三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問(wèn)題的研究

二極管中點(diǎn)箝位型逆變器[1]是最近研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這種拓撲結構，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓為直流側電壓的1/2，另外，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統的二電平逆變器多了一個(gè)電平，因此輸出波形質(zhì)量高。因而這種結構變換器在高性能、中高電壓的變頻調速，有源電力濾波裝置和電力系統無(wú)功補償等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。但是，這種變換器采用兩個(gè)電容串聯(lián)來(lái)產(chǎn)生三個(gè)電平，由于開(kāi)關(guān)器件本身特性的不一致和變換器能量轉換時(shí)中點(diǎn)電位參與能量的傳輸，因此，會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)電容電壓分壓不均的問(wèn)題，即中點(diǎn)平衡問(wèn)題。如果中點(diǎn)電位不平衡，在交流輸出側會(huì )產(chǎn)生低次諧波，使逆變器的輸出效率變低，同時(shí)諧波還會(huì )對電機產(chǎn)生脈動(dòng)轉矩，影響電機的調速性能；另外，逆變器某些開(kāi)關(guān)管承受的電壓增高，降低了系統的可靠性；最后，中點(diǎn)電位波動(dòng)降低了直流側電容的壽命。

國內外學(xué)者對三電平逆變器中點(diǎn)問(wèn)題作了不少的研究，提出了不少的方法。載波spwm方法中平衡中點(diǎn)電位一般都是在調制波中注入適當零序分量。文獻[2]中注入三次零序分量來(lái)平衡中點(diǎn)電位，文獻[3]中提出了一種注入零序電壓的分析算法?？臻g矢量方法中平衡中點(diǎn)電位的方法[4]歸納起來(lái)主要有以下幾種：　　

1）開(kāi)環(huán)被動(dòng)控制在每一個(gè)新開(kāi)關(guān)周期，小矢量的p，n狀態(tài)進(jìn)行轉換，這種方法只有在平衡負載的情況下能夠較好控制中點(diǎn)電位，其動(dòng)態(tài)調整特性不好；

2）滯環(huán)型控制是目前應用最多的一種閉環(huán)控制方法，在檢測每相電流方向基礎之上，通過(guò)選擇小矢量p，n狀態(tài)使中點(diǎn)電位朝不平衡方向的相反方向來(lái)選擇，這種方法的缺點(diǎn)就是電流中有1/2開(kāi)關(guān)頻率的紋波；　　

3）有源控制這種方法通過(guò)控制電流的調制因子，需要檢測中點(diǎn)電位不平衡的大小和相電流的幅度，好處就是沒(méi)有1/2開(kāi)關(guān)頻率的紋波，但是，由于增加了其他的開(kāi)關(guān)狀態(tài)從而增加了開(kāi)關(guān)損耗，這種方法一般沒(méi)有滯環(huán)控制那么可靠。

本文首先對三電平逆變器建模，分析造成三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的本質(zhì)原因。詳細地分析了整流和逆變兩種狀態(tài)下各類(lèi)電壓矢量對中點(diǎn)電位的影響。討論了一種基于檢測中點(diǎn)電流方向和直流側電容電壓大小，來(lái)調整小矢量p，n狀態(tài)作用時(shí)間進(jìn)而平衡中點(diǎn)電位滯環(huán)控制方法。最后實(shí)驗研究了該方法的效果，實(shí)驗結果驗證了滯環(huán)控制方法的有效性和可靠性。

1三電平變換器的數學(xué)模型為建立三電平變換器的數學(xué)模型，作如下理想假設：　　
1）直流側的輸入電源ed是理想的恒定的直流電壓源；　　
2）所有開(kāi)關(guān)器件都是理想的開(kāi)關(guān)，即所有開(kāi)關(guān)器件沒(méi)有慣性和損耗；　　
3）直流側電容也是理想元件，即無(wú)內阻、無(wú)電感且cdc1=cdc2；　　
4）變換器的開(kāi)關(guān)頻率遠大于基波頻率；　　
5）變換器的負載是三相對稱(chēng)感性負載?！　∫腴_(kāi)關(guān)函數sij，其中i表示第i相(i=a，b，c)，j表示i相的開(kāi)關(guān)接到哪個(gè)點(diǎn)（j=p，n，o），對中點(diǎn)箝位型的變換器建立等效模型如圖1所示。

對于直流側的節點(diǎn)0列電流關(guān)系方程得

由式（6）不難看出，只要中點(diǎn)有電流，即只要三相中的三個(gè)開(kāi)關(guān)有連接到中點(diǎn)0的時(shí)候就可能會(huì )影響中點(diǎn)的電位。而且從式（6）中也不難看出，中點(diǎn)電流的方向決定了中點(diǎn)電位漂移方向。

2電壓空間矢量對直流電壓平衡的影響

三相三電平逆變器有27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中有效的電壓矢量為19種。圖2是開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電壓空間矢量對應關(guān)系。按照電壓矢量幅值從小到大的原則，可以把這些向量分為4組,即零電壓矢量、小電壓矢量、中電壓矢量和大電壓矢量。其中零矢量v0有3種開(kāi)關(guān)狀態(tài)（－1－1－1）、（000）和（111）。小矢量v1，v4，v7，v10，v13，v16都有兩種不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據開(kāi)關(guān)是接到p還是n把這種小矢量分為兩種不同的狀態(tài)：開(kāi)關(guān)連接p和地的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為p狀態(tài)，如v1p的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為（100）；開(kāi)關(guān)連接地和n的狀態(tài)為n狀態(tài)，如v1n的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為(0－1－1)。由此可知，只要中點(diǎn)電流i0不為0，直流側的電容就會(huì )充放電，從而影響中點(diǎn)電位。在4類(lèi)矢量中的零矢量，由于三相電位相等，所以中點(diǎn)不會(huì )有電流通過(guò)，因此不會(huì )影響中點(diǎn)電位。大矢量，由于中點(diǎn)根本就沒(méi)有參與能量的傳輸，因此也不會(huì )產(chǎn)生影響。中矢量和小矢量，中點(diǎn)會(huì )參與能量的傳輸，也即中點(diǎn)電流io不為零，所以都會(huì )影響中點(diǎn)電位。圖3是中點(diǎn)電流灌入和抽出兩種工作狀態(tài)下，中矢量對中點(diǎn)電位的影響；圖4是中點(diǎn)電流灌入和抽出兩種狀態(tài)下小矢量p狀態(tài)對中點(diǎn)電位的影響；圖5是中點(diǎn)灌入和抽出兩種不同狀態(tài)下n狀態(tài)對中點(diǎn)電位的影響；圖6是同一小矢量p狀態(tài)情況下，在某相電流方向確定情況下對中點(diǎn)電位的影響。(圖中→及←表示中點(diǎn)電流的方向?！啊硎局悬c(diǎn)電位的上升和下降)。從圖3、圖4、圖5可以看出無(wú)論是小矢量還是中矢量，中點(diǎn)電流灌入的時(shí)候，中點(diǎn)電位上升，中點(diǎn)電流抽出的時(shí)候，中點(diǎn)電位下降。從圖6可以看出當某相電流方向確定的時(shí)候，小矢量p，n狀態(tài)對中點(diǎn)電位的影響是相反的，這也是為什么可以通過(guò)選擇小矢量p，n狀態(tài)作用時(shí)間調節中點(diǎn)電位平衡的原因。

3滯環(huán)控制空間矢量控制方法[5]　　從前面的分析可知，根據中點(diǎn)電流的方向合理選擇小矢量p，n狀態(tài)可以平衡中點(diǎn)電位。假設中點(diǎn)電流抽出的時(shí)候為正，則當vdc1－vdc2>h，io<0或vdc1－vdc20時(shí)，合成參考電壓矢量的小矢量選p狀態(tài)；當vdc1－vdc2>h，io>0或vdc1－vdc2

4實(shí)驗結果　　

為了研究滯環(huán)控制方法的特點(diǎn)，建立了主電路如圖1的變換器，負載為2.2kw異步電動(dòng)機，開(kāi)關(guān)管采用irf840,反并二極管和箝位二極管采用mur860。圖7為通常svpwm方法直流側兩電容電壓的波形；圖8為滯環(huán)控制svpwm方法的中點(diǎn)電位波形；圖9為滯環(huán)控制svpwm方法輸出線(xiàn)電壓波形。

5結語(yǔ)　　

中點(diǎn)箝位型的三電平變換器，雖然存在中點(diǎn)電位的不平衡問(wèn)題，但是，通過(guò)適當的方法，中點(diǎn)電位的不平衡問(wèn)題可以很好地得到抑制。因此，中點(diǎn)電位的不平衡問(wèn)題不會(huì )影響這種拓撲結構的應用。滯環(huán)控制的svpwm方法，控制簡(jiǎn)單，平衡中點(diǎn)電位的效果好，是目前廣泛采用的一種控制方法。