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三電平變換器中點(diǎn)電壓平衡問題的研究
摘要：為了全面分析中點(diǎn)電位平衡問題，建立了一個三電平變換器的數(shù)學(xué)模型，分析了三電平變換器中點(diǎn)電位不平衡的原因，詳細(xì)地討論了空間矢量控制方法中不同矢量對中點(diǎn)電位的影響。最后，實驗研究了一種基于檢測直流側(cè)中點(diǎn)電流的方向和直流側(cè)電容電壓的大小，來平衡中點(diǎn)電位的滯環(huán)控制方法。實驗結(jié)果驗證了該滯環(huán)控制方法平衡中點(diǎn)電位的有效性。關(guān)鍵詞：三電平變換器；中點(diǎn)電壓平衡；空間矢量PWM
引言
二極管中點(diǎn)箝位型逆變器[1]是最近研究的一個熱點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個功率開關(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電容串聯(lián)來產(chǎn)生三個電平，由于開關(guān)器件本身特性的不一致和變換器能量轉(zhuǎn)換時中點(diǎn)電位參與能量的傳輸，因此，會產(chǎn)生兩個電容電壓分壓不均的問題，即中點(diǎn)平衡問題。如果中點(diǎn)電位不平衡，在交流輸出側(cè)會產(chǎn)生低次諧波，使逆變器的輸出效率變低，同時諧波還會對電機(jī)產(chǎn)生脈動轉(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)電位波動降低了直流側(cè)電容的壽命。
圖1
國內(nèi)外學(xué)者對三電平逆變器中點(diǎn)問題作了不少的研究，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�？臻g矢量方法中平衡中點(diǎn)電位的方法[4]歸納起來主要有以下幾種：
1）開環(huán)被動控制在每一個新開關(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，在檢測每相電流方向基礎(chǔ)之上，通過選擇小矢量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控制電流的調(diào)制因子，需要檢測中點(diǎn)電位不平衡的大小和相電流的幅度，好處就是沒有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，這種方法一般沒有滯環(huán)控制那么可靠。
本文首先對三電平逆變器建模，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)下各類電壓矢量對中點(diǎn)電位的影響。討論了一種基于檢測中點(diǎn)電流方向和直流側(cè)電容電壓大小，來調(diào)整小矢量P，N狀態(tài)作用時間進(jìn)而平衡中點(diǎn)電位滯環(huán)控制方法。最后實驗研究了該方法的效果，實驗結(jié)果驗證了滯環(huán)控制方法的有效性和可靠性。
圖2
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] [2] [3]
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