VIENNA整流器中点电位波动原理及平衡方法

)
!!正常情况下IVgI] gI' 由式N 可得
{I'
E5E7 E;
g&Al&__%
5E7 E
I'
E'5 E;
g&l_&_ g_&]
&
其中
'5 <5E7P =5E78
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式中!'5上下电容电压差
各桥臂的正向和负向电流为
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式中'!#D&#Q &#7""".VZ1 调制三相调制波( #) &#N &#% """矢量 ) &N &% 标幺化后的 模长%
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AB=:749: 2CD9:8E <>A;B@@3=@K@=B@7A:>:@B$A;@G:E3P<:8AP<A@8A:D=<>a:@88DB@7A:>:@BD=C<;DCA;@PB<Q=@G<> AB:P=@>B@SI@87L>=I7AIDA:<842:G:8HDAA;@PB<Q=@G<>G:E3P<:8AP<A@8A:D=>=I7AIDA:<8$A;@7IBB@8AC<=IA:<8CDB@GD:8=L A<:86@7AU@B<C@SI@87@A<CIPPB@CCA;@G:E3P<:8AP<A@8A:D=>=I7AIDA:<84T:BCA=L$A;:CPDP@BD8D=LU@CA;@PB:87:P=@<> G:E3P<:8AP<A@8A:D=>=I7AIDA:<8 D8E <QAD:8CA;@>D7A<BC:8>=I@87:8HA;@G:E3P<:8AP<A@8A:D=>=I7AIDA:<8 D8E :AC >=I7AIDA:<8 =DO4.@7<8E=L$D77<BE:8HA<A;@CPD7@K@7A<BG<EI=DA:<8 G@A;<E$A;@G:E3P<:8AP<A@8A:D=7<8AB<=PB:87:P=@ :CD8D=LU@E$D8E A;@CPD7@K@7A<BG<EI=DA:<8 CABDA@HL:CPB<P<C@E4T:8D==L$D8 @^P@B:G@8AD=P=DA><BG:CQI:=AA<K@B:>L A;@@>>@7A:K@8@CC<>A;@PB<P<C@E G@A;<E4
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!!由式!%# f式!## 可推得
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E'5 E;
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!!aF?]]2工 作 在 单 位 功 率 因 数 下$ 设 其 输 入
电流表达式为
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M,P$$A-.9:020.7)08?%0;:'%:.;:043K3D9:D4:0%;'70;90?3.4;8>434;9.).:<%8
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式中'!"G"""输入电流幅值% 结合式!%# &式!"'# 和式!""# 可得'
I' EE';5 , _K% "GC:8!N"' ;#
!"%#
'5 , /"K' I' "G7<C!N"' ;#
!"N#
!!式!"N# 表明$aF?]]2整流器中点电位波动
角频率是电网电压角频率的 N 倍%
%!中点电位平衡策略
图 "!aF?]]2整流器电路
!!aF?]]2整流器空间矢量图如图 % 所示
图 %!aF?]]2整流器空间矢量图
!!根据 矢 量 长 度 分 为 零 矢 量 小 矢 量 中 矢 量和大矢量其中引起电流流入中点的小矢量 称为正小矢量引起电流流出中点的小矢量称 为负小矢量 aF?]]2整 流 器 矢 量 类 型 如 表 " 所示
行$且会对输入电流谐波造成一定影响)%* % 向调 制波中注入特定零序电压分量可以在一定程度上 抑制中点电位)N3)* $但电网电压波动时该 方 法 对 中点电位的抑制效果不理想%
本文根据 aF?]]2整流器结构 详 细 推 导 了 aF?]]2整流器 中 点 电 位 波 动 规 律$ 给 出 中 点 电 位波动的具体数学表达式$得出中点电位波动受 流入中点电流影响的结论(为控制中点电位波动$ 提出了 .aVZ1平衡策略$上下平衡电容电压差
关键词 M,P$$A整流器 中点电位 空间矢量调制 数学模型 中图分类号 01)/"!文献标志码 2!文章编号 %'#&3$"$$!%'%"#"%3'')(3'& *+, "'4"//%$ 564789:4%'#&3$"$$4%'%"4"%4''$
张 德 洋 ! "##("# $ 男$硕士研究生$研 究方向为电力电子 与电力传动%
由于中点电位受不同小矢量影响$因此根据 电容电压反馈结果$分配一个开关周期内正负小 矢量作用时间控制中点电位% 中点电位的控制如 图 ) 所示% 若中点电位下降$正小矢量的作用时 间增加$反之增加负小矢量的作用时间%
扇区 F的矢量合成如图 & 所示% 在图 & 第 F 扇区 子 扇 区" 内 $ 当 中 点 电 位 上 升 时 $ 直 流 侧 电
标矢量 为例$由伏秒平衡得'
:) ) l:N N l:% % g:C
!")#
!!对式!")# 中的电压矢量和时间标幺化$并转
换到 DQ7三相坐标系下$即
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系统设计与探讨
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M,P$$A整流器中点电位波动 原理及平衡方法!
张德洋#!常文婧"!黄海宏# #4合肥工业大学 电气与自动化工程学院 安徽 合肥!"%$$$( "4国网安徽省电力有限公司检修分公司 安徽 合肥!"%$$$$
摘!要 针对 aF?]]2整流器中点电位存在的 N 倍频波动问题$目前解决办法主 要为注入零序电压分量对中点电位波动进行抑制% 首先对中点电位波动原理进行分 析$得出影响中点电位波动的因素及其波动规律(其次$针对空间矢量调制方法对中点 电位控制原理分析$提出了空间矢量调制策略% 最后搭建实验平台验证$结果表明所 提出的方法对中点电位控制效果明显%
图 &!扇区 F的矢量合成
!&!FNM'T) 与 N'T) 等效调制研究
采用 .aVZ1 办法调节中点电位效果明显$
同时可以提高直流电压利用率及降低开关损 耗)$* $但计算较为复杂$为避免扇区和矢量作用
时间计算$可以通过向调制波中注入零序电压$获 得 .aVZ1调制效果)#* % 以图 & 中 F扇区内的目
)$
表 #FM,P$$A整流器矢量类型
矢量类型 大矢量 中矢量
负小矢量 正小矢量
零矢量
电平组合 V]]VV]]V]]VV]]VV]V V`]`V]]V`]`V`V]V]` V``VV``V``VV``VV`V `]]``]]`]]``]]``]`
```
#&!F中点电位波动原理
由 aF?]]2整流器结构知其桥臂电压为
5']
<5E7CH8 %
&'"
=F'
'<2R9;开关函数占空比 设开关管的基波函数为 TDTQT7对应桥臂
开关信号基波分量为
D2 <" =TD CH8 &2 <KC:8 "' ;
DR
<"
=TQ CH8 &R
<KC:8 "' ;=%N%
动$.aVZ1 调 制 方 法 抑 制 中 点 电 位 的 原 理 是 通 过矢量作用组合控制流过中性线的电流)&* %
一个开关 周 期 内 流 入 中 点 的 电 荷 量 不 为 零 时$中点电位将产生波动)/* % 由 aF?]]2整流器 的结构可知$当有开关管导通时$有电流流经中性 线)(* % 中性线电流引起中点电位波动原理图如 图 N 所示% 以图 N 的 V``和 `]]两种电平状态 为例$当中性点电流 &] i' 时$电容 IV 放电$电容 I] 充电$中点电位上升(中性点电流 &] k' 时$电 容 I] 放电$电容 IV充电$中点电位下降%
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!!由式!(# &式!$# 可得
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结合式!")# 和式!"&# 可得'
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!!前文提到$对正负小矢量的作用时间分配可
以控制中性线电流从而控制中点电位平衡$需满
足以下关系'
!" =M# #N A <M#N = 式中'!M"""平衡系数(
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值经过 VF控制器输出平衡因子 M控制冗余小矢 量作用时间以此控制中点电位波动并给出了 .aVZ1的简化算法
"!aF?]]2拓扑及中点电位波动机理
#&#FM,P$$A整流器结构及数学模型 aF?]]2整 流 器 电 路 如 图 " 所 示 图 " 中
929R9+ 为输入电压&2&R&+ 为输入电流&]为 流入中性点电流IV和 I]为直流侧电容开关为 一对共射极 F[R0直流侧电压为 5E7 以 2相为 例忽略二极管压降开关量 F2 g'电压 92 i' 时此时电流 &2经二极管 a\" 流向直流侧开关 管两端电压为 5E75%记为 V电平开关量 F2 g' 电压 92 k' 时此时电流 &2经 a\) 回流至网侧 开关管两侧电压为 _5E75%记为 ]电平开关量 F2 g" 时开关管两侧电压为零记为 `电平
图 N!中性线电流引起中点电位波动原理图
图 )!中点电位的控制
压差值经过 VF控制器输出平衡系数使负小矢量 V``的作用 时 间 变 长$ 使 中 性 点 电 位 下 降( 当 中 点电位下降时$VF控制器输出平衡系数增加正小 矢量 ``]作用时间$中点电位升高%
!&#FNM'T) 调制的中点电位平衡策略 流入电容 中 点 的 电 流 将 会 引 起 中 点 电 位 波
C.5 1%78= M,P$$A7.9:020.7 R08?%0;:?%:.;:043 =?49./.9:%7R%8D34:0%; R4:<.R4:0943R%8.3
'!引!言
aF?]]2整流 器 作 为 三 电 平 整 流 器$ 具 有 功 率密度高&输入电流 0W\较低&无开关死区等优 点)"* $相对于一般三电平整流器$其需要的开关 数量少$广泛应用于充电桩&航空电源等场合% 针 对 aF?]]2整流器$直流侧电容中点电位平衡一 直是研究热点之一$如若电压偏移不控制在一定 范围之内$将严重影响 aF?]]2整流器的安全运
常文婧!"#$$"# $女$硕士$研究方向为电力系统自动化% 黄海宏!"#(N"# $男$教授$研究方向为电力电子技术% !基金项目' 高等学校学科创新引智计划! RV'("#'N##
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%
式中!K调制比
"' 电压角频率 在整流器直流侧输出为
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E5E7P E;
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I]
E5E78 E;
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N
式中!&l&_直流母线正向和负向电流 具体表达式为
{&l g&2l l&Rl l&+l &3 g&23l&R3l&+3