0    引言

    二極管中點(diǎn)箝位型逆變器[1]是最近研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，另外，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個(gè)電平，因此輸出波形質(zhì)量高。因而這種結(jié)構(gòu)變換器在高性能、中高電壓的變頻調(diào)速，有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是，這種變換器采用兩個(gè)電容串聯(lián)來(lái)產(chǎn)生三個(gè)電平，由于開關(guān)器件本身特性的不一致和變換器能量轉(zhuǎn)換時(shí)中點(diǎn)電位參與能量的傳輸，因此，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電容電壓分壓不均的問(wèn)題，即中點(diǎn)平衡問(wèn)題。如果中點(diǎn)電位不平衡，在交流輸出側(cè)會(huì)產(chǎn)生低次諧波，使逆變器的輸出效率變低，同時(shí)諧波還會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的調(diào)速性能；另外，逆變器某些開關(guān)管承受的電壓增高，降低了系統(tǒng)的可靠性；最后，中點(diǎn)電位波動(dòng)降低了直流側(cè)電容的壽命。

    國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)問(wèn)題作了不少的研究，提出了不少的方法。載波SPWM方法中平衡中點(diǎn)電位一般都是在調(diào)制波中注入適當(dāng)零序分量。文獻(xiàn)[2]中注入三次零序分量來(lái)平衡中點(diǎn)電位，文獻(xiàn)[3]中提出了一種注入零序電壓的分析算法。空間矢量方法中平衡中點(diǎn)電位的方法[4]歸納起來(lái)主要有以下幾種：

    1）開環(huán)被動(dòng)控制    在每一個(gè)新開關(guān)周期，小矢量的P，N狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種方法只有在平衡負(fù)載的情況下能夠較好控制中點(diǎn)電位，其動(dòng)態(tài)調(diào)整特性不好；

    2）滯環(huán)型控制    是目前應(yīng)用最多的一種閉環(huán)控制方法，在檢測(cè)每相電流方向基礎(chǔ)之上，通過(guò)選擇小矢量P，N狀態(tài)使中點(diǎn)電位朝不平衡方向的相反方向來(lái)選擇，這種方法的缺點(diǎn)就是電流中有1/2開關(guān)頻率的紋波；

    3）有源控制    這種方法通過(guò)控制電流的調(diào)制因子，需要檢測(cè)中點(diǎn)電位不平衡的大小和相電流的幅度，好處就是沒(méi)有1/2開關(guān)頻率的紋波，但是，由于增加了其他的開關(guān)狀態(tài)從而增加了開關(guān)損耗，這種方法一般沒(méi)有滯環(huán)控制那么可靠。

    本文首先對(duì)三電平逆變器建模，分析造成三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的本質(zhì)原因。詳細(xì)地分析了整流和逆變兩種狀態(tài)下各類電壓矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響。討論了一種基于檢測(cè)中點(diǎn)電流方向和直流側(cè)電容電壓大小，來(lái)調(diào)整小矢量P，N狀態(tài)作用時(shí)間進(jìn)而平衡中點(diǎn)電位滯環(huán)控制方法。最后實(shí)驗(yàn)研究了該方法的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了滯環(huán)控制方法的有效性和可靠性。

1    三電平變換器的數(shù)學(xué)模型

    為建立三電平變換器的數(shù)學(xué)模型，作如下理想假設(shè)：

    1）直流側(cè)的輸入電源E_d是理想的恒定的直流電壓源；

    2）所有開關(guān)器件都是理想的開關(guān)，即所有開關(guān)器件沒(méi)有慣性和損耗；

    3）直流側(cè)電容也是理想元件，即無(wú)內(nèi)阻、無(wú)電感且C_dc1=C_dc2；

    4）變換器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率；

    5）變換器的負(fù)載是三相對(duì)稱感性負(fù)載。

    引入開關(guān)函數(shù)S_ij，其中i表示第i相(i=a，b，c)，j表示i相的開關(guān)接到哪個(gè)點(diǎn)（j=P，N，O），對(duì)中點(diǎn)箝位型的變換器建立等效模型如圖1所示。

圖1    三電平變換器等效開關(guān)模型

    對(duì)于直流側(cè)的節(jié)點(diǎn)0列電流關(guān)系方程得

    i_o=i_c1＋i_c2（1）

    i_c2=－C_dc2（2）

    i_c1=C_dc1（3）

    i_o=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（4）

    v_dc1＋v_dc2=E_d（5）

    由式（1）—式（5）可以得出

    i_o=2C_dc1=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（6）

    由式（6）不難看出，只要中點(diǎn)有電流，即只要三相中的三個(gè)開關(guān)有連接到中點(diǎn)0的時(shí)候就可能會(huì)影響中點(diǎn)的電位。而且從式（6）中也不難看出，中點(diǎn)電流的方向決定了中點(diǎn)電位漂移方向。

2    電壓空間矢量對(duì)直流電壓平衡的影響

    三相三電平逆變器有27種開關(guān)狀態(tài)，其中有效的電壓矢量為19種。圖2是開關(guān)狀態(tài)和電壓空間矢量對(duì)應(yīng)關(guān)系。按照電壓矢量幅值從小到大的原則，可以把這些向量分為4組,即零電壓矢量、小電壓矢量、中電壓矢量和大電壓矢量。其中零矢量V₀有3種開關(guān)狀態(tài)（－1－1－1）、（000）和（111）。小矢量V₁，V₄，V₇，V₁₀，V₁₃，V₁₆都有兩種不同的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)開關(guān)是接到P還是N把這種小矢量分為兩種不同的狀態(tài)：開關(guān)連接P和地的開關(guān)狀態(tài)為P狀態(tài)，如V_1p的開關(guān)狀態(tài)為（100）；開關(guān)連接地和N的狀態(tài)為N狀態(tài)，如V_1n的開關(guān)狀態(tài)為(0－1－1)。由此可知，只要中點(diǎn)電流i₀不為0，直流側(cè)的電容就會(huì)充放電，從而影響中點(diǎn)電位。在4類矢量中的零矢量，由于三相電位相等，所以中點(diǎn)不會(huì)有電流通過(guò)，因此不會(huì)影響中點(diǎn)電位。大矢量，由于中點(diǎn)根本就沒(méi)有參與能量的傳輸，因此也不會(huì)產(chǎn)生影響。中矢量和小矢量，中點(diǎn)會(huì)參與能量的傳輸，也即中點(diǎn)電流i_o不為零，所以都會(huì)影響中點(diǎn)電位。圖3是中點(diǎn)電流灌入和抽出兩種工作狀態(tài)下，中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響；圖4是中點(diǎn)電流灌入和抽出兩種狀態(tài)下小矢量P狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響；圖5是中點(diǎn)灌入和抽出兩種不同狀態(tài)下N狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響；圖6是同一小矢量P狀態(tài)情況下，在某相電流方向確定情況下對(duì)中點(diǎn)電位的影響。(圖中→及←表示中點(diǎn)電流的方向。↑及↓表示中點(diǎn)電位的上升和下降)。從圖3、圖4、圖5可以看出無(wú)論是小矢量還是中矢量，中點(diǎn)電流灌入的時(shí)候，中點(diǎn)電位上升，中點(diǎn)電流抽出的時(shí)候，中點(diǎn)電位下降。從圖6可以看出當(dāng)某相電流方向確定的時(shí)候，小矢量P，N狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響是相反的，這也是為什么可以通過(guò)選擇小矢量P，N狀態(tài)作用時(shí)間調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位平衡的原因。

圖2    三電平變換器的電壓空間矢量圖

(a)    電流灌入    (b)    電流抽出

圖3    中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響

(a)    電流灌入    (b)    電流抽出

圖4    小矢量P狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位影響的示意圖

(a)    電流灌入    (b)    電流抽出

圖5    小矢量N狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位影響的示意圖

(a)    V₁的P狀態(tài)    (b)    V₁的N狀態(tài)

圖6    同一小矢量PN狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電位的影響

3    滯環(huán)控制空間矢量控制方法[5]

    從前面的分析可知，根據(jù)中點(diǎn)電流的方向合理選擇小矢量P，N狀態(tài)可以平衡中點(diǎn)電位。假設(shè)中點(diǎn)電流抽出的時(shí)候?yàn)檎瑒t當(dāng)v_dc1－v_dc2>h，i_o<0或v_dc1－v_dc2<h，i_o>0時(shí)，合成參考電壓矢量的小矢量選P狀態(tài)；當(dāng)v_dc1－v_dc2>h，i_o>0或v_dc1－v_dc2i_o<0時(shí)，合成參考電壓矢量的小矢量選N狀態(tài)（其中h為滯環(huán)的寬度）。

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為了研究滯環(huán)控制方法的特點(diǎn)，建立了主電路如圖1的變換器，負(fù)載為2.2kW異步電動(dòng)機(jī)，開關(guān)管采用IRF840,反并二極管和箝位二極管采用MUR860。圖7為通常SVPWM方法直流側(cè)兩電容電壓的波形；圖8為滯環(huán)控制SVPWM方法的中點(diǎn)電位波形；圖9為滯環(huán)控制SVPWM方法輸出線電壓波形。

圖7    通常SVPWM方法的直流側(cè)兩電容電壓

5    結(jié)語(yǔ)

    中點(diǎn)箝位型的三電平變換器，雖然存在中點(diǎn)電位的不平衡問(wèn)題，但是，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ǎ悬c(diǎn)電位的不平衡問(wèn)題可以很好地得到抑制。因此，中點(diǎn)電位的不平衡問(wèn)題不會(huì)影響這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用。滯環(huán)控制的SVPWM方法，控制簡(jiǎn)單，平衡中點(diǎn)電位的效果好，是目前廣泛采用的一種控制方法。