一種新型不對(duì)稱三相三電平逆變器

黃珂，魏金成，黃容容，孔祥聰

（1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

一種新型不對(duì)稱三相三電平逆變器

黃珂1，魏金成1，黃容容1，孔祥聰2

（1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

提出了一種新型的不對(duì)稱橋臂的三相三電平逆變電路，對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在控制算法上，對(duì)傳統(tǒng)的三電平SVPWM算法進(jìn)行了改進(jìn)，將傳統(tǒng)的兩電平和現(xiàn)有的三電平算法聯(lián)系起來(lái)并線性轉(zhuǎn)化到三電平，避免大量的三角運(yùn)算。在此基礎(chǔ)上將該算法與新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，對(duì)中點(diǎn)電位的不平衡問(wèn)題進(jìn)行分析并給出了對(duì)策，利用Matlab/Simulink仿真工具對(duì)該拓?fù)浜退惴ǖ恼_性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型三電平逆變器能夠很好地完成逆變，且改進(jìn)算法也非常適用于此新型結(jié)構(gòu)，中點(diǎn)電位波動(dòng)小，總的諧波畸變率低，性能穩(wěn)定。

不對(duì)稱橋臂；三電平；逆變器；空間矢量調(diào)制

隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，給電網(wǎng)注入了大量諧波及無(wú)功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染，因此消除諧波污染并提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)的一個(gè)熱門研究方向。PWM逆變器具有功率因數(shù)高、電流畸變小、輸出電壓可調(diào)及能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的廣泛關(guān)注。而多電平技術(shù)由于可以降低開關(guān)管的耐壓值、減小器件電壓應(yīng)力、優(yōu)化輸出波形、提高系統(tǒng)功率等級(jí)等明顯優(yōu)勢(shì)，得到了飛速的發(fā)展，特別是在高壓功率設(shè)備應(yīng)用中，例如大型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大功率有源電力濾波和柔性交流輸電系統(tǒng)。目前，在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，按主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分[1-2]，主要分為二極管箝位型多電平逆變器、飛跨電容型多電平逆變器、級(jí)聯(lián)多電平逆變器，其中以二極管鉗位型多電平逆變器運(yùn)用最為廣泛。在此基礎(chǔ)上，有多種改進(jìn)的拓?fù)洌热缍嚯娖接性碞PC、多電平有源層疊中點(diǎn)鉗位式、多電平層疊式NPC及級(jí)聯(lián)H橋級(jí)聯(lián)型多電平變換電路。這些電路雖然各有優(yōu)點(diǎn)，但是主電路所需的器件多，控制及驅(qū)動(dòng)電路都較為復(fù)雜。

本文提出了一種新型的基于不對(duì)稱橋臂的三相三電平逆變電路。相較于以往的三電平電路，本文所提出的逆變器在主電路中無(wú)嵌位二極管或者飛跨電容，且沒(méi)有增加開關(guān)管的數(shù)量，不僅減小了體積而且節(jié)約了成本。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，能夠較好地平衡所有器件的損耗，給散熱器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。

本文分析了該新型電路的工作機(jī)理，對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)制算法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)算法能夠避免大量的三角函數(shù)運(yùn)算，節(jié)約了系統(tǒng)資源，簡(jiǎn)單實(shí)用，易于DSP數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，且在一定程度上緩解了開關(guān)頻率與開關(guān)損耗之間的矛盾問(wèn)題。此外，本文對(duì)三電平固有的直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡問(wèn)題也做出了分析并且給出了對(duì)策。最后以基于實(shí)驗(yàn)原型的Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該新型結(jié)構(gòu)的三電平逆變器的性能進(jìn)行了評(píng)估。

1 新型不對(duì)稱橋臂電路拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

圖1所示為一種新型的三相三電平逆變電路，該電路采用了12個(gè)功率開關(guān)器件。以A相為例，分析該逆變電路的工作原理。取兩電容之間的O點(diǎn)為零電位。當(dāng)Sa1和Sa3導(dǎo)通時(shí)，A相與電源正端相連，其電位為dc/2，即處于“P”狀態(tài)；當(dāng)Sa2和Sa3導(dǎo)通時(shí)，A相中點(diǎn)O相連，其電位為0，即處于“O”狀態(tài)；當(dāng)Sa4導(dǎo)通時(shí)，A相與電源負(fù)端相連，其點(diǎn)位為－dc/2。圖2介紹了該逆變電路的三種不同狀態(tài)。

圖1 新型的三相三電平逆變電路

圖2 新型電路結(jié)構(gòu)的工作原理

根據(jù)以上分析，該新型三電平逆變電路包括以下幾條規(guī)律（以A相為例）：

（1）開關(guān)管Sa1和Sa2的狀態(tài)互補(bǔ)；

（3）不允許在“P”狀態(tài)和“N”狀態(tài)之間直接切換，中間必須經(jīng)過(guò)“O”狀態(tài)。

表1是A相開關(guān)變量Sa對(duì)應(yīng)各個(gè)功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)表。

表1 新型三電平逆變電路A橋臂開關(guān)狀態(tài)

通過(guò)進(jìn)一步以上分析可知，在“P”狀態(tài)時(shí)Sa1，Sa3同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)功率開關(guān)管Sa2，Sa4所承受的反向壓降均為dc/2；在“O”狀態(tài)時(shí)，Sa1和Sa3同時(shí)導(dǎo)通，呈反向串聯(lián)的狀態(tài)，此時(shí)Sa1和Sa4所承受的反向壓降均為dc/2，在“N”狀態(tài)時(shí)，只需導(dǎo)通Sa4，此時(shí)Sa1和Sa2的狀態(tài)可以靈活選擇。若此時(shí)選擇Sa1，Sa4同時(shí)導(dǎo)通，則Sa2所承受的反向壓降為dc/2，Sa3所承受的反向壓降為dc，若選擇Sa2，Sa4導(dǎo)通，Sa1，Sa3所承受的反向壓降均為dc/2。因此，對(duì)于開關(guān)管Sa3可以考慮采用耐壓值較高、開關(guān)頻率相對(duì)較低的器件（如IGCT或者GTO），其他開關(guān)管可以采用開關(guān)頻率較高的器件（如IGBT），使其工作在較高頻率，而承受較小的電壓應(yīng)力，這樣就充分發(fā)揮了這些開關(guān)器件的特性，同時(shí)也節(jié)約了成本。通過(guò)控制算法可以靈活選擇功率開關(guān)管及其通斷時(shí)間，不僅使得算法更加靈活，也能夠平衡功率器件的損耗[3]。

2 控制算法

本文將傳統(tǒng)的兩點(diǎn)平和現(xiàn)有的三電平聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)兩者的關(guān)系，巧妙運(yùn)用兩電平的空間矢量調(diào)制，線性轉(zhuǎn)化到三電平空間矢量，避免了大量的三角函數(shù)計(jì)算，且概念清晰，便于數(shù)字化。

2.1 SVPWM算法及參考矢量所處扇區(qū)的確定

朗讀是學(xué)生語(yǔ)言學(xué)習(xí)生涯的重要組成部分。然而，在當(dāng)前的小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)中，朗讀教學(xué)的開展現(xiàn)狀不容樂(lè)觀。首先，應(yīng)試教育理念的影響，很多小學(xué)語(yǔ)文教師對(duì)朗讀教學(xué)重視程度不足。在課堂教學(xué)中，教師往往只關(guān)注生字詞、閱讀、寫作等考試模塊的教學(xué)，對(duì)學(xué)生語(yǔ)言能力培養(yǎng)不夠重視，導(dǎo)致朗讀教學(xué)在小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)中開展力度不足，影響了學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力的提升。其次，由于受到自身綜合素質(zhì)的影響，部分地方小學(xué)語(yǔ)文教師尚未形成系統(tǒng)化的朗讀訓(xùn)練體系，教師自身的普通話水平不高，難以對(duì)學(xué)生開展有效的朗讀訓(xùn)練，最終影響了小學(xué)語(yǔ)文朗讀教學(xué)的開展效果。

為了減少逆變器輸出的諧波含量，按照最近原則選擇空間矢量，并計(jì)算每個(gè)矢量的作用時(shí)間[4-5]。

在兩電平空間矢量算法中，兩電平逆變器相電壓只有23種狀態(tài)組合，合成的線電壓只有三種電壓值dc，0，－dc。圖3為其空間矢量圖。

圖3 兩電平逆變器空間矢量圖

根據(jù)伏秒平衡原理得[6-7]：

可以解出各個(gè)矢量作用的時(shí)間為：

定義三電平電壓空間矢量為：

每相橋臂有三種可能的輸出方式，共33個(gè)電壓矢量，如圖4所示。

圖4 三電平逆變器空間電壓矢量圖

圖5 三電平空間矢量的一個(gè)小區(qū)

由正弦定理有：

將式（5）代入式（2）中得：

顯然，其中t1、t2時(shí)間和參考矢量?*的幅角θ相關(guān)，由t1、t2無(wú)法判定參考矢量所在的小扇區(qū)，但是0時(shí)間只和采樣周期相關(guān)，由0就可以判定*處于哪個(gè)扇區(qū)，在該假設(shè)中，當(dāng)且僅當(dāng)0＞/2時(shí)，*處于A 1區(qū)域內(nèi)。

同理，參考矢量處于A2區(qū)的唯一條件就是t1＞?/2，處于A4區(qū)的唯一條件就是t2＞?/2，其余的就處于A3區(qū)，如式(7)：

利用兩電平空間矢量算法中的矢量作用時(shí)間t0、t1、t2，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)判斷就能輕易區(qū)分其在三電平空間矢量圖中的分區(qū)。而大扇區(qū)和兩電平空間矢量圖是一樣的。其計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接利用三電平空間矢量算法。

2.2 電壓矢量作用時(shí)間的計(jì)算

假設(shè)目標(biāo)矢量處于A1區(qū)，根據(jù)最近原則，用于合成目標(biāo)矢量的三個(gè)矢量為，并且這三個(gè)矢量和滿足如下關(guān)系：

三電平中矢量合成規(guī)則為：

通過(guò)式(8)、式(9)即可得如下關(guān)系：

求解式(10)，得：

同理，其它幾個(gè)區(qū)域的矢量作用時(shí)間也可以用同樣的方法得到。綜上，只要計(jì)算出了兩電平空間矢量中的矢量作用時(shí)間t0、t1、t2，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換到三電平空間矢量算法中的矢量作用時(shí)間0、1、2，從而大大減少了計(jì)算量，使用面廣，并且能夠方便地拓展到五電平、七電平等多電平算法中。

2.3 中點(diǎn)電位平衡控制

三電平逆變器在運(yùn)行過(guò)程中必須保證直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡，否則負(fù)載中會(huì)出現(xiàn)偶次諧波，部分開關(guān)器件的電壓應(yīng)力也會(huì)增大，不利于逆變器的安全運(yùn)行[8]。中點(diǎn)電位的不平衡，歸根結(jié)底是由流入或流出中點(diǎn)的電流造成的，使得直流側(cè)兩個(gè)電容一個(gè)放電、一個(gè)充電，導(dǎo)致中點(diǎn)電位發(fā)生偏移。通過(guò)分析容易得出大矢量和零矢量對(duì)中點(diǎn)電位沒(méi)有影響。中矢量有一相電流連接到中點(diǎn)，使得電位在一定程度上依賴于負(fù)載條件，它是造成中點(diǎn)電位不平衡的最重要的原因。但是由于中矢量的不可控性，主要通過(guò)對(duì)冗余小矢量進(jìn)行控制，從而改變中點(diǎn)電位。冗余小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的作用相反且總是成對(duì)出現(xiàn)[9]，可以根據(jù)電流的方向和直流側(cè)電容電壓大小，調(diào)整冗余小矢量的作用時(shí)間來(lái)調(diào)整直流側(cè)中點(diǎn)電位。圖6所示為三電平SVPWM方法流程。

圖6 三電平SVPWM方法流程

3 仿真結(jié)果比較與分析

為了驗(yàn)證該新型結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法的有效性和正確性，本文給出了仿真驗(yàn)證并與NPC型逆變器仿真結(jié)果進(jìn)行比較。直流側(cè)電源電壓d=400 V，分壓電容為2 000μF，負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，=10Ω，電感=12mH，輸出電壓頻率為50 Hz，采樣頻率為100 kHz，每相電壓參考值為180 V。

圖7 電壓AB的波形

圖8 直流側(cè)電容dc1和dc2的波形

圖9 輸出電壓頻譜分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新結(jié)構(gòu)逆變器能夠很好地完成逆變，改進(jìn)的SVPWM算法簡(jiǎn)單易行、易于對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行控制且效果良好；與NPC型三電平逆變器相比，該新結(jié)構(gòu)的三電平逆變器不僅減少了開關(guān)器件的使用，而且控制簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

本文研究了一種新型不對(duì)稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三電平逆變器，該電路拓?fù)錅p少了開關(guān)器件的使用，在此基礎(chǔ)之上分析了一種改進(jìn)的三電平SVPWM算法，該方法是基于兩電平空間矢量算法推導(dǎo)而來(lái)，將傳統(tǒng)的兩電平和現(xiàn)有的三電平聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)兩者的關(guān)系，巧妙運(yùn)用兩電平的空間矢量調(diào)制，線性轉(zhuǎn)化到三電平空間矢量，避免了大量的三角函數(shù)計(jì)算，概念清晰，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。此外，本文也對(duì)三電平所固有的直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡問(wèn)題做出了分析并且給出了對(duì)策。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該新型逆變器結(jié)構(gòu)清晰合理，控制算法簡(jiǎn)單正確。

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[2]劉鳳君.多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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A novel three-phase three-level inverterw ith asymmetrical legs

HUANG Ke1,WEIJin-cheng1,HUANG Rong-rong1,KONG Xiang-cong2

A novel three-phase three-level inverter circuitw ith asymmetrical legs was proposed.The topology of the proposed inverter and operating mechanism were analyzed.The traditional three-level SVPWM algorithm was im proved,combining traditional two-level w ith three-level algorithm and linearly transform ing to the two-level algorithm to avoid large number of triangular operation.Combined the new algorithm w ith the new circuit topology, the root cause of the neutral-point-potential imbalance was analyzed,and the solution of this problem was proposed. Simulation study using Matlab/Simulink was conducted to demonstrate the validity of the proposed new topology and SVPWM algorithm.The simulation results show the new three-level inverter could effectively finish inverting,and the im proved algorithm is very suitable for the new topology.The neutralpointpotential fluctuations are small,and total harmonic distortion is small,leading stable performance.

asymmetrical legs;three-level;inverter;SVPWM

TM 464

A

1002-087 X(2014)05-0920-04

2013-10-20

四川省科技廳科研基金(2009JY0139)；四川省教育廳項(xiàng)目(12ZA285)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(ycjj201366)

黃珂(1986—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。