三电平逆变器的分析与控制

三电平逆变器的分析与控制

薄保中　苏彦民

西安交通大学

摘要:三电平逆变器在中压大功率场合应用很广泛。由于中点电位波动等问题使三电平逆变器的控制较复杂。文章分析了空间矢量对中点电位波动的影响,仿真结果说明采用空间电压矢量控制方法时,通过选择多余的小矢量来控制中点电位波动是一个有效的方法。

关键词:三电平逆变器　中点电位波动　控制方法

Analysis and Control of Three-level Inverters

Bo Baozhong　Su Yanmin

Abstract:T hree-level inver ters have found w ide applications in mediu m-voltage h igh-pow er applications. Du e to neutral-point poten tial flu ctuation th e in verters are difficult to control.In the paper th e in fluence of s pace vectors on the neutral-point potential fluctuation is investigated.It is verified b y simulation r esu lts that selecting redu ndant sm all s pace vectors is an effective way of control n eutral-point potential fluctuation w hen usin g s pace vector PWM techniqu e.

Keywords:th ree-level inverters　neutral-point p otential flu ctuation　control tech nique

1　前言

三电平逆变器1981年由A.Nabae等人率先提出[1],在牵引等领域采用GT O元件的中压变频器得到了广泛的应用。近年来出现了基于晶闸管机理的GCT(门极换流晶闸管Gate Commu-tated Thyrister)器件,例如IGCT(集成门极换流晶闸管)和对称SGCT(对称GCT),前者适用于多电平逆变器,后者适用于电流源逆变器,二者的性能均比相应的GT O元件性能大幅提高。目前国内中压大功率调速装置市场发展很快,大部分厂家采用IGBT器件的逆变单元串联多电平结构。而在中压大功率调速领域,三电平逆变器采用IGCT器件,电路结构简单,装置体积小,因此一般认为GT O以及IGCT器件的三电平逆变器更有发展前途。

中压电机变频驱动与低压电机相比,电机控制策略很相似,区别主要是由于PWM方法和多电平带来的逆变器的控制问题。三电平逆变器现有产品采用直接转矩控制和转子磁场定向矢量控制,不管采用哪种电动机控制方法,逆变器的可靠控制是其核心问题,本文分析了三电平逆变器的空间矢量对中点电位的影响,通过仿真结果对提出的控制方法进行了验证。

2　三电平逆变器主电路

三电平逆变器主电路如图1所示,三电平逆变器每一相桥臂4个开关元件有3种正常的开关模式,以X相为例,S x1和S x2导通时,X相输出正电平,S x3和S x4导通时,X相输出负电平,S x2和S x3导通时,X相输出零电平,故称之为三电平

逆变

图1　三电平逆变器主电路

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器。三电平变频器X 相4个功率元件的驱动信号S x 1,S x 2,S x3和S x4应满足下列条件:

S x1=S x3

S x2=S x4

3　空间电压矢量对中点电位的影响

在三电平逆变器的控制中,控制方案对电容电压波动也有影响,电容电压波动与开关模式的选择,负载电流方向,脉冲持续时间等都有关系。在传统的最近三矢量NTV 方案中,空间电压矢量不同,负载电流方向不同,对于电容电压波动的影响也不同。

三电平逆变器空间电压矢量图如图2所示,分析中点电位与负载关系时,根据矢量模的大小将三电平逆变器空间电压矢量分为:大电压矢量(Large V oltag e Vector 简称LVV ),中电压矢量(M iddle Voltag e Vector 简称MVV )和小电压矢量(Sm all Vo ltag e Vector 简称SVV )。大电压矢量不影响电容电压波动,中电压矢量虽影响中点电位波动但没有选择余地,大、中电压矢量的影响没有必要分析,只有小矢量有可选择余地,有可能能够利用小矢量来控制中点电位波动,下面分析小矢量对电容电压波动的影响。

各个电压矢量对中点电位的影响与电流方向有关,因此需要检测三相电流的方向。电机绕组中电流的正方向规定为:电流由逆变器流向电动机为正,反之为负。定义2个电容器上的电压分别为V C1,V C2,电容器电压滞环比较器滞环宽度为h VC 。

图2　三电平逆变器空间电压矢量图

V C1>V C2,V C1-V C2>h VC 时,滞环比较器输出H VC =1。

V C1

每个小矢量S VV 有2个开关状态,小矢量SV V 可以分为4个组:N SV V 奇数组V 1n ,V 3n ,

V 5n ;N S VV 偶数组V 2n ,V 4n ,V 6n ;P SV V 奇数组V 1p ,V 3p ,V 5p ;P SVV 偶数组V 2p ,V 4p ,V 6p 。下面以奇数组正小矢量P SV V 和奇数组负小矢量N SV V 为例,来分析。

1)奇数组负小矢量N SV V 的作用分析如下,示意图如图3所示。

V 1n (0,-1,-1)作用时:若i U >0,则会使V C2

↓,因而适用于H VC =0;若i U <0,则会使V C2↑,因而适用于H VC =1。

V 3n (-1,-1,0)作用时:若i W >0,则会使V C2↓,因而适用于H VC =0时;若i W <0,则会使V C2↑,因而适用于H VC =1时。

V 5n (-1,0,-1)作用时:若i V >0,则会使V C2

↓,因而适用于H VC =0时;若i v <0,则会使V C2↑,因而适用于H VC =1

时。

图3　奇数组负小矢量N S V V 的作用示意图

2)奇数组正小矢量PS VV 的作用分析如下,示意图如图4所示。

V 1p (1,0,0)作用时:若i U >0,则会使V C1↓V C2↑,因而适用于H VC =1时;若i U <0,则会使V C1↑V C2↓,因而适用于H VC =0时。

V 3p (0,0,1)作用时:若i W >0,则会使V C1↓V C2↑,因而适用于H V C =1时;若i W <0,则会使V C1↑V C2↓,因而适用于H V C =0时。

V 5p (0,1,0)作用时:若i V >0,则会使V C1↓V C2↑,因而适用于H VC =1时;若i V <0,则会使V C1↑V C2↓,因而适用于H V C =0

时。

图4　奇数组正小矢量P S VV 的作用示意图

同理可以分析其它S VV 的影响。

4　三电平逆变器的控制

不同的PWM 控制方法,有不同的中点电位

波动控制方法。目前常见的以三电平SVPWM 中

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