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)輸出相應(yīng)的信號。這種方法運(yùn)用起來較為簡單，而且還能解決電動(dòng)機(jī)的諧波損耗、出現(xiàn)噪聲、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問題。不同于正弦SWPM調(diào)制方法，空間矢量SvWPM調(diào)整方法是將電機(jī)與逆變器看成一個(gè)整體，讓電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的圓形磁場為準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)磁鏈園的跟蹤，以形成三電平逆變器的空間矢量SPy控制器結(jié)構(gòu)?？臻g矢量PWM技術(shù)的運(yùn)用簡單，其控制算法也十分直觀，能夠在整個(gè)交流調(diào)速系統(tǒng)中得到諸多運(yùn)用[3]。

1.3 電流閉環(huán)的三電平逆變器WM控制

一般說，轉(zhuǎn)矩或者電流的控制質(zhì)量會(huì)對交流電機(jī)的控制性能造成極大的影響。在磁通恒定的條件下，要想滿足相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，并且能在極低的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運(yùn)行，需要對電流進(jìn)行閉環(huán)處理，以實(shí)現(xiàn)控制。而借助WPM控制方法，可以保證動(dòng)態(tài)負(fù)載下電壓控制的穩(wěn)定度，及其精準(zhǔn)度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對波形的改善。WPM控制具有方法使用簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、具有較強(qiáng)的電流限制能力，以及提高電壓利用率等優(yōu)勢。同時(shí)它具有電壓和電流控制機(jī)能，可以讓三電平逆變器性能得到進(jìn)一步提升。目前滯環(huán)電流PWM控制、線性電流PWM控制、預(yù)測電流PWM控制等方法較為主流，可以實(shí)現(xiàn)電流環(huán)閉調(diào)制。滯環(huán)電流控制器是必不可少的器件，它通過對負(fù)載端實(shí)際電流進(jìn)行控制，并在跟蹤中能讓誤差最小化，從而使電流指令信號，以實(shí)現(xiàn)對滯環(huán)電流的控制。而滯環(huán)比較器在滯環(huán)環(huán)帶較高，且超出既定要求，能夠直接發(fā)出變換器開關(guān)信號，以實(shí)現(xiàn)對電流的控制。由此可見，滯環(huán)控制方案操作相對簡單，是一種較為流行的電流控制方法。此外，從功能和效用上看，三電平逆變器線性電流PWM控制器，可以將其分成誤差補(bǔ)償和PWM控制兩個(gè)板塊。而在線性電流PWM控制器中最常見的是斜波比較器。該控制器中有實(shí)現(xiàn)對電流誤差的補(bǔ)償機(jī)制，借由PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電壓控制信號。然后再經(jīng)過調(diào)制器處理后，所產(chǎn)生的電壓信號會(huì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)信號。使用此方案時(shí)，需要注意的是輸出電流產(chǎn)生的脈動(dòng)在返回輸入端后對信號產(chǎn)生所造成的影響，要注重PI調(diào)節(jié)器在此過程中發(fā)揮減小電流脈動(dòng)和控制電流低頻特性的作用。

1.4 二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器容易出現(xiàn)的問題

在高壓技術(shù)尚不成熟時(shí)，二電平逆變器是十分常用的，后隨著多電平逆變器技術(shù)的成功發(fā)展，使得二電平逆變器不再適應(yīng)于工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域。三電平逆變器是多電平逆變器應(yīng)用中的一種體現(xiàn)，現(xiàn)有許多研究成果和應(yīng)用案例。其中二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器的研制存有較多困難，至今仍有許多技術(shù)難題得不到解決。首先，二極管鉗位型逆變器的性能分析較為困難。尤其是它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且每一相橋臂都由多個(gè)功率開關(guān)管和二極管組成，難以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)開關(guān)管和二極管工作情況的了解。再加上復(fù)雜的調(diào)制方法，使得開關(guān)無休止的工作，不停地開通與關(guān)斷，使得逆變器出現(xiàn)不同工作模式，處于多種工作狀態(tài)。其次，二極管和開關(guān)是否處于實(shí)時(shí)在線狀態(tài)難以進(jìn)行了解，且對大功率的器件需要進(jìn)行更多次的離線測試和準(zhǔn)在線測試。而無論是哪種方法，都不能同時(shí)掌握各器件的動(dòng)態(tài)特性，從而無法得知其在線狀態(tài)。最后，故障預(yù)防和裕量設(shè)計(jì)不夠恰當(dāng)。尤其是不能監(jiān)測到大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件，在發(fā)生故障時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，難以給出相應(yīng)的預(yù)防參考。所以在選擇裕量時(shí)，技術(shù)人員往往也只能憑借經(jīng)驗(yàn)，并不能給予合理的裕量控制[4]。

2 三電平逆變器的控制方法

2.1 SVPWM方法控制

對于三電平逆變器使用性能進(jìn)行控制，可以采用SVPWM方法實(shí)現(xiàn)控制。首先，依據(jù)給定的空間電壓矢量的幅值及其相位角，可以判斷出給定空間矢量所在的三角大扇區(qū)和小區(qū)間，然后根據(jù)相關(guān)區(qū)間選擇所使用的電壓矢量，以及選擇計(jì)算空間電壓矢量作用時(shí)間的方法。在此過程中需要注意的是，保持小矢量和其對應(yīng)多出來的矢量的作用時(shí)間相等，以及觀察每個(gè)控制周期，同時(shí)采用零矢量開始和以零矢量結(jié)束的技術(shù)方法，以建立相對應(yīng)的電壓空間矢量調(diào)制模式，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制的目的。而后依據(jù)所使用的電壓空間矢量，以及利用控制器輸出開關(guān)器件所需要的三相PWM脈沖信號，讓控制器輸出開關(guān)器件所需要的脈沖信號，在經(jīng)過電路放大后送給相應(yīng)的開關(guān)器件，以實(shí)現(xiàn)對三電平逆變器的控制。此外，基于SVPWM的三電平逆變器控制，還需要注意以下問題。如果三電平逆變器在高電壓環(huán)境進(jìn)行應(yīng)用，可以考慮采用對稱的單脈沖觸發(fā)控制方式。由于在這種方式下，電壓諧波雖然分量較多，但通過使其處于適當(dāng)?shù)挠|發(fā)，仍可以諧波分量滿足既定的使用要求。而且這種控制方式較為便捷使用，且容易實(shí)現(xiàn)。尤其是它開關(guān)頻率較低，耗能小，符合大功率場合的應(yīng)用要求，并且也能進(jìn)行良好的應(yīng)用控制。而在低電壓場合，采用單脈沖的控制方式顯然是不可取的。由于諧波分量會(huì)大大增多，影響逆變器的整體性能，所需要采用其他方式進(jìn)行控制。而PWM帶寬控制是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它具有較多優(yōu)點(diǎn)，且PWM能輸出較好的波形[5]（如圖1，2所示）。

圖1 NPC式三電平逆變器主電路圖

圖2 三電平逆變器電壓空間矢量

2.2 中點(diǎn)點(diǎn)位控制方法

對于三電平逆變器中點(diǎn)點(diǎn)位的控制而言，需要依托合理的方法實(shí)施控制，以免達(dá)不到理想效果。首先中點(diǎn)點(diǎn)位建立三電平三相并網(wǎng)主電路結(jié)構(gòu)，然后輸入相應(yīng)的直流電壓。第一電容、第二電容接收電壓并進(jìn)行分壓后，再將電壓提供給三電平逆變器，而三電平逆變器輸出經(jīng)三相濾波環(huán)節(jié)后至三相電網(wǎng)。在此過程中，可以設(shè)定原有流出三電平逆變器的電流為正，流入三電平逆變器的電流為負(fù)。同時(shí)采用增加電壓的方式進(jìn)行處理，使得三電平逆變器的三相瞬時(shí)電壓的輸出產(chǎn)生電壓U1。此時(shí)通過增加或減少第一電容、第二電容的充放電，使得U1=Uc1–Uc2，使Uc無限趨近于零，則完成對疊加后新的三相瞬時(shí)電壓輸出UA UB UC的中點(diǎn)點(diǎn)位控制。

2.3 一種三電平逆變器過零切換邏輯控制

一種三電平逆變器過零切換的邏輯控制，需要能夠?qū)π盘柊l(fā)生區(qū)域進(jìn)行科學(xué)的判斷。我們假設(shè)信號切換未發(fā)生在第二區(qū)域，而是發(fā)生在第一區(qū)域、第三區(qū)域或第四區(qū)域時(shí)，控制三電平的四個(gè)開關(guān)的外管Q1、Q4應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，而內(nèi)管Q2、Q3則應(yīng)保持原有的狀態(tài)，直到PWM2為高壓電平后再按照原發(fā)波路進(jìn)行控制。通過按照控制發(fā)波邏輯，可將切換過程分成四個(gè)區(qū)域，且能夠?qū)崿F(xiàn)在不同區(qū)域內(nèi)分別對開關(guān)進(jìn)行獨(dú)立的邏輯控制。通過在三電平逆變器在正負(fù)半周切換的過程中，保證互補(bǔ)開關(guān)管Q1 Q3 Q2 Q4之間的死區(qū)時(shí)間，這樣就能有效避免開關(guān)管之間的導(dǎo)通，能夠有效防止器件的短路，尤其是逆變橋臂的短路，從而保證電路的暢通和電路的穩(wěn)定工作。

3 結(jié)語

綜上所述，三電平逆變器作為重要的使用設(shè)備，其控制技術(shù)十分關(guān)鍵。通過加強(qiáng)對PWM、SVPWM等方法的使用研究，探尋一條切實(shí)可行、效率更高的控制策略，才能使三電平逆變器提升應(yīng)用性能，更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域。