（电力电子与电力传动专业论文）三电平npc逆变器中点电位波动的研究.pdf

r e s e a r c ho nf l u c t u a t i o no fn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a li n t h r e e - l e v e ln e u t r a l - p o i n t - c l a m p e di n v e r t e r a b s t r a c t s i n c e i t si n t r o d u c t i o ni n19 81 b y a n a b a e ，t h e t h r e e - l e v e l n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ( n p c ) v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ( v s i ) h a sb e e nw i d e l yu s e d t h e a p p l i c a t i o n s o ft h i s t e c h n o l o g y n o t o n l y i n c l u d e h i g h - c a p a c i t y h i g h p e r f o r m a n c ei n v e r t e r s ，b u t a l s oi n c l u d es t a t i cv a rc o m p e n s a t i o ns y s t e m s ， a c t i v ef i l t e r i n g ，a sw e l la sa p p l i c a t i o n si np o w e rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s b u tt h i s t e c h n o l o g ya l s o h a si t s d i s a d v a n t a g e s ：t h ec o m p l e x i t y o ft h ec o n t r o l l e ri s s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e da n dt h eb a l a n c eo ft h en e u t r a l p o i n th a st o b ea s s u r e d w h a t sm o r e ，t h ef l u c t u a t i o ni nt h en e u t r a l - p o i n tv o l t a g ei sas i g n i f i c a n tp r o b l e m t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so fd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h en e g a t i v ei m p a c to ff l u c t u a t i o ni n t h en e u t r a l p o i n tv o l t a g eo f t h r e e 1 e v e ln p ci n v e r t e r sw a si n t r o d u c e da n dt h ec a u s eo ff l u c t u a t i o ni nt h e n e u t r a l p o i n tp o t e n t i a lw a sa n a l y z e do b je c t i v e l yi nt h ed i s s e r t a t i o n s e c o n d l y ，i tw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e rt h a tt r a d i t i o n a ln e u t r a l p o i n tv o l t a g e b a l a n c i n g c o n t r o lm e t h o d sh a dm a n ya d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sb y c o m p a r a t i v e l ya n a l y s i so fc a r r i e r - b a s e dp w m s c h e m ea n ds p a c ev e c t o rp w m s c h e m e o nt h eb a s eo fa b o v ew o r k ，t h ee f f e c tt ot h es p a c ev e c t o rp w ms c h e m ec a u s e d b yt h ef l u c t u a t i o no fn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lw a sd i s c u s s e da n dw h a t sm o r et h e o r d e ro fs p a c ev e c t o r si sr e a r r a n g e df o re v e r yt r i a n g u l a rr e g i o n s f i n a l l y , t h e n o v e lm o d u l a t i o nw a sp r o v e d b ym a t l a b 7 0 s i m u l i n k s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：t h r e e - l e v e li n v e r t e r s ；n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ；f l u c t u a t i o no fn e u t r a l p o i n tp o t e n t i a l ；s p a c ev e c t o r 论文用图清单 图卜l 五电平电压波形1 图卜2 二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构3 图卜3 三电平n p c 逆变器拓扑a 相电路3 图2 1 三电平电路开关模型7 图2 2 三电平逆变器空间电压矢量分布图9 图2 3 长矢量和零矢量对中点电位的影响一1 l 图3 1 两电平拓扑结构和空间矢量图1 6 图3 2 三电平逆变器空间矢量a 区划分1 7 图3 3a 区内的矢量变化图2 0 图3 4a 区内的矢量时序2 l 图3 5n p c 逆变器中点电位的可控区域和死区2 2 图3 66 0 。坐标系下三电平逆变器空间矢量图2 3 图3 7 三电平n p c 逆变器虚拟空间矢量分布图2 7 图4 1 三电平n p c 逆变器s v p w m 控制仿真模型3 1 图4 2a 区矢量作用时间计算仿真3 2 图4 3a 1 小区矢量作用时间计算仿真3 2 图4 4 区间选择模块3 3 图4 5 三电平n p c 逆变器模块3 4 图4 6 三电平n p c 逆变器s v p w m 仿真波形3 6 图4 7 三电平n p c 逆变器v s v p w m 仿真波形3 7 论文表格清单 表l 一1a 相开关状态和输出电平的关系4 表2 1 三电平基本矢量分类表1 0 表2 2 中短矢量各开关状态及其相应的中点电流1 3 表3 3 空间矢量作用的占空比1 8 表3 4a 区空间矢量作用时序2 0 表3 5 大区的分区方法2 3 表3 6 三电平逆变器a 区中小区的分区方法2 4 表3 7 分区规则表2 8 表3 8a 区的每个小三角形矢量选择表2 9 表3 9v s v p w m 作用占空比的计算3 0 表4 一l 仿真参数3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金妲王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 一虢矗呛 期：甲撕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 工些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠文储虢瑶呛 签字日期：丫年眵月尸日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩躲气修 签字日期：妒年午月7 日 蛳枷6 p 仲 邮编： 7 致谢 在合肥工业大学浓厚的学术氛围中，我完成了硕士研究生阶段的学业。本 人在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，得到了我的导师张兴教授 的悉心指导。无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、完成课题、论文 成稿，都倾注了张兴老师的心血。感谢张兴老师对课题提出的宝贵建议和对我 生活上的关心与鼓励，事业上的大力支持与鼎力相助。 张兴老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业孜 孜不倦的追求，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。在这三年的学习生活 中，我不仅学到了知识，更学到了做人的道理。 同时，真诚感谢电气与自动化工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的 研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。 感谢我的父母，是他们几十年的含辛茹苦，才有了我今日的成绩。感谢我 的妻子李靖靖，对我长期的支持和生活中的关怀。 感谢论文的评阅老师和答辩委员会老师在百忙中对本文进行审阅、指点。 衷心地感谢给予帮助的所有同学! 作者：童鸣 2 0 0 9 年2 月 1 1 三电平逆变器技术概况 第一章绪论 三电平逆变器是以电力系统中直流输电、无功功率补偿、电力有源滤波等 应用发展的需求，高压大功率交流电动机变频调速系统大量应用的需求，以及 2 0 世纪7 0 年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染引起的世晃 各国对节能技术与环保技术的广泛关注为背景的【1 1 。 1 1 1 三电平逆变器技术发展概况 ( 1 ) 三电平逆变器的定义及其发展 所谓电平数，对于电压型逆变器而言，指的是输出电压波形中，从正的最 大值到负的最大值之间所包含的阶梯数，如图1 1 所示。它的正、负最大值之 间所包含的阶梯数是5 ，所以它的电平数为5 。 ：，、 一 一o 。一 图1 1 五电平电压波形 所谓三电平逆变器( t h e r e 1 e v e li n v e r t e r ) 是指这种逆变器输出电压波形中 的电平数等于3 的逆变器。这种逆变器主要有两种结构形式1 2 】：一种是在两电 平逆变器半桥式结构的基础上，按照类似的结构通过增加直流分压，将直流电 压分压成多种直流电压，然后加入钳位电路( 二极管或电容) 和增加开关管的 串联个数构成半桥式多电平逆变器，用不同的开关组合得到多电平输出；另一 种则是利用单相全桥式逆变器( h 桥) ，通过直接串联叠加组成级联式多电平逆 变器，每一个单相全桥式逆变器的直流电源必须是独立的直流电源时才能进行 级联，独立直流电源的电压可以不相等。不同的直流电源电压的取法，可以得 到不同电平数的电压输出，如三电平、五电平和七电平等。 电力电子器件是电力电子装置的核心，在过去的几十年里，电力电子器件 经历了晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、双极性大功率晶体管( g t r 或 b j t ) 和场控器件( i g b t 和p o w e rm o s f e t ) 3 个阶段。近些年来，各种新 型功率器件，如i g c t 、i e g t 、e t o 等纷纷出现，电力电子器件的单管容量。 w 2 ， o 。 乏 开关频率已经有了极大的提高。即使如此，在某些场合仍然不能满足人们对高 压、大功率的要求。并且，以现有电力电子器件的工艺水平，其功率处理能力 和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率低。所以在为了实现高频 化和减少电磁干扰( e m i ) 的大功率变换，在功率器件水平没有本质突破的情 况下，有效的手段是从电路拓扑结构和控制方法上找到解决问题的方案。 在过去的二十多年里，研究者进行了大量的研究探索，提出了多种高压大 功率变换的解决思路和方法。所有这些思路和方法，归纳起来大致可以分为5 类：功率器件的串并联技术、逆变器并联技术、多重化技术、组合变换器相移 s p w m 技术和多电平变换器技术【3 1 。其中多电平变换器技术具有提高功率器件 耐压能力、输出谐波小、改善e m i 和损耗小等许多突出的优点，应用广泛。 三电平逆变器技术是在两电平技术的基础上发展起来的。使输出电压的电 平数等于或大于3 的逆变技术，早在1 9 6 2 年在阿波罗登月指令舱逆变器中就得 到了应用。1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 提出了一种三电平逆变器，他在两电平半 桥式逆变器电路的基础上，加入开关管辅助箝位电路，得到了三电平电压输出。 但这种三电平逆变器由于采用的是开关辅助箝位结构形式，故只能得到三电平 电压输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平 逆变器的雏形。19 8 0 年，日本长冈科技大学的a k i r an a b a e 等人对其进行改进 与发展，在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上提出了二极管箝位式三电平逆变器主 电路的结构。这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。由于电力系统的发 展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压 大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。随着a k i r an a b a e 二极管箝位 式三电平逆变器的出现，1 9 8 3 年，p m b h a g w a t 等人将三电平扩展到五电平、 七电平和多电平逆变器。1 9 8 8 年，m m a n e h e s o n i 等人提出了具有独立直流电 源的级联式多电平逆变器。19 9 2 年，法国学者t a m e y n a r d 和h f o c h 提出了 飞跨电容箝位式多电平逆变器。f a n gz p e n g 在综合了多种箝位式多电平逆变器 ( 如二极管箝位式、飞跨电容箝位式以及二极管与飞跨电容混合箝位式多电平 逆变器) 的特点后，在2 0 0 0 年的i e e e 工业应用( i a s ) 年会上，提出了一种 通用式的多电平逆变器的主电路结构。这种电路结构可以不需要借助于附加电 路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的具有实用 价值的多电平逆变器的主电路。此电路结构是以飞跨电容箝位的半桥式结构为 基本单元，组成的电容电压自平衡式通用筘位多电平逆变器。2 0 0 0 年， m d m a n j r e k a n 等人提出了单相全桥式逆变单元( 即f b i 或h 桥) 串联式多电 平逆变器【2 1 。 ( 2 ) 三电平n p c 逆变器技术基本原理 在多电平逆变技术中，二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构简单，控制策 2 略比较简单，是目前研究和应用最为成熟的多电平逆变器结构之一【4 1 。如图1 2 所示，为二极管箝位型三电平n p c 逆变器拓扑结构【5 1 。 图卜2 二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构 由图l 一2 可知，二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构由三相桥臂并联后再 与直流母线侧串联而成。每相桥臂都需要4 个主开关器件、4 个续流二极管、 两个箝位二极管。 下面以a 相为例，如图1 3 所示，分析二极管箝位型三电平n p c 逆变器的 工作原理。开关管s a l 、s a 2 同时导通时，s a 3 、s a 4 同时关断。若电流从逆变 电路流向负载，即从p 点经过s a l 、s a 2 到达输出端a ，忽略开关器件的正向导 通压降，输出端a 的电位等同于p 的电位，即v d c 2 ；若电流从负载流向逆变 电路，这时电流从a 分别经过s a l 、s a 2 所对应的续流二极管d a l 、d a 2 ，流进p 点，这时输出端a 的电位仍然等同于p 的电位。 p 图卜3 三电平n p c 逆变器拓扑a 相电路 开关管s a 2 、s a 3 同时导通时，s a l 、s a 4 同时关断，同上述分析类似，若 电流从逆变电路流向负载，即从中点0 经过上端的箝位二极管d l 和开关管s a 2 到达输出端a ，输出端a 的电位等同于。点的电位，即0 电位；若电流从负载 流向逆变电路，这时电流从a 分别经过s a 3 和下端的箝位二极管d 2 流进0 点， 这时输出端a 点的电位仍等同于。点电位。 开关管s a 3 、s a 4 同时导通时，s a l 、s a 2 同时关断。分析如下：若电流从 逆变电路流向负载，即从负电位n 点分别经过s a 4 、s a 3 对应的续流二极管d a 4 、 d a 3 到达输出端a ，输出端a 的电位等同于n 的电位，即一v d c 2 ；若电流从负 3 载流向逆变电路，这时电流从a 分别经过主开关管s a 3 、s a 4 流进1 1 点，忽略开 关器件的正向导通压降，这时输出端a 点电位仍等同于n 点电位，即- - v d c 2 。 表l l 中列出了上面分析的结构，可以看到三种稳态工作模式的开关状态 和输出端电压的对应关系。 表1 1a 相开关状态和输出电平的关系 输出电平 s a ls a 2s a 3s a 4 p o no no f fo f f 00 f fo n o n0 f f n0 f fo f fo no n 由以上分析可知：主开关管s a l 、s a 4 不能同时导通，且s a l 和s a 3 、s a l 和s a 4 的工作状态恰好相反，即工作在互补状态，平均每个主开关管所承受的 正向阻断电压为v d c 2 ，这也是三电平逆变器的基本控制规律之一。另外，从 表中明显可以看出，每相桥臂中间的主开关管导通时间最长，发热量要大一些， 因此实际系统散热设计应以这两个主开关管为准。 ( 3 ) 三电平n p c 逆变器技术的优缺点 在对二极管箝位型三电平逆变器电路和波形【2 】分析之后，可以概括出三电 平逆变器相对于两电平拓扑有以下优缺点【6 】。 1 优点： n p c 三电平逆变器能够很好的解决电力电子开关耐压不够高的问题。由 于每相输出电压在p 一0 或者。一p 之间，器件承受的关断电压只有直流回路电 压的一半，器件受到的电压应力小，系统可靠性有所提高； 三电平逆变器输出电压电平数增加后，各级电平间的幅值变化降低，低 的讲对外围电路的干扰小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也 小得多： 由于三电平逆变器输出为三电平阶梯波，形状更接近正弦。在同样的开 关频率下，谐波比两电平要低得多： 在同样的直流电压v d c 下，三电平拓扑使用的开关数目并不比两电平逆 变器多。 2 缺点： 器件所需的额定电流不同。由表1 一l 可以看出，不同的管子开关时间 不同。如s a 2 、s a 3 的开通时间是s a l 、s a 4 的开通时间的两倍，这样同一桥臂 上管子的额定电流也会不同； 电容均压问题，即中点电压不平衡问题，文中第二章有详细介绍。直观 来看，就是直流侧电容，由于一个周期内电流的流入和流出可能不同，会造成 某些电容总在放电，而另一部分总在充电，使得电容电压不均衡，最终导致输 4 出电平不对。 1 1 2 三电平n p c 逆变器技术的关键问题 根据当前多电平方面的研究和应用情况，总结出目前多电平变换器研究的 关键技术主要有：多电平逆变器的拓扑结构研究，多电平逆变器的p w m 控制技 术，多电平逆变器的开关损耗和散热问题研究，多电平逆变器的软开关技术研 究，多电平逆变器的应用研究，多电平逆变器各种特定拓扑结构的关键问题研 究，例如中点钳位型逆变器的中点电压平衡研究。 在三电平n p c 逆变器技术中，中点电压不平衡问题是三电平逆变器的一个 致命弱点。三电平逆变器每个开关管所承受的电压等于直流侧一个直流电容上 的电压。显然，只有在电容电压保持平衡时，每个开关管承受的电压为直流电 压的一半，才能保证系统可靠运行。如果电容电压不平衡，不仅会增大输出电 压波形的谐波含量，而且逆变器中某些开关管所承受的电压会上升，降低装置 的寿命，严重时会损坏开关器件和直流电容。因此，直流电容电压平衡问题一 直是三电平逆变器研究的重点也是难点 7 - 9 j 。 1 2 课题概况 本课题名为三电平n p c 逆变器中点电位平衡的研究，英文名为：r e s e a r c ho n f l u c t u a t i o no fn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a li nt h r e e l e v e ln e u t r a l - p o i n t - c l a m p e d i n v e r t e r 1 2 1 课题研究的意义 我国能源生产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民生 活发展的需要。由于缺电，正常的生产秩序被打乱，造成巨大的经济损失；另 一方面，在能源十分紧张的情况下，浪费现象却十分严重。我国国民生产总值 排在世界第七名左右，其中很重要的原因就是单位产值能耗太大。根据国家有 关部门的全面调查统计，我国发电量的6 0 , - - , 7 0 左右用于推动电动机做功，其 中9 0 的电机是交流电动机，大部分为直接拖动。由于采用直接恒速拖动，每 年造成大量的能源浪费。再考虑到电力从发出到传输和使用，如调峰，励磁， 网损，无功及各种电设备上的浪费，全国总的数量加起来十分惊人。如占工业 用电3 0 以上的各种风机，泵类负载全国约4 7 0 0 万台，总功率为1 3 亿千瓦 ( k w ) 。 由于此类负载工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效 果明显。以平均节电2 0 计算，对于全国来说，相当于一年节约电5 0 0 亿度 5 ( k w h ) ，相当于15 0 0 万k w 发电站的年发电量，还可节约数百亿元的电力建设 投资，同时可以减少2 0 0 0 万吨发电用煤，5 0 万吨二氧化硫和1 2 0 0 万吨二氧化 碳的污染排放。因此，开发高压大容量多电平交流电机变频调速节能装置并推 广应用，对我国工业降低单产能耗和提高环境质量具有重要意义，鉴于此，国 家能源节约与资源综合利用“十五 规划指出：高压变频器技术是重点发 展技术之一。 环境污染问题也是人类当前面临的共同难题。电能的生产、变换、使用在 很大程度上影响到环境。电能的生产一般伴随二氧化碳、二氧化硫气体排放， 前者是地球温室效应的原因之一，后者是酸雨的成因，二者对环境危害都很大。 少一点电能生产即能换得环境少一点恶化。生产发展必然要增加电力的需求， 要降低成本主要在于节约电力，减少电力的浪费。这要求电源装置、电能变换 系统提高效率。另外，干净的电磁环境也要求电能变换设备在电磁兼容性方面 达标。节约电能、电磁兼容、无环境污染的绿色供电势在必行。 由上节可知，中点电压不平衡问题是三电平逆变器的一个致命弱点。所以， 对中点电压不平衡研究具有十分重要的意义。 1 2 2 课题研究的现状 n p c 逆变器的中点电位不平衡问题一直是一个研究的热点，也有很多不同 的控制方法被提出【6 ，l o 15 1 。现有的文献大多都是将载波调制与空间矢量调制 ( s v m ) 方法分开研究的。文 n 】在载波调制中提出了从零序电压的角度分析 中点电位波动问题的思路，但由于没有考虑到零序电压对参考电压的影响，使 其计算结果存在错误，并且也没有提出实用的实时控制算法。近年来，关于中 点电位平衡控制的研究几乎都是从空间矢量的角度出发 i o - 1 3 】，只是定性的且 不准确的电压偏差调整控制，对中点电位波动问题缺乏本质上的认识。文【6 虽然从空间矢量角度较为全面地分析了各开关状态( 考虑到了中矢量) 和负载 电流对中点电位平衡的影响，但是由于空间矢量的复杂性，对问题仍缺乏深入 的分析。因此，至今为止，n p c 逆变器的中点电位不平衡问题还有待于进一步 的解决。 1 2 3 课题研究的主要任务 本课题研究的主要任务是：在了解三电平n p c 逆变器发展的背景和现状、 掌握三电平n p c 逆变器基本原理的基础上，明确三电平n p c 逆变器中点波动 的本质，掌握中点电位波动的控制方法，通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真和实验比较， 验证各种方法的正确性和实用性。为三电平n p c 逆变器中点电位波动的抑止， 从理论研究到工业应用的可行性提供理论依据。 。 6 第二章中点电位波动的本质 2 1 三电平逆变器的空间电压矢量模型 空间矢量( s p a c ev e c t o rp w m ) 法和载波调制等方法不同，它是从电动机 的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以 三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开 关模式所产生实际磁通去逼近基准磁通，由他们比较的结果决定逆变器的开关， 形成p w m 波形。由于它把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单， 便于微机实时控制，并且具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点，因 此目前无论是在开环控制系统还是闭环控制系统中均得到广泛应用【l 】。 以交流电机为负载的三相对称系统，当在电机上加三相正弦电压时，电机 气隙磁通在口静止坐标平面上的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值表 达式为： iv a = 圪s i n ( c o t ) 屹= 圪s i n ( c o t 一2 x 3 ) 【1 ，。= s i n ( c o t + 2 x 3 ) 其中，圪为正弦电压幅值，c o = 2 n f 为基波角频率。 压矢量定义为【3 】： ( 2 1 ) 则它们对应的空间电 ；：一。赢+ 焉) ，云：口j 2 枷( 2 - - 2 ) 2 3 ( i ；： 1 ，= + + 口2 v c ) ， 口= 口 露7 3 理想的三电平逆变器电路的开关模型如图2 1 所示，每相桥臂的电路结构 可以简化为一个与直流侧相通的单刀三掷开关s 。 p n 图2 1 三电平电路开关模型 设逆变器输出电压为v 矿1 ，6 。和v ，电机上的相电压为v a n 、v b nv c ，电 机中性点对逆变器参考点电压为v n o ，也就是零序电压。0 为逆变器直流测零电 位参考点，n 为电机中性点，此时，电机的定子电压空间矢量为： 7 k = 2 3 ( v 例v + + 口2 ) 一 = 2 3 ( v a o + 们k + 口2 ) 2 、) s 口+ p s 8 其中， ， jv a n2 一 1 ，6 2v b o 一 l v c 2 一，o ( 2 3 ) ( 2 4 ) 在正常情况下，以图2 1 中0 点为变换器零电位参考点，即每相输出分别 有正( p ) 、零( o ) 、负( n ) 三个开关状态。若定义开关变量s a 、s b 、s c 代表 各相桥臂的输出状态，则各相电压表示为： h = 2 = 2 ( 2 5 ) k = s 。吆2 其中， j x21u i 一1 x 相输出电平p x 相输出电平0 ，x = a ，b ，c ( 2 6 ) x 相输出电平n 因此，三相三电平变换器可以输出3 3 - 2 7 种电压状态组合，此时仍定义电 压空间矢量为： 瓦= 三9 口+ 砖。+ 磊。) = 等【( 2 ：a - - s b - - s c ) + 压( 一】( 2 - - 7 ) 则在孑二么平面上，三电平变换器2 7 组开关状态所对应的空间矢量图如图2 2 所示。 8 八，j 。7 1 p p o 、j o o ay 2 。艇潦嬲 么k 。 心 鞭黟 m a po n p e 图2 2 三电平逆变器空间电压矢量分布图 图2 2 中标出了不同开关状态组合和空间矢量的对应关系。如其中p o n 表示a 、b 、c 三相输出对应的开关状态为正、零、负。另外可以看出，同一电 压矢量可以对应不同的开关状态，越往内层，对应的冗余开关状态越多。因此， 口夕平面上的2 7 组开关状态实际上只对应着19 各空间矢量16 1 ，这些矢量被称 作为三电平变换器的基本空间矢量，简称基本矢量。 2 2 基本矢量对中点电位的影响 二极管箝位型三电平逆变器的中点电位定义为： v 。= v c 2 1 ，c l ( 2 8 ) 其中，v 。：、匕。分别为图2 1 中电容c 2 、c i 上的电压。即中点电位是直 流母线侧两电容上的电压之差。 2 2 1 基本矢量的分类 在口一空间矢量平面上，三电平变换器的同一基本矢量对应不同的开关状 态，说明变换器输出的基本矢量所对应的开关状态数目具有一定的冗余度。按 照基本矢量幅值的不同进一步分类，可以将1 9 个基本矢量及其对应的2 7 组开 关状态分为四类，分别称为长矢量、中矢量、短矢量和零矢量。如表2 1 所示。 9 表2 1三电平基本矢量分类表 基本矢量类型对应的三相输出开关状态 长矢量p n np p nn p nn p pn n p p n p 中矢量p o no p n n p on o po n pp n o p o o o n np p o o o po p on o n 短矢量 o p p n o o o o p n n op o po n o 零矢量p p p 0 0 0n n n 其中长矢量与矢量图中外六边形的顶点对应，共有6 个，对应的开关状态 为p n n ，p p n ，n p n 等，分别表示三相均接正电平或者负电平；中矢量长度略短， 位于每个6 0 0 扇区的角平分线上，共有6 个，对应的开关状态为p o n ，o p n ，n p o 等， 这6 个电压矢量的特点是三个桥臂分别接在正电平、负电平和零电平上；短矢 量长度为长矢量的一半，共有6 个，且位于内部六边形顶点，每个矢量与两组 开关状态相对应，如0 1 1 1 1 ，p o o 等；矢量长度为o 的是零矢量，为空间矢量平面 原点，对应p p p ，0 0 0 和n a n 三组开关状态，它们分别表示变换器三相交流输出 同时接正电平、零电平或负电平。 从图2 2 可知，从最外层的六边形向里每进一层，矢量对应的开关状态冗 余度增加1 ，例如最外层的长矢量及中矢量冗余度为1 ，即只有一个对应的开关 状态；短矢量的冗余度为2 ，如o n n 和p o o 在平面上位置完全重合；最里层的 零矢量冗余度为3 。 2 2 2 基本矢量对中点电位的影响 在三电平变换器的1 9 个基本矢量中，长矢量对应的开关状态使三相输出和 正、负母线相连，不影响中点电压。零矢量使负载三相短路，并挂在正、负、 零母线之一上，也不会导致中点电压的变动【1 7 1 9 1 ，如图2 3 所示。 1 0 p n ( a )长矢量p n n 相 p c l _ 一 ，一、 m o + c 2 一， 一 、 n ( b )零矢量0 0 0 图2 3长矢量和零矢量对中点电位的影响 设中点电流为i 。，流出中点为正。从图2 3 中可以看出，长矢量和零矢量 对应的开关状态，中点电流f 。= o ，电容c 1 和c 2 上的电压保持不变，处于平 衡状态下。 而中矢量和短矢量的开关状态对应至少有一相输出和零母线相连，并和正、 负母线形成电流回路，从而导致电容c 1 、c 2 的充放电，使中点电位发生波动。 如图2 4 所示。 如图2 - - 4 ( a ) 所示，当中矢量开关状态为p o n 时，有2 m2 “，当负载电流 0 时，上电容c l 充电，屹- 升高，下电容c 2 放电，v c 2 下降，从而中点电位 v 肿。2v c 2 一v c l 下降。反之， om i m 之 上q享耐 一 一、 i nl ( a ) 中矢量p o n p p 缝7 【 三 亡c 1 a f l 。 m入 r ( 、 _ =： 一 b 相 c 2 、一 一 - = 。，。 ：2 吃 _ 一 【 ： 乏上5a 一 _， m 0 ( b相 ： 一 f l ： - 一c 2 一 ： i ， 、 l i i ( c ) 短矢量p o o 图2 4 中矢量和短矢量对中点电位的影响 由此可知：影响中点电压的最根本原因是不为零的中点电流。这也给出了 中点电压控制的一条思路，即通过控制中点电流来控制中点电压。按照中短矢 量的开关状态对中点电流的影响，可以对基本矢量中、短矢量进行分类，如表 2 2 所示。 三电平n p c 电路要正常工作，就必需使中点电位的波动控制在允许范围内。 因此，在选择基本矢量时必需考虑对电容电压的影响。根据表2 2 的信息，就 可以选择合适的矢量进行中点电位控制了。 1 2 表2 2 中短矢量各开关状态及其相应的中点电流 正短矢量的 开关状态 z 掰 负短矢量的 z 胧 中矢量的 z 埘 开关状态开关状态 o n n p o o p o n1 6 k 一毛 p p o o o n o p n ，c一 z 口 n p o 1 f n o n 1 6 o p o 一 o p p l d noo 一屯 n o p1 6 n n 0 l c o o p k o n p i 口 p o p i b n o n 一 p n o l f 2 3 中点电流的数学模型 如认为负载为感性的，并且电感足够大，负载电流可以表示为正弦形式： i 屯( f ) = i l ms i n ( c o t 一矽) 屯( f ) = ，洲s i n ( c o t - 2 n 3 一咖 ( 2 - - 9 ) i f 。o ) = i t ms i n ( c o t + 2 7 r 3 一伊) 式中，k 为负载电流幅值，矽为功率因数角，国= 2 矿为基波角频率。对 于任一桥臂，当此桥臂箝位于中点时，由式( 2 6 ) ，s x = 0 。此时，负载电流 会通过箝位二极管流入中线。所以中线电流瞬时值表示为【4 】： p ) = 【l 一幽( 配) 】乞+ 【l 一幽( & ) 】毛+ 【1 - a b s ( s 。) 】乏 ( 2 1 0 ) = 一a b s ( s 。) - 屯一a b s ( s 6 ) i b a b s ( s 。) 屯 式中，a b s ( ) 为绝对值函数。考虑到零序电压v n o ，将( 2 - - 4 ) 式重写如 下形式： v 卯 - l t 州+ v 洲 v b o = v b n + 哳 ( 2 1 1 ) i - v 卯= y c + v o 其中，、屹。和为逆变器输出电压。p w m 控制的本质就是在一个控制 周期t s 内，控制开关状态s x 输出的平均效果与参考电压等效。所以根据式( 2 1 0 ) ，控制周期t s 内的平均中线电流可以表示如下： 乙o ) = - a b s ( v 。) 乞一动s ( 吒。) 毛一a b s ( v 。o ) i o ( 2 1 2 ) 式( 2 一1 2 ) 右边各量均为这个控制周期内的采样值，再定义符号函数如 1 3 下： f 1 s g l l 2 t 一1 o(2-13) v x o 0 将式( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) ，平均中线电流可以表示为： ( ) = 一 s g n ，( v a o ) 屹屯+ s 印( ) 。屯+ s 印( l k 。j ( 2 - - 1 4 ) 一v o 【s 瓤v 口o ) i a + s g n ( v 6 0 ) f 6 + s g n ( v c o ) 之j 这个中线电流将流经直流电容，是造成稳态下直流电容电压波动的根本原 因，所以中点电位波动控制的本质就是控制平均中线电流f 。为0 ，使每个控制 周期内直流电容电压的变化a v ，= ，= 。ea v c 0 式( 2 1 4 ) 中，令f 。= 0 ，则零序电压应被控制为： v 。：s g n ( v 丁a o ) , v o i a + s g n ( v b o ) , v b i b + s g n ( v c o ) , 丁v c 一i c ( 2 15 ) 。 【s g n ( ) + s g n ( v 6 。) 乇+ s g n ( v ) i cj 式( 2 1 5 ) 就是平均意义上的中点电流控制模型，也是计算零序电压y o 的 基本公式。 1 4 第三章中点电位波动的控制 中点电位控制可以通过硬件或者算法两种途径进行控制。硬件方法是利用 整流侧的中点来箝位。而采用算法控制的方法是利用三电平逆变器开关状态的 合理选择来实现对电容中点电压的动态平衡的控制，实现手段主要有闭环控制 和开环控制两种。一般将这些控制方法归为四类t 采用两路独立的直流电源 2 0 , 2 1 】，这就需要具有两路独立二次绕组的隔离变压器，这将增加系统成本； 采用附加的功率变换器向中点注入或者抽取电流，这将造成系统成本增加和控 制上的困难 2 2 - 2 4 】；将箝位中点和三相系统的中性点进行连接，这将造成交流 进线侧出现较大的直流分量，这在某些场合因为谐波和变压器磁饱和等原因是 不允许的 2 5 】；采用算法进行中点电位的平衡控制 2 6 - 3 3 】。方法减少了系统 的硬件成本，目前主要是通过合理选择冗余矢量的作用时间和作用顺序来进行 中点电位的平衡方法，已有大量的中点电位平衡控制方法被报道，大致可以分 为基于载波p w m 和s v p w m 两大类。由于空间矢量调制( s v m ) 技术控制的灵活 性强、易于数字实现，因此相对于载波调制方法，采用空间矢量法对电容中点 电压进行控制的发展更为成熟。 3 1 传统s v p w m 控制方法 传统的三电平n p c 逆变器s v p w m 控制算法是两电平控制算法的直接扩 展。由于互补小矢量对的存在，使得该控制算法在一定范围内可实现直流母线 电压的平衡控制。 3 1 1 三电平s v p w m 算法原理 1 参考电压矢量合成的原则 从空间矢量分布图2 2 可以看出，为了使三电平逆变器输出的电压矢量接 近圆形，并最终获得圆形的旋转磁通，只有利用逆变器的输出电平和作用时间 的有限组合、用多边形去接近圆形。 在采样周期内，对于一个给定的参考电压矢量吃，可以用三个基本电压 矢量来合成，根据最近三矢量( t h en e a r e s tt h r e es p a c e v e c t o r , n t v ) 原则和伏 秒平衡原理，满足方程组： c = 五k + t 2 + t 3 巧 ( 3 - - 1 ) 【 2 ：22 ；+ 2 ；+ 2 ； 式中，互，t 2 ，e 为三个基本电压矢量k ，k 的作用时间，r s 为采样周期。根 1 5 据此方程组可以得到各基本矢量的作用时间，然后根据基本矢量域开关状态的 对应关系，结合其它要求确定所有的开关状态及其输出形式。 根据上述原则，为了实现三电平变换器的s v p w m ( 空间矢量p w m ) 控制， 在每个采样周期内，应分为以下四个步骤： 找出合成参考电压矢量的三个基本矢量； 确定三个基本矢量的作用时间，即每个矢量对应的占空比； 确定各个基本矢量对应的开关状态。 确定各开关状态的输出次序以及各相输出电平的作用时间，即确定输出 的开关状态序列和对于三相的占空比。 传统的两电平逆变器的矢量合成方法与此相同，但是更为简单，所以下面 以两电平为例，说明如何实现空间矢量p w m 控制。图3 1 所示为普通两电平 逆变器及其空间矢量图。 t d c 2u s j d c 2 彳 、 图3 1 两电平拓扑结构和空i 司矢量图 对于第一步，通常将复平面分成6 个扇区，然后确定此时的参考电压矢量 位于哪个扇区，根据参考电压矢量的坐标形式不同一般有两种方法：当参考电 压矢量以极坐标形式表示时，可以通过角度坐标来判断当前所处扇区位置；当 以直角坐标表示时，可以通过个扇区边界线的直线方程及相互关系来判断。由 于只有6 种情况，确定过程较为简单。 第二步是确定每个参考矢量的作用时间，可根据矢量图由以下公式导出( 以 i 扇区为例) ： y p t $ - - - t o o + 互售) + 疋( ；) 呸1 + 歹警) ( 3 2 ) 在式( 3