一種兼顧二極管鉗位型三電平變換器中點(diǎn)電位平衡的窄脈沖處理方法

王琛琛 管 勃

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044)

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一種兼顧二極管鉗位型三電平變換器中點(diǎn)電位平衡的窄脈沖處理方法

王琛琛 管 勃

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044)

綜合考慮窄脈沖補(bǔ)償、中點(diǎn)電位平衡控制及其相互影響，提出一種兼顧三電平變換器中點(diǎn)電位平衡的窄脈沖處理方法。該方法直接分析了窄脈沖對(duì)調(diào)制波的限制，在完全避免窄脈沖的同時(shí)對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制的影響也極小。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有顯著的窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡控制效果，整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的窄脈沖處理方法。

三電平變換器 窄脈沖補(bǔ)償 中點(diǎn)電位平衡 零序電壓注入

0 引言

近年來，三電平變換器在中高壓大功率系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。不同于傳統(tǒng)的兩電平變換器，三電平變換器具有如下優(yōu)勢(shì)[6-10]：①開關(guān)器件需耐受的阻斷電壓減半；②輸出電平數(shù)目更多，輸出電壓波形正弦性更好；③電壓變化率(du/dt)減小，EMC問題也相應(yīng)得到緩解。

對(duì)于中高壓大功率的二極管鉗位型三電平變換器(NPC)而言，存在兩個(gè)問題需要處理：①窄脈沖問題；②中點(diǎn)電位平衡問題。

不同于兩電平變換器，三電平變換器在更寬的輸出電壓區(qū)域內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)窄脈沖。且在中高壓大功率系統(tǒng)中，為保證可靠的開關(guān)和安全，死區(qū)和窄脈沖限制時(shí)間都設(shè)定的較長(zhǎng)，如果使用開關(guān)速度較慢的IGCTs或GTOs器件，窄脈沖問題則更加突出。窄脈沖會(huì)導(dǎo)致開關(guān)器件的開關(guān)失敗，引起輸出電壓波形畸變，還可能帶來開關(guān)器件的熱積累燒毀[11-15]。另外，為保證三電平NPC變換器正常穩(wěn)定運(yùn)行，還需要著重考慮中點(diǎn)電位平衡控制問題。軟件算法的方式解決中點(diǎn)電位平衡問題是通過合理的調(diào)整注入的零序電壓[3-8]。而窄脈沖補(bǔ)償方法也依賴于對(duì)零序電壓的合理選擇[13]，兩者間存在較強(qiáng)的限制影響，需采用一種綜合的方法以兼顧窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡控制。

傳統(tǒng)的窄脈沖處理方法可分為直接窄脈沖剔除法、非最近三矢量SVPWM調(diào)制法和零序電壓注入法。直接窄脈沖剔除法僅根據(jù)設(shè)定的窄脈沖限制時(shí)間將窄脈沖剔除或拓展到窄脈沖限制寬度。對(duì)于開關(guān)速度較慢的GTOs或IGCTs器件而言，直接剔除或拓展脈沖而不做其他處理則會(huì)使得變換器的輸出電壓三相不平衡、波形明顯畸變，窄脈沖處理效果較差[11]。文獻(xiàn)[12]指出，采用非最近三矢量的SVPWM調(diào)制方法可直接避免產(chǎn)生窄脈沖，但會(huì)導(dǎo)致輸出電壓中的諧波含量明顯增加。零序電壓注入的窄脈沖補(bǔ)償方法[13，14]通過同時(shí)向三相電壓中注入零序電壓來剔除或拓展脈沖，既保證了變換器輸出線電壓不變，又處理了窄脈沖問題。但該方法在解決某相電壓的窄脈沖時(shí)，可能又在其他相電壓中引入了新的窄脈沖。同時(shí)，傳統(tǒng)的窄脈沖補(bǔ)償方法都忽視了窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡之間的耦合影響，導(dǎo)致窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡的效果都不好。

本文綜合考慮窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡控制，提出了一種兼顧二極管鉗位型三電平變換器中點(diǎn)電位平衡的窄脈沖處理方法。配合以“搜索尋優(yōu)”的中點(diǎn)電位平衡控制算法，新的窄脈沖處理方法能夠取得較好的窄脈沖補(bǔ)償效果，且對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制的不利影響也很小。

1 三電平變換器的工作原理、中點(diǎn)電位平衡問題和窄脈沖定義

1.1 三電平變換器的工作原理

三電平NPC變換器的拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 三電平NPC變換器拓?fù)鋱D

當(dāng)VT1、VT2開通時(shí)，U相輸出電壓為Udc/2；當(dāng)VT2、VT3開通時(shí)，U相輸出電壓為0；當(dāng)VT3、VT4開通時(shí)，U相輸出電壓為-Udc/2。同橋臂的4個(gè)開關(guān)器件，VT1、VT3互補(bǔ)導(dǎo)通，VT2、VT4互補(bǔ)導(dǎo)通，開關(guān)狀態(tài)與輸出電平的關(guān)系如表1所示。

1.2 三電平變換器的中點(diǎn)電位平衡問題

首先需分析中點(diǎn)電位波動(dòng)與中點(diǎn)電流之間的關(guān)系[6]，如圖2所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)與輸出電平關(guān)系

圖2 母線電容電壓和中點(diǎn)電流示意圖

令上下電容電壓波動(dòng)值均為Δv，則CΔv/Δt=iC1，且C(-Δv)/Δt=iC2，波動(dòng)值與中點(diǎn)電流關(guān)系可表示為C(2Δv)/Δt=iC1-iC2=io，同時(shí)注意到(2Δv=UC1-UC2)，可得中點(diǎn)電位和需補(bǔ)償?shù)闹悬c(diǎn)電流iox間關(guān)系

(1)

從而三電平變換器中點(diǎn)電位的平衡控制可轉(zhuǎn)換為中點(diǎn)電流的平衡控制。各相的端電壓相對(duì)于直流側(cè)中點(diǎn)電位有3種輸出電平，可表示為Si={-1，0，1}，定義函數(shù)Sio為

(2)

易得到瞬時(shí)中點(diǎn)電流為

io=Suoiu+Svoiv+Swoiw

(3)

對(duì)中點(diǎn)電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行積分得

(4)

以Udc/2為標(biāo)幺化的基值對(duì)輸出電壓進(jìn)行標(biāo)幺化處理，則未注入零序電壓的三相輸出電壓Uuo、Uvo、Uwo的最大范圍為±1.15，注入零序電壓的三相輸出電壓Uu、Uv、Uw的最大范圍為±1。

(5)

改變Uz即可改變Ui，從而改變dio，最終影響中點(diǎn)電流io。對(duì)中點(diǎn)電位的平衡控制實(shí)際上是對(duì)注入零序電壓的合理調(diào)整。

1.3 窄脈沖定義

開關(guān)器件都存在固有的開通時(shí)間ton，min和關(guān)斷時(shí)間toff，min?？紤]到三電平變換器的VT1和VT3互補(bǔ)，VT2和VT4互補(bǔ)，將開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間統(tǒng)一成窄脈沖限制時(shí)間tmin。當(dāng)產(chǎn)生的PWM脈沖寬度小于tmin時(shí)，開關(guān)器件則無法正常開通和關(guān)斷[13-15]。同時(shí)可定義窄脈沖限制電壓umin為

umin=tmin/Tc

(6)

式中Tc為載波周期。兩電平變換器和三電平變換器的窄脈沖分布范圍如圖3所示。

圖3 窄脈沖分布范圍

相比兩電平變換器，三電平變換器不僅在輸出電壓接近±1時(shí)存在窄脈沖，在零電壓附近也存在窄脈沖。實(shí)際應(yīng)用中，必要的死區(qū)會(huì)增大或減小PWM脈沖的實(shí)際輸出寬度，窄脈沖限制時(shí)間的設(shè)定需增加一個(gè)死區(qū)時(shí)間。

2 傳統(tǒng)的窄脈沖補(bǔ)償方法

2.1 直接窄脈沖剔除法

直接窄脈沖剔除法以設(shè)定的窄脈沖限制時(shí)間為窄脈沖判斷條件來剔除或拓展窄脈沖到窄脈沖限制寬度[11，14]。該方法僅針對(duì)出現(xiàn)窄脈沖的某一相電壓進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致窄脈沖補(bǔ)償后線電壓畸變嚴(yán)重和三相電壓不平衡。

直接窄脈沖剔除法并非完全補(bǔ)償窄脈沖，只能部分緩解窄脈沖的不利影響。中高壓大功率系統(tǒng)的窄脈沖限制時(shí)間較長(zhǎng)，即便是將窄脈沖影響減小依然嚴(yán)重，因而在采用GTOs和IGCTs作為開關(guān)器件的中高壓大功率系統(tǒng)中并不適用。

2.2 零序電壓注入的窄脈沖補(bǔ)償法

直接窄脈沖剔除法僅處理了出現(xiàn)窄脈沖的某一相，導(dǎo)致了系統(tǒng)輸出電壓的畸變和三相不平衡。零序電壓注入的窄脈沖補(bǔ)償法以設(shè)定的窄脈沖限制時(shí)間為條件，同時(shí)向三相電壓中注入零序電壓來剔除或拓展窄脈沖[13]。

由于注入了零序電壓，線電壓保持不變，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)輸出電壓的三相不平衡。但該方法的問題在于，中點(diǎn)電位平衡控制可能使原本沒有窄脈沖問題的相電壓出現(xiàn)新的窄脈沖問題，或當(dāng)對(duì)某一相電壓進(jìn)行窄脈沖補(bǔ)償時(shí)，可能使原本沒有窄脈沖問題的其他相出現(xiàn)新的窄脈沖問題。

情況1：假定umin為0.04，則如果輸出電壓的絕對(duì)值小于0.04或大于0.96，則認(rèn)為是窄脈沖。假設(shè)三相指令電壓Uuo、Uvo、Uwo分別為0.140 8、0.159 0和-0.299 8，經(jīng)中點(diǎn)電位平衡控制后新的指令電壓Uu、Uv、Uw分別為0.981 8、1.0和0.541 2。原本三相指令電壓并不會(huì)存在窄脈沖，但經(jīng)中點(diǎn)平衡控制后不僅U相出現(xiàn)了新的窄脈沖問題，且如果用零序電壓注入法進(jìn)行補(bǔ)償，則V相將會(huì)超出線性調(diào)制區(qū)或出現(xiàn)新的窄脈沖。中點(diǎn)電位平衡控制加重了窄脈沖問題。

情況2：假設(shè)中點(diǎn)電位平衡控制后三相指令電壓Uu、Uv、Uw分別為0.025、-0.05和0.74。此時(shí)如果對(duì)U相的窄脈沖進(jìn)行補(bǔ)償，則補(bǔ)償后三相電壓為0.04、-0.035和0.755。雖然U相的窄脈沖得到了補(bǔ)償，但V相又引入了新的窄脈沖，實(shí)際窄脈沖補(bǔ)償效果并不好。

3．積極吸納教育心理學(xué)、方法論和化學(xué)課程與教學(xué)研究的新成果。如:融入西方新的成果，SOLO、學(xué)習(xí)的進(jìn)階、PCK等理論;再如:繼承了王佐書教授《中學(xué)化學(xué)教學(xué)論》教材中化學(xué)學(xué)習(xí)論和化學(xué)自然科學(xué)方法論的精華部分，借鑒了信息技術(shù)、微格教學(xué)、測(cè)量與評(píng)價(jià)、教學(xué)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域研究的成果。

3 兩種改進(jìn)的基于零序電壓注入的窄脈沖補(bǔ)償方法

針對(duì)傳統(tǒng)窄脈沖補(bǔ)償方法存在的上述缺陷，本文提出了兩種改進(jìn)的解決方案。

3.1 零序電壓注入改進(jìn)方法一

第二節(jié)的討論指出，在三相調(diào)制波幅值都很小、接近窄脈沖限制電壓附近時(shí)或在三相調(diào)制波幅值不小、但其中兩相調(diào)制波接近窄脈沖限制電壓附近時(shí)，會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償某一相窄脈沖而在其他相中引入新的窄脈沖。為了克服這兩種情況，改進(jìn)方法一通過判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)了這兩種情況，然后通過改變零序電壓來避開這些區(qū)域?？勺裱韵虏襟E：

1)為保證注入零序電壓后的調(diào)制波不超過線性調(diào)制區(qū)范圍，且在窄脈沖限制電壓附近不產(chǎn)生新的窄脈沖，中點(diǎn)電位平衡控制能夠取得的零序電壓范圍為：-1-Umin+4umin

2)當(dāng)三相電壓的絕對(duì)值都小于窄脈沖限制電壓時(shí)，向三相電壓中注入零序電壓 2umin。

3)當(dāng)任意兩相電壓的絕對(duì)值同時(shí)小于窄脈沖限制電壓時(shí)，向三相電壓中注入零序電壓3umin。

零序電壓注入改進(jìn)方法一可解決傳統(tǒng)零序電壓注入法在補(bǔ)償某一相窄脈沖而引入新的窄脈沖的問題，但存在以下兩點(diǎn)問題：

1)中點(diǎn)電位平衡控制的可選零序電壓范圍被嚴(yán)重限制。

2)窄脈沖補(bǔ)償算法在中點(diǎn)電位平衡控制后進(jìn)行，窄脈沖處理時(shí)可能需要注入3umin的零序電壓。這不利于中點(diǎn)電位平衡控制的效果。

需要說明的是，以上窄脈沖補(bǔ)償方法均和中點(diǎn)電位平衡控制問題分開獨(dú)立處理，并習(xí)慣上放在中點(diǎn)電位平衡控制后進(jìn)行。這也會(huì)對(duì)中點(diǎn)電位的平衡控制效果造成較大的不利影響。

3.2 零序電壓注入改進(jìn)方法二

以上所有窄脈沖處理方法都是獨(dú)立的考慮窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡問題，將窄脈沖補(bǔ)償算法放在中點(diǎn)電位平衡控制算法后，兩者間的耦合影響難以協(xié)調(diào)。由于窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡控制都依賴于合理的選擇零序電壓，本文提出一種將窄脈沖補(bǔ)償融入到中點(diǎn)電位平衡控制中同時(shí)處理的窄脈沖補(bǔ)償方法。

該方法的思想是直接分析確定窄脈沖對(duì)調(diào)制波的限制，計(jì)算能夠完全避免產(chǎn)生窄脈沖的調(diào)制波范圍和可注入的零序電壓范圍。然后中點(diǎn)電位平衡控制算法在計(jì)算得到的可注入零序電壓范圍內(nèi)選擇合適的零序分量，從而同時(shí)保證了完全不產(chǎn)生窄脈沖和較好的中點(diǎn)電位平衡控制效果。

為保證中點(diǎn)電位平衡控制后的調(diào)制波完全不產(chǎn)生窄脈沖，需確保中點(diǎn)電位平衡控制注入零序分量后的三相電壓同時(shí)滿足以下約束條件

umin<|Uz+Uio|<1-umin

(7)

由前面的分析可看出：零序電壓注入改進(jìn)方法一為避免補(bǔ)償某一相的窄脈沖而引入新的窄脈沖，犧牲了很大的零序電壓自由度。相比而言，零序電壓注入改進(jìn)方法二通過準(zhǔn)確計(jì)算可取零序電壓區(qū)間，大大減小了窄脈沖補(bǔ)償時(shí)對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制的不利影響。以開關(guān)頻率2 kHz、調(diào)制比0.82、窄脈沖20 μs為例，計(jì)算得到了不進(jìn)行窄脈沖補(bǔ)償、采用改進(jìn)方法一和改進(jìn)方法二時(shí)的可取零序電壓范圍，如圖4所示。

圖4 不同方法的可選零序電壓范圍

圖4中同種類型線條間空白部分為對(duì)應(yīng)窄脈沖補(bǔ)償方法限制后中點(diǎn)電位平衡控制的可選零序范圍。圖4b中改進(jìn)方法二的中間貫通實(shí)線部分為可選零序電壓不能取到的區(qū)域。改進(jìn)方法一對(duì)可選零序范圍的限制極大，嚴(yán)重影響了中點(diǎn)電位平衡控制的效果；改進(jìn)方法二和不補(bǔ)償窄脈沖情況接近，對(duì)中點(diǎn)電位的平衡控制影響較小。

3.3 搜索尋優(yōu)中點(diǎn)電位平衡控制法

采用零序電壓注入改進(jìn)方法二，可得到一個(gè)受限的可選零序電壓范圍。為方便中點(diǎn)電位平衡控制算法在受限的可選零序電壓范圍內(nèi)選擇合適的零序分量進(jìn)行中點(diǎn)電位平衡控制，本文采用了一種搜索尋優(yōu)的中點(diǎn)電位平衡控制方法。其基本思想是遍尋全部可取零序電壓來計(jì)算對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流io，選擇iox和io差的絕對(duì)值最小的零序電壓注入，詳細(xì)算法可參考文獻(xiàn)[5]。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為從窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡控制兩方面對(duì)傳統(tǒng)的窄脈沖補(bǔ)償方法和新提出的窄脈沖處理方法進(jìn)行比較，本文基于Matlab/Simulink仿真軟件和7.5 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

電機(jī)控制方式采用VVVF控制，電機(jī)空載運(yùn)行。圖5和圖6分別對(duì)應(yīng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。四通道分別對(duì)應(yīng)理想情況、考慮20 μs窄脈沖、直接窄脈沖剔除法、傳統(tǒng)零序電壓注入法以及改進(jìn)方法一和改進(jìn)方法二情況下的輸出線電壓、上下電容電壓、上下電容電壓之差以及輸出相電流波形。

表2 仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖5 各種窄脈沖補(bǔ)償法的仿真比較

圖6 各種窄脈沖補(bǔ)償法補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.6 Experiments of narrow pulse compensation

理論分析與仿真和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果十分吻合。同時(shí)對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)的相電流波形進(jìn)行FFT分析，可得到表3所示的比較結(jié)果。

表3 各種補(bǔ)償方法電流波形的FFT分析

對(duì)比圖6中各種方法的相電流可發(fā)現(xiàn)，直接窄脈沖剔除法和傳統(tǒng)的零序電壓注入法對(duì)窄脈沖的補(bǔ)償效果并不太好，在中高壓大功率、窄脈沖限制時(shí)間要求較長(zhǎng)的場(chǎng)合并不適用。

從圖6e中可看出，零序電壓注入改進(jìn)方法一能很好的克服傳統(tǒng)零序電壓注入法的缺陷，窄脈沖補(bǔ)償效果較好，但對(duì)中點(diǎn)電位平衡的不利影響較大，中點(diǎn)電位波動(dòng)明顯。

由圖6f可知，零序電壓注入改進(jìn)方法二不僅能夠?qū)φ}沖進(jìn)行很好的補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制的不利影響也極小。

表3中各種補(bǔ)償方法電流波形的FFT分析結(jié)果也佐證了上述結(jié)論。

5 結(jié)論

本文針對(duì)中高壓大功率的二極管鉗位型三電平變換器，綜合考慮窄脈沖補(bǔ)償、中點(diǎn)電位平衡控制及其耦合影響，提出了一種兼顧三電平變換器中點(diǎn)電位平衡的窄脈沖處理方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新方法在窄脈沖補(bǔ)償和中點(diǎn)電位平衡兩方面都具有很好的效果。得出如下結(jié)論：

1)傳統(tǒng)的窄脈沖補(bǔ)償法或是會(huì)導(dǎo)致三相電壓的不平衡，或是會(huì)在補(bǔ)償某相窄脈沖時(shí)在其他相中引入新的窄脈沖。而改進(jìn)方法一和二能夠很好的解決上述問題。

2)改進(jìn)方法一以犧牲大量的零序電壓自由度為代價(jià)避免了傳統(tǒng)窄脈沖補(bǔ)償法存在的各種缺陷，但對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制的不利影響很大，中點(diǎn)電位波動(dòng)嚴(yán)重。

3)改進(jìn)方法二將窄脈沖補(bǔ)償融入中點(diǎn)電位平衡控制中，在完全避免產(chǎn)生窄脈沖的同時(shí)對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制的不利影響極小。

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A Narrow Pulse Processing Method Considering Neutral-point Potential Balance Problem of Diode-clamped Three-level Inverters

WangChenchenGuanBo

(School of Electrical Engineering of Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China)

To consider the narrow pulse compensation，neutral-point potential balance，and their coupling effects simultaneously，a solution method for three-level inverters is presented in this paper.Based on the analysis of the limits of modulation wave caused by narrow pulses，this method can avoid narrow pulse problem completely and has less adverse effects on the neutral-point potential balance control.Simulation and experimental results verify that it has a significant performance for narrow pulse processing and neutral-point potential balance.Its overall performance is better than traditional narrow pulse methods.

Three-level inverters，narrow pulse processing，neutral-point potential balance，zero-sequence voltage injection

2014-12-29 改稿日期2015-08-02

TM464

王琛琛 男，1981年生，博士，副教授，研究方向?yàn)榇笕萘抗β首儞Q和交流電動(dòng)機(jī)控制。(通信作者)

管 勃 男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榇笕萘慷嚯娖阶儞Q器控制技術(shù)。