【《NPC型三电平逆变器中点电压的控制分析案例》6500字】

NPC型三电平逆变器中点电压的控制分析案例中点箝位型三电平逆变器自问世以来，以其较低的开关管承受电压应力、优良的输出波形和较低的开关损耗而大受欢迎，但该拓扑在运行过程中总会出现一个难以避免的难题——直流侧中点电压不平衡。如果对此不加以控制，不仅会使逆变器输出波形发生畸变，增大谐波输出含量，更有可能造成直流电容、功率开关器件等因分压不均导致击穿，对系统的安全运行造成不良影响，因此我们需要在SVPWM方法的基础之上探寻控制中点电压平衡更有效的调制方法。本章从造成NPC型三电平逆变器直流中点电压不平衡的原因出发，从开关状态对中点电压的影响和其他原因对中点电压的影响两个大角度分析这个问题，并给出一个控制中点电压的有效调制方法——虚拟空间矢量调制技术。本章的最后将利用分配因子法在一定程度上改良VSVPWM方法，更加有效的调控方法将在第五章阐述。1.1中点电压不平衡的原因中点箝位型三电平逆变器的运行过程中，直流侧两个电容总会一个充电一个放电，这导致两电容分压不均，中点电压随之偏移，这种偏移一旦超过某一范围就会对逆变器运行造成安全隐患，必须加以控制。造成逆变器中点电压不平衡的原因有很多，电压矢量自身会造成中点偏移，调制策略的应用、硬件条件、工艺水平等都会加剧中点电压偏移。1.1.1开关状态对中点电压的影响导致NPC型三电平逆变器中点电压偏移的根本原因是一个开关周期内流过直流中点的电流iNP的平均值不为零。现利用空间电压矢量图分析每种开关状态对中点电压造成的影响。基于3.1章节空间电压矢量的分类，我们先将27个基本矢量分类为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，随后分别分析各类基本矢量对中点电压的影响。以(1)零矢量对中点电压的影响当开关状态为PPP时，根据图4-1（a）所示，电流从电容C1正极流出，在负载侧形成三相短路，直流侧P端和N端与中点O点之间没有形成电流回路，电容C1和电容C2不会有充放电现象，因此中点电流iNP=0。当开关状态为OOO时，根据图1.1(b)所示，虽然电流从直流侧中点O点流出，但在负载侧形成短路，O点不会与P、N两端形成电流回路，因此电容C1和电容C2不会进行充放电，i(2)大矢量对中点电压的影响当开关状态为PNN时，根据图4-2所示，NPC型三电平逆变器的三相只与直流侧的P端或N端相连，与O点没有电路连接，不会形成电流回路，电容C1和电容C2不会有充放电现象，因此中点电流iNP(a)开关状态PPP(b)开关状态OOO图4-1零矢量PPP和OOO作用时的等效电路图图4-2大矢量PNN作用时的等效电路图(3)中矢量对中点电压的影响假设中点电流iNP从直流侧中点流向负载为正，从负载流入直流侧中点为负。当开关状态为PON时，根据图1.3所示，NPC型三电平逆变器B相与直流侧中点O点相连接，并和P端和N端形成回路，此时中点电流iNP不再等于零，电容C1和电容C2会发生充放电现象，中点电压产生偏移。电压的偏移方向取决于中点电流iNP的正负。当iNP>0时，即中点电流从直流侧中点流向负载侧，此时电容C1充电，电容C1两端电压上升；电容C2放电，电容C2两端电压下降。由此带来的结果是中点电位下降。当iNP<0时，即中点电流从负载侧流向直流侧中点，此时电容C1放电，电容C1两端电压下降；电容C图4-3中矢量PON作用时的等效电路图(3)中矢量对中点电压的影响假设中点电流iNP从直流侧中点流向负载为正，从负载流入直流侧中点为负。当开关状态为PON时，根据图1.3所示，NPC型三电平逆变器B相与直流侧中点O点相连接，并和P端和N端形成回路，此时中点电流iNP不再等于零，电容C1和电容C2会发生充放电现象，中点电压产生偏移。电压的偏移方向取决于中点电流iNP的正负。当iNP>0时，即中点电流从直流侧中点流向负载侧，此时电容C1充电，电容C1两端电压上升；电容C2放电，电容C2两端电压下降。由此带来的结果是中点电位下降。当iNP<0时，即中点电流从负载侧流向直流侧中点，此时电容C1放电，电容C1两端电压下降；电容C(4)小矢量对中点电压的影响当开关状态为POO时，根据图1.4(a)所示。NPC型三电平逆变器B、C两相与直流侧中点O点连接，与P端形成电流回路，此时中点电流iNP不再等于零，电容C1和电容C2会发生充放电现象，中点电压产生偏移。根据电路图可以发现中点电流iNP=iB+iC=−iA，可等效为中点电流iNP从负载侧流入直流侧，中点电压升高。当开关状态为ONN时，根据图1.4(b)所示。NPC型三电平逆变器A相与直流侧中点O点连接，与N端形成电流回路，此时中点电流iNP不再等于零，电容C1和电容C(a)开关状态POO(b)开关状态ONN图4-4小矢量POO和ONN作用时的等效电路图表4-1中小矢量作用时的中点电流i中矢量iP型小矢量iN型小矢量iPONiPOO−iONNiOPNiPPOiOON−NPOiOPO−NONiNOPiOPPiNOO−ONPiOOP−NNOiPNOiPOPiONO−根据以上分析可以清楚地发现造成NPC型三电平逆变器直流中点电压偏移的根本原因在于中、小矢量。在空间电压矢量图中，小矢量共有六对，中矢量共六个，全范围内的中、小矢量产生的中点电流iNP可用表4-1总结。中小矢量作用时产生的中点电流iNP会造成直流侧中点电压U经过以上研究，零矢量和大矢量作用时，由于直流侧中点不会参与构成电流回路，因此上下电容不会充放电，中点电压也不会偏移；中矢量和小矢量作用时，O点会参与构成电流回路，上下两电容会充放电，中点电压产生偏移。对于小矢量，一对冗余小矢量对应的中点电流极性互补，因此可以通过调制冗余小矢量作用时间控制中点电压平衡。而对于中矢量，由于其冗余度为0，为控制中点电压平衡必须利用小矢量补偿中矢量，具体补偿方法将在后文介绍。表4-2中小矢量作用时的中点电压U中矢量UP型小矢量UN型小矢量UPON降低POO升高ONN降低OPN降低PPO降低OON升高NPO降低OPO升高NON降低NOP降低OPP降低NOO升高ONP降低OOP升高NNO降低PNO降低POP降低ONO升高根据表4-2可知，传统SVPWM方法应用于NPC型三电平逆变器时不能调控中点电压，需要在第三章的分析基础上进行改进。1.1.2其他原因对中点电压的影响1.1.1章节主要讨论逆变器开关状态对中点电压的影响，还有一些不可避免的其他因素会造成NPC型三电平逆变器的中点电压偏移。例如：（1）受制于当前的工业技术，NPC型三电平逆变器直流侧两个电容无法做到理想的参数一致，这就导致逆变器运行过程中总会因硬件原因造成直流中点电压偏移。另外，根据电路原理，电容两端电压变化与其本身参数C存在反比关系，随着C值的增大，电容电压偏移会减小，但是电容值的大小受预算和耐压约束，因此不能为了控制中点电压无限增大电容，必须寻找一种平衡。（2）NPC型三电平逆变器中点电压偏移程度还受交流侧负载影响，带负载越多，一个开关周期内的中点电流iNP（3）当参考电压Vref1.2SVPWM方法控制中点电压平衡目前，硬件方法控制中点电压平衡的方案主要是优化逆变器拓扑模型，比如加入使iNP能强行流入的换流器，这样iNP不流经C1和C2经过1.1章节的分析，零矢量和大矢量不会造成逆变器中点电压偏移，造成逆变器中点电压不平衡的主要原因在于基本小矢量和基本中矢量的使用。设构成基本小矢量的两个冗余小矢量分别为up和un，这两个矢量对中点电压的作用相反。基本思路是保证两个矢量作用时间tp、tn之和不变，通过调节两者的大小关系补偿其他小矢量或中矢量。具体实现是在冗余小矢量前添加矢量调节系数k(0≤k≤1)，那么可以得到 tp=kt式中t为基本小矢量的作用时间。两冗余矢量造成的中点电压偏移可表示为： ∆V=1C式中ip和in为两冗余矢量对应的中点电流，由于逆变器实际运行过程中开关作用时间很短，因此可将ip ∆V=1C又因为： iNP=将式(4-3)和式(4-4)联立求得： ∆V=1C具体补偿方法以参考电压矢量落在扇区Ⅰ的5区域为例进行说明。此时的开关序列为POO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO，POO和ONN为一对冗余小矢量，一个采样周期内对应的中点电流iNP=±iA ∆V=2k−1T可以解得矢量调节因子的数学表达式： k=T1于是当参考电压矢量落在扇区Ⅰ的5区域时七段式发波序列可改写为：表4-3加入矢量调节因子后的SVPWM七段式发波序列POOPONPNNONNPNNPONPOO1111111由于k的取值范围在0到1之间，当（4-6）解得的k值在区间[0,1]时，可以通过调节冗余矢量的作用时间控制中点电压平衡。但当（4-6）解得的k值不在区间[0,1]时，无法通过调节冗余小矢量的作用时间实现∆V=0，无法实现中点电压平衡。在调制度较高或功率因数角较高的情况下，k值将会落在区间[0,1]之外，因此空间矢量调制技术无法实现全范围中点电压平衡。1.3VSVPWM方法控制中点电压平衡为解决SVPWM无法在全范围内实现中点电压平衡的缺点，本文将讨论一种控制中点电压更加有效的方案——VSVPWM方法，即虚拟空间矢量调制算法。顾名思义，VSVPWM方法利用基本矢量重新构建虚拟矢量，通过合理分配中矢量和小矢量构建出的虚拟矢量在其作用时间内的中点电流iNP等于零。VSVPWM方法中，空间电压矢量图的大扇区划分与SVPWM方法相同，子扇区的划分有所不同。图4-5以图4-5扇区Ⅰ虚拟空间矢量电压图1.3.1虚拟空间矢量的构造（1）虚拟零矢量和虚拟大矢量根据1.1章节的分析，当开关状态为基本零矢量和基本大矢量时，逆变器直流侧中点不参与能量的传送，因此上下两电容不会充放电，中点电压保持平衡。由此定义虚拟零矢量和虚拟大矢量保持原来矢量的模长大小和方向不变，即有： VV0=（2）虚拟小矢量根据1.1章节的分析，基本小矢量的冗余度为1，并且这一对冗余小矢量对应的中点电流大小相等、方向相反。可以利用小矢量的此性质构建新的虚拟小矢量，在虚拟小矢量的作用时间内不会对中点电压造成影响。以扇区Ⅰ中的两个虚拟小矢量VVS1和VVS2为例，基本小矢量VS1对应的开关状态为POO、ONN，对应的中点电流分别为−iA和iA；基本小矢量V VVS1=式中，VPOO为开关状态为POO对应的电压矢量，VONN为开关状态为ONN对应的电压矢量，VPPO（3）虚拟中矢量由于逆变器一个开关周期的时间很短，因此可以近似认为负载电流iA、iB和iC在一个采样周内保持恒定。根据基尔霍夫电流定律iA+iB+iC VVM1=式中VPON为开关状态为PON对应的电压矢量。从图4-5可以发现，新构建的虚拟中矢量与原基本中矢量相比，方向不变，模长变为原来的2/3，为23经过以上虚拟空间矢量的构建，在利用虚拟电压矢量合成参考电压矢量时各虚拟空间电压矢量都不会造成中点电压偏移。1.3.2虚拟空间矢量的选择上文分析了参考电压矢量位于扇区Ⅰ时的虚拟空间矢量的构造，对于其余五个扇区，虚拟零矢量和虚拟大矢量依然保持原来基本矢量的模长大小和方向不变，虚拟小矢量由对应的两冗余小矢量线性组合而成，而虚拟中矢量的合成则需要选择对应的基本矢量，具体规则详见表4-4。表4-4虚拟中矢量的合成规则小矢量1小矢量2中矢量虚拟中矢量PPOONNPONVPPONONOPNVOPPNONNPOVOPPNNONOPVPOPNNOONPVPOPONNPNOV根据图4-5，虚拟空间矢量调制算法的空间电压矢量图划分与空间矢量调制算法相比发生了改变，空间电压矢量图中的三条直线将大扇形Ⅰ划分成了5个小区，这三条直线的数学表达式为： Vα+根据线性规划原理以及式（4-10）三条直线的数学表达式，可以得出子扇区的划分标准，如表4-5所示。表4-5子扇区的划分标准子扇区编号线性条件1V2Vα+333Vα≥4Vα≤5Vα≥参考电压矢量的合成仍然遵循NTV最近三矢量合成法则，以参考电压矢量落在大扇形Ⅰ为例说明参与合成的虚拟电压矢量，如表4-6所示。表4-6各子扇区虚拟电压矢量构成表子扇区用于合成的矢量1VV0、VVS12VVS1、VVS23VV0、VVS14VVS2、VVM15VVM1、VVL11.3.3虚拟空间矢量作用时间各虚拟空间矢量作用时间的计算与空间矢量调制算法相同，依然遵循伏秒平衡原理，以图4-5中的蓝色参考电压矢量为例进行详细计算。从图中可以发现，参考电压矢量Vref TSV式中TVS1为虚拟小矢量VVS1的作用时间，TVM1为虚拟中矢量VVM1的作用时间， VVS1=将式（4-11）和式（4-12）联立可求得： TVS1=2表4-7大扇形Ⅰ九段式发波顺序与作用时间表ⅠⅡⅢⅣⅤ矢量时间矢量时间矢量时间矢量时间矢量时间PPO1PPO1PPO1PPO1PPO1POO1POO1POO1PNN1PPN1OOO1PON1PON1PON1PON1OON1OON1PNN1OON1PNN1ONN1ONN1ONN1ONN1ONN1OON1OON1PNN1OON1PNN1OOO1PON1PON1PON1PON1POO1POO1POO1PNN1PPN1PPO1PPO1PPO1PPO1PPO1将求得的的虚拟电压矢量作用时间分配到具体的基本矢量，虚拟小矢量作用时间的分解方法如下： TPOO=同理可求得虚拟中矢量作用时间的分解： TPPO=虚拟空间电压矢量调制技术与SVPWM方法的不同还体现在