三电平逆变器中点电压控制新方法

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（ ｈ ｎ ｈ ｉ ｈ ｐ ａ ｄ Ｓ ｉｐ ｎ ｓ ａ ｃ ｎ ｔｔ ｔ ，Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０ ３ ，Ｃｈｎ ） Ｓ ａ ｇ ａ ｉ ｎ ｈ ｐ ｉｇ Ｒｅ ｅ ｒｈ Ｉ ｓｉｕ ｅ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ １ ５ Ｓ ｉａ
输 出电 压
式 中 ， ｘ ， ，Ｃ －Ｕ， ） Ｓ 一０ ｌ２ ｒ Ｖ， 分别 表示 开关 接通 负 电位 、 电位 和正 电 零 位 。可以看 出 ， 由于每相 电压都 有 ３种状 态 ， 即＋ １ ２ ｃ０和 一 １ ２ ， ／ｖ￣， ／ 这样 三相 系统 中就有 ３ 一２ 个 电压 矢量 。图 ２为 三 电平 空 间 电矢 量 分 。 ７ 布 图。其 中 Ｐ， 分 别 表 示 每相 开 关 接 通正 电位 、 电位 和 负 电位 。 ０， 零
Ｋｅ ｒ ｓ ｙｗｏ ｄ ：ＮＰ ｒ ｂ ｅ ；ｔ ｒ ｅ ｌｖ ｌ ｎ ｅ ｔ ｒ ＶＰ Ｍ Ｃ ｐ ｏ ｌｍ ｈ ｅ －ｅ ｅ ｖ ｒ ｅ ；Ｓ ｉ Ｗ
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近年来 ， 应用 于高压 大功 率领域 的多 电平逆 变器 引起 了 电力 电子行 业 的极 大关 注 。由于受 电力 电子 器 件 电压容量 的 限制 ， 传统 的两 电平变 频器通 常采用 “ 高一低一 高 ” 方式 经 变压 器 降压 和升 压来 获 得 高压 大功
流侧 电压 的正 电平 、 电平 和零 电平上 。 负
周 昌鸿 ， ： 等 三电平逆变器中点 电压控制新方法
１７ ４
大 电压 开关矢量 ： 幅值 为 ２ 另外 两侧则对 应负 电平及 正 电平 。
１ ２ 对 中点 电压 的影 响 ．
， 包括 小矢量 Ｌ …Ｌ 。大 电压开 关矢 量 均有 一 相接 正 电平 或 负 电平 ，
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图１ 二极管钳位式三 电平逆变器 主电路结构
图 ２ 三 电 平逆 变器 空 间电 矢 量
三 电 平 逆 变 器 中点 电压 控 制 新 方 法
周 昌鸿 ， 曹建 明， 杜 军
（ 海船舶运 输科 学研 究所 ，上海 ２ ０ ３ ） 上 ０ １ ５
摘
要： 以三 电平 电压源型逆变器为研究对象 ， 分析 了三 电平 电压源型逆变器 中点电压不平衡产生 的原 因及 影响 。
复 杂 。文 献［ ，］ ２３ 采用 了控 制合成 矢量 电压持续 时间 的方法 ， 计算 也显 得 复杂 ， 易引起 矢 量 合成 作 用时 但 容
问过小导致 开关切 换过 于频繁 和尖 峰 电流 、 电压 浪涌 的问题 。
针 对 目前 在使用 三 电平 逆变器 驱动 电机多采 用 Ｓ ＷＭ 算 法 ， 文 以 Ｓ ｗＭ 算法 为 基础 ， 出 了一 ＶＰ 本 ＶＰ 提 种根据 中点 电容 电位 差 ， 过变换输 出作用 序列 ， 得合成 矢量 中正 负小矢量 作用 时间不平 衡来控 制三 电平 通 使
三 电平 逆变器 在使用 中容 易造成 直流侧 电压不 平衡 。造 成直 流侧 电压 不 平衡 的原 因有 多种 ： 网侧整 流
器造成 电容器 电压固有的波动， 负载动态过程中有功 、 无功功率的变化导致的波动等 。网侧整流造成电容电
压 固有 的波 动大小有 限 ， 常不会 影 响系统 的正常运 行 ， 通 而负 载情 况造 成 的波 动对 电容 电压影 响 较 大 ， 采 需
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ａ ｓ ｓ ａ ｄ ｅ ｆ ｃｓ ｏ ｈ ｅ ｔ ａ－ ｏｎ ｏ ｅ ｔａ ｎ ａ ａ ｃ ｎ ｔ ｒ ｅｌ ｖ ｌ ｏ ｔ ｇ ｏ ｒ ｅ ｉ ｖ ｒ ｅ ｓ ａ ｅ ｓｕ ｉｄ ｅｃ ｕ ｅ ｎ ｆｅ ｔ ｆｔ ｅ ｎ ｕ ｒ ｌ ｉ ｔｐ ｔ ｎ ｉｌｕ ｂ ｌ ｎ ｅ ｉ ｈ ｅ －ｅ ｅ ｌａ ｅ ｓ ｕ ｃ ｎ ｅ ｔ ｒ ｒ ｔ ｄ ｅ ．Ａ ｐ ｖ ｎ ｗ ｔ ｏ ｆ ｅ ｔ ａ－ ｏ ｎ ｏ ｅ ｔａ ｔ ｂ ｌ ａ ｉｎ ｆ ｒ ｏ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｕ ｒ ｌ ｉ ｔｐ ｔ ｎ ｉ ｌ ａ ｉ ｚ ｔｏ ｏ ｍｍｏ ｌ ｓ ｄ ｓ ａ ｅｖ ｃ ｏ Ｗ Ｍ ｃ ｅ ｒ ｐ ｓ ｄ ｎ ｐ ｓ ｉ ｃ ｎ ｙ ｕ ｅ ｐ ｃ ｅ ｔ ｒＰ ｓ ｈ ｍｅｉ ｐ ｏ ｏ ｅ ．Ｔｈ ｏ ｔｏ ｌ ｏ ｓ ｅｃ ｎ ｒ ｌ ｇ — ａ ｒｔ ｍ ｉ ｌ ａ ｄ ａ ｏ ｄ ｈ ｉ ａ ｉｎ ｗｈ ｒ ｅａ ｔｎ ｉ ｆ ｏ ｔ ｇ ｕ ｓ ｓｉ ｈ ｒ ｅ ｈ ｎ ｄ ａ ｏ ｅｃ ｕ ｅ ｙ ｔ ｅｓ ｏ ｔ ｕ ｉｈ ｉ ｓｍｐ ｅ ｎ ｖ ｉ ｓｔ ｅｓｔ ｔ ｅ ｅｔ ｃ ｉ ｇ ｔ ｓ ｕ ｏ ｈ ｍｅ ｏ ｌａ ｅｐ ｌｅ ｓｓ ｏ ｔ ｒｔ ａ ｅ ｄ ｚ ｎ ａ ｓ ｄ ｂ ｈ ｈ ｒ — ｖ ｄ
态 ， 出端输 出电压见表 １ 输 。 在三 相交流逆 变输 出 中， 相应 的逆变 器输 出电压空 间矢量 可表示 为 表１ 三电平 开关切换动作 及其输出 压 电
Ｖ（ ｕ， ｖ， ｗ）一 ２ Ｖ Ｓ ｓ Ｓ
￣
（ ｕ＋ ｖ＋ ａ Ｓ Ｓ ２ ）
】
开关 状 态
２ Ｓ３ ４
第３ ３卷 第 ２ 期 ２１ 年 １ ００ ２月
上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学报
ｊ ｏＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ Ｓ Ｓ ＲＩ
Ｖｏ ＿ ３ ＮＯ ２ ｌ３ ．
【ｅ． ２ ０ ）Ｃ ０１
文章编 号 ： ６ ４５ ４ （０ ０ ０ —１ ５０ １ ７— ９ ９ ２ １ ） ２０ ４ —７
控制在桥壁电压 － ５ 以内）证实 了提 出中点电压控制算法 的正确性 。 ＋ ， 关键词 ：中点电压平衡问题 ； 三电平逆 变器 ； 空间矢量合成脉宽调制
中图 分 类 号 ： Ｍ４ ４ Ｔ ６ 文献标志码 ： Ａ
Ａ ｗ ｐ ｏ ｃ ｏ ｕ ｒ ｌＰｏ ｎ ｔ ｎｔａ Ｎｅ Ａｐ ｒ ａ ｈ ｆ ｒ Ｎｅ ｔ ａ — ｉ ｔＰｏ ｅ ｉ ｌ
收稿 日期 ：０ ００ —５ ２ １—６２
作者简 介： 周昌鸿 （９ ６）男 ， １ ８一 ， 江西省 东安县人 ， 硕士 ， 主要从事电力推进研究 工作 。
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上海船舶 运输科学研究所学报
２ １ 年第 ３ 卷第 ２期 ００ ３
三 电平逆变 器 中点 电位 的平衡是保 证 电机安全 高效运行 的一 个重要 标志 ， 中点 电位不 平衡 ， 若 会使其输
取适 当 的方法 加 以抑制 或消除 。通常控 制 中点 电压 的波 动在直 流母线 电压 的±５ 以 内 ， 则桥臂 上 的某 些 否
开关 器件承受 的反 压将 比原先 的高 １ ％ ， 上 由于器 件 动作 引起 的尖 峰 电压 ， ０ 加 使得 器 件 的耐 压裕 度 大大 降
中点 电压 的方 法 ， 化 了控制 运算 ， 简 并对其 进行 了仿 真验证 。
１ 三 电平 电压 型逆 变器分 析
１ １ 三电 平电压型逆 变器主 电路 ．
图 １是三 电平逆变器 拓扑结 构 ， 中 【 ， ， 为逆 变 器 三相 输 出 ， ０， 为 直流 电容 侧 桥臂 。每 一桥 其 ， Ｗ Ｐ， Ｎ 臂 由 ４ Ｉ Ｂ 、 和 ２个嵌位 二极 管组成 。在保证 １ ３和 ２ ４位 置 Ｉ Ｔ管 互 补 的情 况下 ， 应各 开关状 个 Ｇ ］管 ， ， ＧＢ 对
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０ＦＦ ０Ｎ ０Ｎ ０Ｆ Ｆ Ｏ
０Ｆ （Ｆ ０Ｎ Ｆ ）Ｆ ０ Ｎ
～ １２ ／
可 以看 出该 开关 电压 矢量将 复平 面分成 了 ６个扇 区 ， 每个 扇 区又分为 ６个小 区域 。
尸
按 空 间电压 的幅值 可将上 述空 间 电矢 量分为 ４类 ， １ 个有 效 电压矢量 。 共 ９ 零 电压开关 矢量 ： 幅值为 ０包 括 ０ ， ｏＯ ， ， 尸Ｏ ， Ｎ 分别 表示 变频 器交 流侧 三 相 输 出 同时接 正 电平 、 电平 或 零
负 电平 。
小 电压开关 矢量 ： 幅值为 ／６ 包括 正小矢 量 Ｓ Ｐ 、 √， Ｐ …Ｓ ｓ负小矢 量 Ｓ … Ｓ 。 Ｎ Ｎｅ 中 电压 开关矢 量 ： 幅值 为√ ／ ， 括 中矢 量 Ｍ１ ２ ２包 …舰 。其 共 同特 点是 变频 器 的 ３个 桥 臂 分别 接 在直
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率， 或采用 多个小容 量逆 变单元 经多 绕组变 压器 多重化 来 实现 ， 使得 系统 效率 和 可靠 性 下 降 。因而 ， 们 这 人 希 望实现直 接 的高 压逆变 技术 。基 于 电力 电子器件 直接 串联 的高压 变频 器 对动 静态 的均压 电路 要 求较 高 ，
并且输出电压高次谐波含量高 ， 需设置输出滤波器。而多 电平逆变电路的提出为解决上述 问题取得 了突破
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出 电流谐 波含量 加大 ， 三相输 出不对称 ， 严重 时导致 开关 器件 的损 坏 。 目前 ， 对三 电平 逆 变 器 中点 电压 的 针
控 制方法 有 ２ 方 向 ： 个 ～是利用 改进 硬件 电路 实现 中点 电压 平衡 的方法 ； 二是通 过改变 开关 时序或控 制矢 量
电压持续时间的方法实现电压平衡Ｆ 。文献［］ 引 ４采用了改进硬件电路的方法 ， 但改进的电路及控制算法较为
针对三电平逆变器 中常用 的空间 电矢量脉宽调 制 （ ｐｃ ｃ ｒＰ Ｓ ａｅＶｅｔ ＷＭ ， Ｖ ＷＭ） 法 ， 出了一种调节 中点 电压 ｏ ＳＰ 算 提 的新方法 。该 方法控制算法简单 ， 避免 了因合成矢量作用时间过短导致 的电压脉冲和作用 时间小于死区时间 的情
况， 能控制 中点 电压波动在合理范 围， 并 同时 ， 对所提出的算 法进行 了仿真验证 ， 得了 良好的效果 （ 取 中点电压波动
性 的进 展［ 。 １ ］
多电平逆变器克服了传统逆变器较高的电压、 电流变化率所引起 的开关应力 ， 改善了其输出波形 ， 在高
压大功率 变频调 速及 静态无 功补偿 方 面有着 越来越 多 的应 用 。１ Ｖ 以下 的 中压 大功率 多 电平 逆 变器大 多 ０ｋ 已使用 二极管嵌 位式 三 电平 结构来 实 现Ｅ 。