NPC三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡原因分析

張桂枝

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口 075051)

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NPC三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡原因分析

張桂枝

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口 075051)

中矢量和小矢量狀態(tài)下負(fù)載和兩電容之間有電流交換，是引起NPC三電平逆變器直流側(cè)電容中點(diǎn)電位不平衡的主要原因。中矢量引起的中點(diǎn)電流導(dǎo)致中點(diǎn)電位波動(dòng)，小矢量引起的中點(diǎn)電流導(dǎo)致中點(diǎn)電位偏移。零矢量和大矢量狀態(tài)不會(huì)引起電容中點(diǎn)電位不平衡。

矢量；電位平衡；逆變器；電流

1 引言

NPC(中點(diǎn)箝位式)三電平逆變器比兩電平逆變器開關(guān)損耗小，輸出的電壓正弦度好，磁鏈軌跡更趨近于圓形，對(duì)電動(dòng)機(jī)供電時(shí)電機(jī)的運(yùn)行更平穩(wěn)，調(diào)速性能更優(yōu)越。但NPC三電平逆變器存有直流側(cè)電容中點(diǎn)電位不平衡的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)為兩個(gè)電容的分壓不均而且電壓偏差較大，中點(diǎn)電位不平衡將造成逆變器輸出電壓中低次諧波含量較大而使輸出電壓波形質(zhì)量下降[1]。逆變器若長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在電容中點(diǎn)電位不平衡的狀態(tài)下將會(huì)引起輸出電壓波形畸變[2]。在高壓大容量的系統(tǒng)中，由于負(fù)載電流很大，中點(diǎn)電位不平衡將導(dǎo)致壓降大的一個(gè)電容器及與電容器并聯(lián)的功率開關(guān)管因過壓而損壞。所以研究引起中點(diǎn)電位不平衡的原因是采取有效控制措施的必要前提。

2 NPC三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)及空間矢量圖

NPC三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中點(diǎn)箝位式三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)

電壓空間矢量圖如圖2所示。

3 工作狀態(tài)引起中點(diǎn)電位不平衡的分析

根據(jù)負(fù)載與逆變器的連接形式不同，把27種開關(guān)狀態(tài)歸類劃分為十種不同的連接結(jié)構(gòu)。如圖3所示。中點(diǎn)電流與開關(guān)狀態(tài)有著密切的關(guān)系，而中點(diǎn)電流的存在是引起中點(diǎn)電位不平衡的根本原因。下面就以不同開關(guān)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量的大小為基準(zhǔn)進(jìn)行各個(gè)情況的分析：

(1)零矢量狀態(tài)(111、000、-1-1-1)，從開關(guān)狀態(tài)的等效電路可見，電容中點(diǎn)沒有電流流過，所以零矢量狀態(tài)下不會(huì)引起中點(diǎn)電位不平衡。如圖3中(a)、(b)、(c)所示。

(2)大矢量狀態(tài)(11-1、-111、1-11、-1-11、-11-1、1-1-1)，如圖3中(d)和(e)所示。可見負(fù)載直接與直流電壓的正負(fù)極相連，與中點(diǎn)O'沒有連接。所以在中點(diǎn)和直流電源的正負(fù)極之間未形成獨(dú)立的充放電回路，也就不會(huì)引起一側(cè)電容單獨(dú)充放電現(xiàn)象，因而該狀態(tài)也不會(huì)出現(xiàn)中點(diǎn)電位不平衡的情況。

(3)中矢量狀態(tài)(10-1、01-1、-110、-101、0-11、1-10)，如圖3中(f)所示。三相負(fù)載中總有一相與中點(diǎn)相連，這樣負(fù)載與兩個(gè)直流分壓電容C1和C2各構(gòu)成一個(gè)充放電回路，當(dāng)兩回路充放電不同步時(shí)，將會(huì)造成相串聯(lián)的兩個(gè)分壓電容的電位波動(dòng)，從而引起中點(diǎn)電位的不平衡現(xiàn)象。

(4)小矢量狀態(tài)(110、101、011、100、010、001、00-1、0-10、-100、0-1-1、-10-1、-1-10)，如圖3中(g)、(h)、(i)、(j)所示。三相負(fù)載中有一相或兩相與中點(diǎn)相連，且負(fù)載只與直流側(cè)兩個(gè)相串聯(lián)電容中的一個(gè)電容組成充放電回路。當(dāng)電容進(jìn)行充放電時(shí)，因?yàn)榭偟闹绷麟妷篣dc是一定的，所以當(dāng)一個(gè)電容上的電壓升高(下降)時(shí),則另一個(gè)相串的電容上的電壓以相同數(shù)值下降 (升高)。

圖3不同狀態(tài)下負(fù)載與逆變器連接的等效電路

由分析可見，27個(gè)開關(guān)狀態(tài)中，只有小矢量和中矢量狀態(tài)下負(fù)載和兩電容之間有電流交換，會(huì)引起中點(diǎn)電位變化。而同一電壓空間矢量對(duì)應(yīng)的兩個(gè)冗余小矢量對(duì)電容電壓的影響正好相反，所以可以通過合理控制小矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，來(lái)完成中點(diǎn)電位平衡控制的任務(wù)。

4 中點(diǎn)電流引起中點(diǎn)電位不平衡的分析

通過分析不同電壓矢量作用下負(fù)載與逆變器連接的等效電路只能判斷出電容中點(diǎn)電壓變化的大致情況，而要確定各電容電壓的升降還要看中點(diǎn)電流的流向。由于電容電流和電容電壓成微分關(guān)系，可以通過分析中點(diǎn)電流來(lái)得到中點(diǎn)電壓的情況。中點(diǎn)電流與中點(diǎn)電壓的關(guān)系及各參考方向如圖4所示。

根據(jù)電容電流與電壓的關(guān)系可列式：

設(shè)C1=C2=C，則根據(jù)KCL定律有：

可得：

由此可知，中點(diǎn)電流的大小與中點(diǎn)電壓的變化率成正比，當(dāng)中點(diǎn)電壓u0增大時(shí)，中點(diǎn)電流i0灌入中點(diǎn)。反之，u0下降時(shí)，i0流出中點(diǎn)。即i0≠0時(shí)，u0變化，若i0=0時(shí)，u0不變。

由圖3的等效電路可見，在中矢量和小矢量作用時(shí)，中點(diǎn)電流實(shí)為三相電流中的一相電流。在圖4所示的中點(diǎn)電流的參考方向下，開關(guān)矢量狀態(tài)與對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流如表1所示。

表1開關(guān)矢量與對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流

注：三相負(fù)載電流iu、iv、iw的參考方向?yàn)殡娏鞴嗳胴?fù)載的方向

進(jìn)一步把中、小矢量引起的中點(diǎn)電流對(duì)dq軸進(jìn)行分解為有功電流和無(wú)功電流，發(fā)現(xiàn)無(wú)功電流是引起中點(diǎn)電位波動(dòng)的主要因素，無(wú)功分量越大，則中點(diǎn)電位波動(dòng)越明顯；有功分量是引起中點(diǎn)電位偏移的主要因素，有功分量越大，電位偏移越明顯[3]。中矢量引起的中點(diǎn)電流只導(dǎo)致中點(diǎn)的電位波動(dòng)，中點(diǎn)電位偏移主要由小矢量作用引起。

5 引起中點(diǎn)電位不平衡的其他因素

除了串聯(lián)電容充放電引起中點(diǎn)不平衡外, 兩相串電容容量上的差異,將造成中點(diǎn)電位的固有偏移。電容值大小與電位平衡有密切關(guān)系，電容值越小，電位波動(dòng)越嚴(yán)重，一般電容值盡可能取大，但慮及制造工藝和成本，電容值不能取得過大。中點(diǎn)電位不平衡還與輸出電壓幅值和基波頻率有關(guān), 幅值越大，中點(diǎn)電位平衡控制越難, 基波頻率越高中點(diǎn)電位波動(dòng)頻率也越高。而且負(fù)載的輕重也影響中點(diǎn)電位的平衡，負(fù)載相對(duì)越重，中點(diǎn)電流也就越大，電位波動(dòng)也越大，引起的電位不平衡越嚴(yán)重[32]。

6 總結(jié)

由分析可見，在零矢量和大矢量狀態(tài)下不會(huì)引起中點(diǎn)電位不平衡，小矢量和中矢量狀態(tài)是引起中點(diǎn)電位不平衡的主要原因。中矢量引起的中點(diǎn)電流導(dǎo)致中點(diǎn)的電位波動(dòng)，小矢量引起的中點(diǎn)電流導(dǎo)致中點(diǎn)的電位偏移。

[1]王長(zhǎng)兵.空間矢量PWM的快速算法[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，34 (10) ：54-58.

[2]章浩,謝運(yùn)祥.基于滑?？刂频娜喔吖β室驍?shù)整流器[J].電氣應(yīng)用，2008,27(10):82-86.

[3]楊超，謝維達(dá)，袁登科，等.一種新型的三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].機(jī)電一體化，2009，(5)：74-77.

The Analysis of NPC Three Level Inverter Neutral Point Potential Unbalance

ZHANG Gui-zhi

(Zhangjiakou Vocational and Technical College, Zhangjiakou, Hebei 075051)

The current exchange which produces between the load and the two capacitors in the small state vector and vector state is a major cause of DC side capacitor of NPC three level inverter neutral point potential unbalance. Neutral point current causes the fluctuation of the neutral point potential, neutral point current small vector causes the neutral point potential shift. The zero vector and the large vector state does not cause the capacitance of neutral point potential unbalance.

vector; potential balance; inverter; current

2015-01-20

張桂枝(1973-)，女 ，河北宣化人，張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系講師，碩士。研究方向：電機(jī)電器控制、新能源發(fā)電。

TM464

A

1008-8156(2015)02-0067-03

修回日期：2015-03-21