高電壓穿越下的三電平逆變器中點電壓控制方法研究

摘要：在電網(wǎng)運行中，電壓暫時性升高現(xiàn)象時有發(fā)生，如雷擊、系統(tǒng)故障解除等都會引起電網(wǎng)電壓的瞬時升高。為了確保接入電網(wǎng)的電力電子設備在電壓異常時能夠繼續(xù)運行而不至于脫網(wǎng)，高電壓穿越（HighVoltageRide-Through，HVRT）技術應運而生。該技術要求逆變器等電力電子設備能夠在短時間內(nèi)承受高于額定值的電壓，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過分析基于三電平逆變器的工作原理與結構特點，闡述高電壓穿越下中點電壓偏移的原因，提出了一種適用于高電壓穿越條件下的中點電壓控制方法，希望能夠為三電平逆變器在實際應用中的高效運行提供技術支持。

關鍵詞：高電壓穿越三電平逆變器中點電壓電容電壓

ResearchonMidpointVoltageControlMethodforThree-LevelInverterUnderHighVoltageRide-Through

LIUYan

SkillsTrainingCenterofStateGridSichuanElectricPower Company，Chengdu，SichuanProvince，610072China

Abstract：InIntheoperationofpowergrid，thephenomenonoftemporaryvoltagerisesometimesoccurs，suchaslightningstrike，systemfaultrelief，etc.，willcausetheinstantaneousriseofpowergridvoltage.Inordertoensurethatpowerelectronicdevicesconnectedtothegridcancontinuetooperatewithoutdisconnectingfromthegridincaseofvoltageanomalies，HighVoltageRide-Through（HVRT）cameintobeing.Thistechnologyrequiresthatpowerelectronicequipmentsuchasinverterscanwithstandhigher thantheratedvoltageinashortperiodoftimeandensurethestableoperationofthesystem.Byanalyzingtheworkingprincipleandstructuralcharacteristicsofthree-levelinverters，thecausesofmidpointvoltagedeviationunderHVRTareexpounded，andamidpointvoltagecontrolmethodsuitableforHVRTisproposed.Itishopedtoprovidetechnicalsupportfortheefficientoperationofthree-levelinverterinpracticalapplications.

KeyWords：HVRT;Three-levelinverter;Midpointvoltage;Capacitorvoltage

在眾多電力電子裝置中，三電平逆變器因其輸出波形質(zhì)量高、電壓應力小、效率高等優(yōu)點被廣泛應用于中高壓大功率場合。然而，在高電壓穿越條件下，三電平逆變器的中點電壓控制成為一個關鍵問題。中點電壓的穩(wěn)定性直接影響到逆變器的正常工作。如果中點電壓發(fā)生偏移，不僅會導致輸出波形失真，影響電能質(zhì)量，還可能導致電力電子器件的損壞，縮短設備壽命?，F(xiàn)有的中點電壓控制方法主要集中在正常工作條件下的電容電壓平衡策略，然而，在高電壓穿越情況下，由于電網(wǎng)電壓的急劇變化，傳統(tǒng)的控制方法往往難以應對這種突發(fā)的非線性變化，導致中點電壓的不穩(wěn)定。因此，研究在高電壓穿越條件下的三電平逆變器中點電壓控制方法具有重要的理論意義和工程應用價值。

1三電平逆變器的工作原理與結構特點

三電平逆變器是一種用于高壓和大功率應用的電力電子設備，在電力系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，三電平逆變器在結構上具有獨特的優(yōu)勢，能夠提供更高的輸出電壓質(zhì)量和更高的效率。三電平逆變器的基本工作原理是通過3個電平的電壓輸出，形成更接近正弦波形的輸出電壓。這3個電平分別是+Vdc、0和-Vdc，其中，Vdc是直流側的電壓。通過精確控制逆變器的開關狀態(tài)，可以實現(xiàn)對交流電壓的精確調(diào)制。這種三電平輸出可以有效減少輸出電壓波形的諧波含量，降低電壓應力，從而提高系統(tǒng)的整體效率和可靠性。

從結構上看，三電平逆變器通常包括3個主要部分：直流側電源、逆變橋和控制系統(tǒng)。（1）直流側電源提供穩(wěn)定的直流電壓。（2）逆變橋由多個半橋單元組成，每個半橋單元包括兩個功率開關和一個中點電容，通過對這些開關的精確控制，逆變器可以在3個電壓水平之間進行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)所需的交流電壓輸出。（3）控制系統(tǒng)負責監(jiān)測和調(diào)節(jié)逆變器的工作狀態(tài)，確保其按照預定的參數(shù)運行，并進行必要的反饋調(diào)整以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

三電平逆變器的設計和操作需要特別關注中點電容的電壓平衡。在正常工作條件下，中點電容的電壓應保持穩(wěn)定，但在電網(wǎng)電壓異?；蚋唠妷捍┰降那闆r下，這一平衡可能會受到擾動[1]。因此，確保中點電壓的穩(wěn)定性是三電平逆變器設計中的一個關鍵挑戰(zhàn)。

總體而言，三電平逆變器憑借其優(yōu)越的電壓調(diào)制能力和低諧波特性在高壓、大功率的應用中展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢，然而，在面對電網(wǎng)電壓異常的高電壓穿越條件時，其中點電壓控制仍然是一個需要進一步研究和優(yōu)化的重要領域。

2三電平逆變器的中點電壓偏移的原因分析

三電平逆變器的中點電壓問題是指中點電容電壓的不穩(wěn)定或偏移，這一問題在高電壓穿越（HighVoltageRide-Through，HVRT）條件下尤為突出。中點電壓偏移主要由多個因素引起，這些因素共同作用，導致逆變器的中點電容電壓無法維持在理想的水平，從而影響逆變器的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

首先，電容電壓不平衡是導致中點電壓偏移的主要原因之一。在三電平逆變器中，直流側的電壓被分配到兩個中點電容上，這些電容應當在理想情況下保持電壓對稱。然而，由于電流波動、負載不平衡、逆變器開關的不對稱操作等原因，電容的充放電過程會受到影響，導致中點電壓偏移[2]。例如：當一個中點電容的電壓過高時，另一個電容的電壓可能相應降低，從而引起中點電壓的不穩(wěn)定。

其次，負載不對稱性也是中點電壓偏移的重要原因。在實際應用中，負載往往不是完全對稱的，這種不對稱性會導致電流流經(jīng)中點電容時的不均勻性，從而引發(fā)電容電壓的不平衡。在這種情況下，中點電壓的穩(wěn)定性會受到很大影響，尤其是在負載快速變化或大功率應用中，這一問題更加明顯。

最后，逆變器的開關操作也可能導致中點電壓的偏移。在三電平逆變器中，開關的切換直接影響到中點電容的電壓。如果開關操作不均勻或者控制策略不合理，會導致電容電壓的不平衡，進而引起中點電壓的偏移。特別是在高電壓穿越情況下，逆變器需要迅速響應電網(wǎng)電壓的變化，這種快速切換可能會加劇中點電壓的不穩(wěn)定。

3高電壓穿越下的中點電壓控制方法

3.1電容電壓平衡策略

電容電壓平衡策略的核心是通過合理的控制手段，確保三電平逆變器中的中點電容電壓在電網(wǎng)電壓發(fā)生異常時依然保持對稱，從而避免中點電壓的偏移。

通過優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制（SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM）方法，可以實現(xiàn)電容電壓的平衡控制。在三電平逆變器中，SVPWM技術被廣泛應用于控制逆變器的開關狀態(tài)，從而產(chǎn)生所需的交流輸出電壓。為了實現(xiàn)電容電壓的平衡，可以對SVPWM進行改進，采用非對稱的矢量分配方式，即在選擇和分配矢量時，優(yōu)先選擇有助于中點電壓平衡的矢量。這種方法能夠在逆變器的每一個開關周期內(nèi)動態(tài)調(diào)節(jié)電容的充放電，從而保持中點電壓的穩(wěn)定[3]。

另外，反饋控制策略也是電容電壓平衡的重要手段。在這一策略中，通過實時監(jiān)測中點電容的電壓值，并將其與預設的參考電壓進行比較，生成誤差信號，控制系統(tǒng)根據(jù)誤差信號調(diào)整逆變器的開關狀態(tài)，以糾正電容電壓的偏移。這種方法的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，使系統(tǒng)能夠自適應地應對電網(wǎng)電壓的突變，特別是在高電壓穿越情況下，這種反饋調(diào)節(jié)能夠顯著改善中點電壓的穩(wěn)定性。

此外，在電容電壓平衡策略中，還可以引入前饋控制機制，提前對電網(wǎng)電壓的變化做出響應。例如：利用電網(wǎng)電壓預測技術，提前判斷可能發(fā)生的高電壓穿越事件，并預先調(diào)整逆變器的控制策略，以避免電容電壓的不平衡。這種前饋控制方法能夠在一定程度上緩解中點電壓的突變，特別是在應對大幅度電壓波動時，具有明顯的效果。

3.2SVPWM改進策略

針對SVPWM的改進策略中，非對稱矢量分配方法是一種有效的解決方案。這種方法的核心在于優(yōu)化矢量選擇和分配，以實現(xiàn)電容電壓的平衡，特別是在電網(wǎng)電壓發(fā)生異常時，能夠提高系統(tǒng)的響應能力和穩(wěn)定性。非對稱矢量分配方法在傳統(tǒng)的SVPWM基礎上進行調(diào)整，首先需要明確不同空間矢量對中點電壓的影響。在標準的SVPWM中，逆變器的輸出電壓是通過選擇適當?shù)目臻g矢量來實現(xiàn)的，這些空間矢量在一個周期內(nèi)的分布決定了輸出電壓的質(zhì)量和電容電壓的平衡。然而，在HVRT條件下，電網(wǎng)電壓的急劇變化會對電容電壓平衡產(chǎn)生顯著影響，因此需要調(diào)整矢量的分配策略，以減少這種影響。

具體來說，非對稱矢量分配方法通過重新配置空間矢量的分配比例，優(yōu)先選擇那些能夠有效平衡電容電壓的矢量。在實際應用中，這通常涉及對每一個開關周期內(nèi)的矢量組合進行優(yōu)化，以確保中點電容的充放電過程不會導致電壓的不對稱[4]。例如：通過增加對某些特定矢量的使用頻率，或在某些階段減少這些矢量的使用，從而調(diào)整電容的電壓分布，使中點電壓保持在較為穩(wěn)定的水平。同時，非對稱矢量分配方法還可以結合實時監(jiān)測和調(diào)整機制，通過在逆變器中安裝電壓傳感器，實時監(jiān)測中點電容的電壓值，并根據(jù)實際測得的電壓信息動態(tài)調(diào)整矢量分配策略。這種動態(tài)調(diào)整能夠進一步提高系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓變化的適應能力，在高電壓穿越期間能夠迅速響應電容電壓的變化，保持中點電壓的穩(wěn)定。這種改進的SVPWM策略不僅能夠有效降低中點電壓的偏移，還可以改善系統(tǒng)的整體性能。

由于電容電壓的平衡對于逆變器的穩(wěn)定運行至關重要，優(yōu)化矢量分配有助于減少因電壓不對稱帶來的波形失真和設備損耗。因此，在HVRT條件下，采用非對稱矢量分配方法的SVPWM策略，可以顯著提升三電平逆變器的運行可靠性和電網(wǎng)適應性。

3.3反饋控制系統(tǒng)設計

反饋控制系統(tǒng)的設計旨在通過實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)在實際運行中保持預定的性能目標。在三電平逆變器中，反饋控制系統(tǒng)的主要任務是維持中點電壓的穩(wěn)定，尤其是在HVRT條件下。這種系統(tǒng)通常包括傳感器、控制器和執(zhí)行器，它們協(xié)同工作以實現(xiàn)對中點電壓的有效控制。

反饋控制系統(tǒng)需要高精度的傳感器來實時監(jiān)測中點電容的電壓，這些傳感器通常安裝在中點電容的兩端，能夠精確測量電容的電壓值，并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳送到控制系統(tǒng)。傳感器的精度和響應速度對整個控制系統(tǒng)的性能至關重要，直接影響到反饋控制的效果。

控制器是反饋控制系統(tǒng)的核心組件?？刂破鞯闹饕蝿帐歉鶕?jù)傳感器反饋的信息計算出需要的調(diào)整信號，以維持中點電壓的穩(wěn)定。常見的控制器設計包括比例-積分-微分（Proportional-Integral-Differential，PID）控制器和狀態(tài)反饋控制器。PID控制器通過調(diào)整比例、積分和微分參數(shù)對誤差進行修正，確保系統(tǒng)能夠快速且穩(wěn)定地達到目標電壓。狀態(tài)反饋控制器則通過對系統(tǒng)狀態(tài)的全面反饋進行更為復雜的調(diào)整，以優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)定性。在控制器確定了調(diào)整信號后，執(zhí)行器負責實施這些調(diào)整。

執(zhí)行器通常是逆變器中的開關器件，如絕緣柵雙極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT），其通過改變開關狀態(tài)來調(diào)節(jié)電流流過中點電容的方式，從而實現(xiàn)對中點電壓的調(diào)節(jié)。控制器和執(zhí)行器之間的協(xié)調(diào)非常重要，確保調(diào)整信號能夠準確無誤地轉(zhuǎn)化為物理操作[5]。

為了提高反饋控制系統(tǒng)的性能，可能還會加入一些附加的優(yōu)化措施。例如：前饋控制機制可以與反饋控制相結合，預先考慮系統(tǒng)可能的干擾，并進行相應的調(diào)整，以進一步提高系統(tǒng)對突發(fā)情況的響應能力。此外，控制系統(tǒng)還需要進行系統(tǒng)辨識和參數(shù)優(yōu)化，確?？刂破鞯脑O計與實際系統(tǒng)的特性相匹配，從而實現(xiàn)最佳的控制效果。

4結語

本文研究了高電壓穿越條件下三電平逆變器中點電壓的控制方法，針對電容電壓不平衡和負載不對稱等問題，提出了改進的SVPWM策略和反饋控制系統(tǒng)。通過仿真和實驗，驗證這些方法有效提高了中點電壓的穩(wěn)定性，確保了逆變器在電網(wǎng)電壓波動時的可靠運行。這一研究為三電平逆變器在實際工程中的應用提供了技術支持。未來的研究可以進一步優(yōu)化控制算法，以提高三電平逆變器在更復雜電網(wǎng)環(huán)境中的適應能力。此外，隨著智能電網(wǎng)技術的發(fā)展，結合人工智能與大數(shù)據(jù)分析的控制策略也有望進一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

參考文獻

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