三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于兩電平在性能上有很多優(yōu)勢，但是也存在中點(diǎn)電位不平衡這一固有問題?；诤喕娜娖娇臻g矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)，提出一種混合式的三電平中點(diǎn)平衡控制策略。該控制策略在低調(diào)制度下，根據(jù)中點(diǎn)電壓偏移情況，結(jié)合三相電流，明確重疊區(qū)域的扇區(qū)選擇原則，克服非冗余小矢量造成的中點(diǎn)偏移；高調(diào)制度下，充分考慮中矢量對(duì)中點(diǎn)偏移的影響，對(duì)不同的小三角形設(shè)置不同的時(shí)間控制因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電位平衡的精細(xì)化控制。

中文名

三電平

外文名

Three level

拼音

sān diàn píng

優(yōu)點(diǎn)

輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小

簡介

三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，使得三電平結(jié)構(gòu)在高壓大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。研究對(duì)不同負(fù)載情況下影響中點(diǎn)電位的因素進(jìn)行了分析，將中點(diǎn)電位的不平衡分為低頻振蕩和電壓偏移兩種情況，三電平逆變器在接線性負(fù)載時(shí)輸出的負(fù)序電流和接非線性負(fù)載時(shí)電流的奇次諧波都會(huì)造成中點(diǎn)電位的低頻振蕩；接非線性負(fù)載時(shí)電流的偶次諧波會(huì)造成中點(diǎn)電位的偏移，其中輸出電流的 2 次和 4 次諧波是造成偏差的主要原因。

當(dāng)電容電壓偏差過大時(shí)會(huì)造成輸出電流波形畸變率增大，低次諧波含量增加；當(dāng)不平衡現(xiàn)象加劇時(shí)，甚至有可能造成功率開關(guān)器件損壞。所以要保證三電平變換器的性能，就必須保證中點(diǎn)電位的平衡。研究探究了中點(diǎn)平衡算法的平衡能力與調(diào)制度及功率因數(shù)角之間的關(guān)系，證明了中點(diǎn)平衡算法總是在調(diào)制度低于一個(gè)最大值 mmax 時(shí)才能實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的完全平衡，而 mmax 的大小與功率因數(shù)角密切相關(guān)，當(dāng)功率因數(shù)角為正負(fù) 90?時(shí)，mmax 值最小，即此時(shí)最難實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡。基于參考電壓矢量分解的簡化三電平算法可以使傳統(tǒng)的三電平空間矢量脈寬調(diào)制(space vectorpulse width modulation，SVPWM)算法的計(jì)算得到很大的簡化。研究提出一種簡化三電平SVPWM 算法，將三電平空間矢量里 6 個(gè)中矢量的頂點(diǎn)中相對(duì)面的兩個(gè)頂點(diǎn)兩兩相連，得到的三條線將該六邊形區(qū)域平均分成 6 個(gè)四邊形的扇區(qū)，該算法可以得到相應(yīng)的七段式開關(guān)序列，但簡單的七段式開關(guān)序列會(huì)造成明顯的中點(diǎn)電位不平衡。研究針對(duì)七段式開關(guān)序列在有些扇區(qū)存在的由于小矢量不成對(duì)出現(xiàn)造成的中點(diǎn)電位不平衡的問題，提出了一種九段式的開關(guān)序列，保證在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)小矢量總是成對(duì)出現(xiàn)的。這種方法在低調(diào)制度時(shí)會(huì)起到很好的中點(diǎn)平衡作用，但是在大功率應(yīng)用場合開關(guān)次數(shù)增多增加了開關(guān)損耗，同時(shí)在高調(diào)制度時(shí)這種方法基本起不到平衡作用。研究中提出了一種無電流傳感器的中點(diǎn)電位平衡控制方法，在兩個(gè)扇區(qū)的重疊區(qū)域，根據(jù)中點(diǎn)偏移情況選擇扇區(qū)，在非重疊區(qū)域，將一對(duì)冗余小矢量的作用時(shí)間完全分配給有利于中點(diǎn)平衡的小矢量。這種方法總體上能對(duì)中點(diǎn)平衡起到很好的效果，但是無電流傳感器在個(gè)別情況可能會(huì)造成誤調(diào)節(jié)，而非重疊區(qū)域?qū)⒁粚?duì)冗余小矢量的作用時(shí)間完全分配給一個(gè)有利于中點(diǎn)平衡的小矢量，不能實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的精確調(diào)節(jié)，同時(shí)兩個(gè)開關(guān)周期銜接時(shí)有可能產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上開關(guān)器件同時(shí)動(dòng)作的情況，增加開關(guān)損耗。研究中提出了一種計(jì)算冗余小矢量時(shí)間控制因子的中點(diǎn)電位平衡方法，這種方法可以起到一定的中點(diǎn)平衡作用，但是在小矢量不成對(duì)出現(xiàn)的情況下，沒有充分發(fā)揮非冗余小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的調(diào)節(jié)作用，在中點(diǎn)偏差過大時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的完全 平 衡。研究提 出 了 一 種 針 對(duì) 基 于 傳 統(tǒng)SVPWM 算法和虛擬矢量調(diào)制算法相結(jié)合的調(diào)制算法的中點(diǎn)平衡方法，根據(jù)不同的情況設(shè)置扇區(qū)分配規(guī)則并計(jì)算冗余矢量的時(shí)間控制因子從而實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡，但該方法過于繁雜，魯棒性較差。

三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡原理

1.簡化三電平 SVPWM 及中點(diǎn)電位偏移原理

三相三電平 PWM 逆變器拓?fù)鋱D如圖所示。對(duì)于三電平變換器，在采用 SVPWM 進(jìn)行調(diào)制時(shí)，定義其開關(guān)狀態(tài)Si如圖

三相三電平 PWM 逆變器拓?fù)鋱D

所以可選擇開關(guān)狀態(tài)共有 27 種，對(duì)應(yīng)的矢量為 19 種。其中零矢量 1 個(gè)，對(duì)應(yīng)的3 種開關(guān)狀態(tài)與電容中點(diǎn)無連接，對(duì)中點(diǎn)電位沒有影響；6 個(gè)大矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)使三相輸出和正負(fù)母線相連，與中點(diǎn)沒有連接，不影響中點(diǎn)電位；6 個(gè)中矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，其中點(diǎn)總是與某相電流相連，且電流總是從中點(diǎn)流向某一相輸出端，造成中點(diǎn)電位不平衡；6 個(gè)小矢量每個(gè)對(duì)應(yīng) 2 種開關(guān)狀態(tài)，2 種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著方向相反的中點(diǎn)電流，所以小矢量會(huì)造成中點(diǎn)電位的不平衡，但是可以通過其冗余的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)平衡。

綜上所述，零矢量和大矢量對(duì)中點(diǎn)電位沒有影響；中矢量會(huì)造成中點(diǎn)電位的不平衡，但是中矢量是不可控的；小矢量也會(huì)造成中點(diǎn)電位的不平衡，但可以利用其冗余性實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡控制。

三電平空間矢量可以看成由 6 個(gè)小六邊形相互重疊組成，而每個(gè)小六邊形則代表傳統(tǒng)的兩電平矢量圖。對(duì)于一個(gè)給定的參考電壓矢量，一定會(huì)落在一個(gè)小六邊形扇區(qū)中，用S表示扇區(qū)號(hào)，扇區(qū)中的小三角形的編號(hào)用N表示。定義調(diào)制度m U=| | /( 3 / 3 )

U

ref dc ，其中

U

ref 為參考電壓矢量。三電平空間矢量的線性調(diào)制區(qū)域被由m1=0.5、m2=0.577 和m3=1 構(gòu)成的 3個(gè)圓分成 3 個(gè)部分。當(dāng) 0≤m≤0.5 時(shí)，

U

ref 所在區(qū)域同時(shí)屬于兩個(gè)相鄰的扇區(qū)，扇區(qū)號(hào)S值有兩種選擇，且七段式開關(guān)序列中只會(huì)用到小矢量和零矢量；當(dāng) 0.5U

ref 所在區(qū)域可能同時(shí)屬于兩個(gè)相鄰扇區(qū)的重疊區(qū)域，開關(guān)序列中會(huì)用到小矢量和中矢量，也可能只屬于一個(gè)扇區(qū)，開關(guān)序列中會(huì)用到小矢量、中矢量和大矢量。

2. 0≤

m

≤0.5 時(shí)基于扇區(qū)選擇的中點(diǎn)平衡算法

當(dāng) 0≤m≤0.5 時(shí)，

U

ref 所在區(qū)域肯定是兩個(gè)相鄰扇區(qū)的重疊區(qū)域。選擇七段式開關(guān)序列，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)會(huì)用到 3 個(gè)小矢量和 1 個(gè)零矢量，其中零矢量對(duì)中點(diǎn)電位沒有影響，一對(duì)冗余小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響相互抵消，而沒有成對(duì)使用的小矢量即非冗余小矢量決定了開關(guān)周期內(nèi)流過中點(diǎn)的電流。在此調(diào)制度范圍內(nèi)，從平衡中點(diǎn)電位的角度出發(fā)，對(duì)重疊區(qū)域小三角形的扇區(qū)歸屬進(jìn)行選擇，調(diào)整所用到的非冗余小矢量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位平衡的目的。以

U

ref 落在陰影小三角形為例，矢量分解時(shí)選擇的扇區(qū)可以是S=1(N=3)或S=2(N=5)，對(duì)應(yīng)著兩種不同的七段式開關(guān)序列，可得到選擇不同的扇區(qū)對(duì)應(yīng)的矢量作用順序及作用時(shí)間。對(duì)于兩種扇區(qū)選擇方法，當(dāng)S=1、N=3，小矢量 001 會(huì)造成中點(diǎn)偏移，對(duì)應(yīng)中點(diǎn)電流為 C 相電流。對(duì)于S=2，N=5，小矢量 100 會(huì)造成中點(diǎn)偏移，對(duì)應(yīng)中點(diǎn)電流為 A 相電流。對(duì)比二者可以發(fā)現(xiàn)，兩者的小矢量對(duì)應(yīng)的流過中點(diǎn)的電流是不同的，造成的中點(diǎn)偏移的效果也不同。定義電流從逆變器流向電機(jī)為正，ia、ib、ic 分別對(duì)應(yīng) A、B、C 三相輸出電流。則小矢量在兩個(gè)扇區(qū)不同情況下對(duì)中點(diǎn)電位造成的影響。定義正母線到中點(diǎn)的電壓為Udc1，中點(diǎn)到負(fù)母線的電壓為Udc2，理想的情況下即中點(diǎn)平衡時(shí)Udc1=Udc2。仍以

U

ref 落在陰影小三角形為例進(jìn)行分析。如果中點(diǎn)電位偏高，即Udc1

①當(dāng)ia>0 且ic>0 時(shí)，選擇兩個(gè)扇區(qū)都會(huì)對(duì)中點(diǎn)起到抬升作用，需要選擇抬升作用更微弱的扇區(qū)，若ia>ic，選擇S=1；若ic>ia，選擇S=2。?②當(dāng)ia>0 且ic<0 時(shí)，選擇扇區(qū)S=1 會(huì)降低中點(diǎn)電位，選擇扇區(qū)S=2 會(huì)抬升中點(diǎn)電位，因而選擇S=1。?③當(dāng)ia<0 且ic>0 時(shí)，選擇扇區(qū)S=2 會(huì)降低中點(diǎn)電位，選擇扇區(qū)S=1 會(huì)抬升中點(diǎn)電位，因而選擇S=2。?④當(dāng)ia<0 且ic<0 時(shí)，兩個(gè)扇區(qū)都會(huì)中點(diǎn)起到降低作用，需要選擇降低作用更明顯的扇區(qū)，若ia>ic，選擇S=1；若ic>ia，選擇S=2。

多電平 SVM

基于多電平的中壓逆變技術(shù)是目前大功率傳動(dòng)、電力系統(tǒng)柔性輸電等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。由 于 多 電 平 逆 變 器 的 電 平 數(shù) 較 多，其 脈 寬 調(diào) 制（ Pulse Width Modulation, PWM）技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)兩電平逆變器復(fù)雜得多，目前常用的 PWM 調(diào)制技術(shù)主要有：空間矢量調(diào)制（ Space Vector Modulation,SVM），載波調(diào)制（ Carrier-Based PWM），特定諧波消除調(diào)制（ Selected Harmonics EliminationPWM, SHE-PWM），以及一些合成的 PWM 調(diào)制方法。多電平 SVM 調(diào)制在三相三線制逆變器中具有明顯優(yōu)勢，因?yàn)樗紫韧ㄟ^矢量的方式列出多電平逆變器所有可能輸出的開關(guān)組合，然后根據(jù)參考電壓矢量所在位置選擇最合理的 PWM 開關(guān)組合進(jìn)行

調(diào)制。這種方法可以充分利用多電平逆變器的各種共模分量，包括三相系統(tǒng)中的零序分量和各單相調(diào)制單元間的共模分量。但是隨著電平數(shù)的增多，逆變器可以輸出的開關(guān)組合越來越多，使得開關(guān)組合的選擇變得非常困難。另外，電平數(shù)的增多已經(jīng)大大優(yōu)化了輸出電壓波形，使得調(diào)制方式對(duì)輸出電壓的優(yōu)化作用不再明顯，因此在大于三電平的逆變器中載波調(diào)制應(yīng)用較多，它的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，幾乎不會(huì)因?yàn)殡娖綌?shù)的增多而增加復(fù)雜程度。

三電平 SVM 的共模分量

三電平的 SVM 調(diào)制不能用傳統(tǒng)的零序分量注入來等效，本節(jié)利用三電平調(diào)制的分解方法，拓寬共模分量注入法，找出了三電平 SVM 和載波調(diào)制的等效關(guān)系。由于三電平逆變器每相可以輸出三個(gè)電平?1、 0、 1，其 PWM 調(diào)制方式可以分解為兩組調(diào)制單元：一組在電平1 和 0 之間進(jìn)行，另一組在0 和 1 之間進(jìn)行。與此對(duì)應(yīng)三電平 PWM 有兩個(gè)調(diào)制波。因此，三電平 PWM 的調(diào)制波中的共模分量不僅包括三相零序分量，還包括每一相的兩個(gè)調(diào)制單元間的共模分量。因此，三電平 SVM 的調(diào)制波可以通過以下兩個(gè)步驟來獲得：

（1）在三相正弦波調(diào)制波中注入零序分量，三電平 SVM 調(diào)制波中的零序分量與兩電平一致。?（2）在每一相的兩個(gè)調(diào)制波中注入共模分量。先將每相三電平調(diào)制波分解為兩個(gè)：一個(gè)稱為正調(diào)制波，另一個(gè)稱為負(fù)調(diào)制波。

由于在 SVM 的調(diào)制中，開關(guān)組合的選擇還可以有更多的自由度，因此共模分量的注入也可以更加靈活，主要包括以下三個(gè)方面： ? （1）在兩電平矢量 SVM 的計(jì)算時(shí)，假設(shè)了零矢量的兩個(gè)開關(guān)組合持續(xù)時(shí)間相同。實(shí)際上為了減少開關(guān)次數(shù)，也可以任選零矢量的一種開關(guān)組合，對(duì)于這種方法，也可以用前文類似的方法獲得該方法下的零序分量m1。 ? （2）三電平的短矢量（如 I 扇區(qū)的

U

1 和

U

2）包含兩個(gè)開關(guān)組合，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三電平中點(diǎn)電位的控制，這兩個(gè)開關(guān)組合的持續(xù)時(shí)間往往不完全相同，因此在注入共模分量ma2、mb2 和mc2 時(shí)，需要根據(jù)中點(diǎn)電位的偏向?qū)材７至窟M(jìn)行修正。 ? （3）三電平矢量中的零矢量包括三個(gè)冗余開關(guān)組合，因此當(dāng)參考矢量在 A 區(qū)和 B 區(qū)時(shí)，如果選擇更多的開關(guān)組合，則可以使用類似的方法在調(diào)制波中再次注入共模分量。但是在三電平中零矢量冗余開關(guān)組合的選擇很少使用。

因此，兩電平載波調(diào)制與 SVM 調(diào)制的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)若在調(diào)制波中注入三相零序分量，則兩電平載波調(diào)制可以與兩電平 SVM 調(diào)制等效。進(jìn)一步對(duì)三電平載波調(diào)制進(jìn)行分解，并在調(diào)制波中兩次注入共模分量，則三電平載波調(diào)制可以與三電平SVM 等效。