三電平拓撲結(jié)構(gòu)相對于兩電平在性能上有很多優(yōu)勢，但是也存在中點電位不平衡這一固有問題。基于簡化的三電平空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)，提出一種混合式的三電平中點平衡控制策略。該控制策略在低調(diào)制度下，根據(jù)中點電壓偏移情況，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偏移；高調(diào)制度下，充分考慮中矢量對中點偏移的影響，對不同的小三角形設(shè)置不同的時間控制因子，實現(xiàn)對中點電位平衡的精細化控制。

中文名

三電平

外文名

Three level

拼音

sān diàn píng

優(yōu)點

輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小

簡介

三電平拓撲結(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，使得三電平結(jié)構(gòu)在高壓大功率交流電機變頻調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。研究對不同負載情況下影響中點電位的因素進行了分析，將中點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載時輸出的負序電流和接非線性負載時電流的奇次諧波都會造成中點電位的低頻振蕩；接非線性負載時電流的偶次諧波會造成中點電位的偏移，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會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，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，就必須保證中點電位的平衡。研究探究了中點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，證明了中點平衡算法總是在調(diào)制度低于一個最大值 mmax 時才能實現(xiàn)中點電位的完全平衡，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 90?時，mmax 值最小，即此時最難實現(xiàn)中點電位平衡。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 個中矢量的頂點中相對面的兩個頂點兩兩相連，得到的三條線將該六邊形區(qū)域平均分成 6 個四邊形的扇區(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)序列會造成明顯的中點電位不平衡。研究針對七段式開關(guān)序列在有些扇區(qū)存在的由于小矢量不成對出現(xiàn)造成的中點電位不平衡的問題，提出了一種九段式的開關(guān)序列，保證在一個開關(guān)周期內(nèi)小矢量總是成對出現(xiàn)的。這種方法在低調(diào)制度時會起到很好的中點平衡作用，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，同時在高調(diào)制度時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電位平衡控制方法，在兩個扇區(qū)的重疊區(qū)域，根據(jù)中點偏移情況選擇扇區(qū)，在非重疊區(qū)域，將一對冗余小矢量的作用時間完全分配給有利于中點平衡的小矢量。這種方法總體上能對中點平衡起到很好的效果，但是無電流傳感器在個別情況可能會造成誤調(diào)節(jié)，而非重疊區(qū)域?qū)⒁粚θ哂嘈∈噶康淖饔脮r間完全分配給一個有利于中點平衡的小矢量，不能實現(xiàn)中點電位的精確調(diào)節(jié)，同時兩個開關(guān)周期銜接時有可能產(chǎn)生兩個或兩個以上開關(guān)器件同時動作的情況，增加開關(guān)損耗。研究中提出了一種計算冗余小矢量時間控制因子的中點電位平衡方法，這種方法可以起到一定的中點平衡作用，但是在小矢量不成對出現(xiàn)的情況下，沒有充分發(fā)揮非冗余小矢量對中點電位的調(diào)節(jié)作用，在中點偏差過大時，不能實現(xiàn)中點電位的完全 平 衡。研究提 出 了 一 種 針 對 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)則并計算冗余矢量的時間控制因子從而實現(xiàn)中點電位的平衡，但該方法過于繁雜，魯棒性較差。

三電平逆變器中點電位平衡原理

1.簡化三電平 SVPWM 及中點電位偏移原理

三相三電平 PWM 逆變器拓撲圖如圖所示。對于三電平變換器，在采用 SVPWM 進行調(diào)制時，定義其開關(guān)狀態(tài)Si如圖

三相三電平 PWM 逆變器拓撲圖

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

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

三電平空間矢量可以看成由 6 個小六邊形相互重疊組成，而每個小六邊形則代表傳統(tǒng)的兩電平矢量圖。對于一個給定的參考電壓矢量，一定會落在一個小六邊形扇區(qū)中，用S表示扇區(qū)號，扇區(qū)中的小三角形的編號用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個圓分成 3 個部分。當(dāng) 0≤m≤0.5 時，

U

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

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

2. 0≤

m

≤0.5 時基于扇區(qū)選擇的中點平衡算法

當(dāng) 0≤m≤0.5 時，

U

ref 所在區(qū)域肯定是兩個相鄰扇區(qū)的重疊區(qū)域。選擇七段式開關(guān)序列，一個開關(guān)周期內(nèi)會用到 3 個小矢量和 1 個零矢量，其中零矢量對中點電位沒有影響，一對冗余小矢量對中點電位的影響相互抵消，而沒有成對使用的小矢量即非冗余小矢量決定了開關(guān)周期內(nèi)流過中點的電流。在此調(diào)制度范圍內(nèi)，從平衡中點電位的角度出發(fā)，對重疊區(qū)域小三角形的扇區(qū)歸屬進行選擇，調(diào)整所用到的非冗余小矢量，從而達到調(diào)節(jié)中點電位平衡的目的。以

U

ref 落在陰影小三角形為例，矢量分解時選擇的扇區(qū)可以是S=1(N=3)或S=2(N=5)，對應(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)對應(yīng)的矢量作用順序及作用時間。對于兩種扇區(qū)選擇方法，當(dāng)S=1、N=3，小矢量 001 會造成中點偏移，對應(yīng)中點電流為 C 相電流。對于S=2，N=5，小矢量 100 會造成中點偏移，對應(yīng)中點電流為 A 相電流。對比二者可以發(fā)現(xiàn)，兩者的小矢量對應(yīng)的流過中點的電流是不同的，造成的中點偏移的效果也不同。定義電流從逆變器流向電機為正，ia、ib、ic 分別對應(yīng) A、B、C 三相輸出電流。則小矢量在兩個扇區(qū)不同情況下對中點電位造成的影響。定義正母線到中點的電壓為Udc1，中點到負母線的電壓為Udc2，理想的情況下即中點平衡時Udc1=Udc2。仍以

U

ref 落在陰影小三角形為例進行分析。如果中點電位偏高，即Udc1

①當(dāng)ia>0 且ic>0 時，選擇兩個扇區(qū)都會對中點起到抬升作用，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，選擇扇區(qū)S=1 會降低中點電位，選擇扇區(qū)S=2 會抬升中點電位，因而選擇S=1。?③當(dāng)ia<0 且ic>0 時，選擇扇區(qū)S=2 會降低中點電位，選擇扇區(qū)S=1 會抬升中點電位，因而選擇S=2。?④當(dāng)ia<0 且ic<0 時，兩個扇區(qū)都會中點起到降低作用，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、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，因為它首先通過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，它的實現(xiàn)相對簡單，幾乎不會因為電平數(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 之間進行，另一組在0 和 1 之間進行。與此對應(yīng)三電平 PWM 有兩個調(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：一個稱為正調(diào)制波，另一個稱為負調(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，主要包括以下三個方面： ? （1）在兩電平矢量 SVM 的計算時，假設(shè)了零矢量的兩個開關(guān)組合持續(xù)時間相同。實際上為了減少開關(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）包含兩個開關(guān)組合，為了實現(xiàn)對三電平中點電位的控制，這兩個開關(guān)組合的持續(xù)時間往往不完全相同，因此在注入共模分量ma2、mb2 和mc2 時，需要根據(jù)中點電位的偏向?qū)材７至窟M行修正。 ? （3）三電平矢量中的零矢量包括三個冗余開關(guān)組合，因此當(dāng)參考矢量在 A 區(qū)和 B 區(qū)時，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。進一步對三電平載波調(diào)制進行分解，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。