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三电平变换器中点电压平衡问题的研究

时间：2024-01-11 07:54:25 其他范文收藏本文下载本文

三电平变换器中点电压平衡问题的研究（共4篇）由网友“星星的笑容”投稿提供，下面就是小编给大家整理后的三电平变换器中点电压平衡问题的研究，希望您能喜欢！

三电平变换器中点电压平衡问题的研究

篇1：三电平变换器中点电压平衡问题的研究

引言

二极管中点箝位型逆变器[1]是最近研究的一个热点。这种拓扑结构，每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的1/2，另外，由于相电压有三种电平状态，比传统的二电平逆变器多了一个电平，因此输出波形质量高。因而这种结构变换器在高性能、中高电压的变频调速，有源电力滤波装置和电力系统无功补偿等领域有着广泛的应用。但是，这种变换器采用两个电容串联来产生三个电平，由于开关器件本身特性的不一致和变换器能量转换时中点电位参与能量的传输，因此，会产生两个电容电压分压不均的问题，即中点平衡问题。如果中点电位不平衡，在交流输出侧会产生低次谐波，使逆变器的输出效率变低，同时谐波还会对电机产生脉动转矩，影响电机的调速性能；另外，逆变器某些开关管承受的电压增高，降低了系统的可靠性；最后，中点电位波动降低了直流侧电容的寿命。

图1

国内外学者对三电平逆变器中点问题作了不少的研究，提出了不少的方法。载波SPWM方法中平衡中点电位一般都是在调制波中注入适当零序分量。文献[2]中注入三次零序分量来平衡中点电位，文献[3]中提出了一种注入零序电压的分析算法。空间矢量方法中平衡中点电位的方法[4]归纳起来主要有以下几种：

1）开环被动控制在每一个新开关周期，小矢量的P，N状态进行转换，这种方法只有在平衡负载的情况下能够较好控制中点电位，其动态调整特性不好；

2）滞环型控制是目前应用最多的一种闭环控制方法，在检测每相电流方向基础之上，通过选择小矢量P，N状态使中点电位朝不平衡方向的相反方向来选择，这种方法的缺点就是电流中有1/2开关频率的纹波；

3）有源控制这种方法通过控制电流的调制因子，需要检测中点电位不平衡的大小和相电流的幅度，好处就是没有1/2开关频率的纹波，但是，由于增加了其他的开关状态从而增加了开关损耗，这种方法一般没有滞环控制那么可靠。

本文首先对三电平逆变器建模，分析造成三电平逆变器中点电位不平衡的本质原因。详细地分析了整流和逆变两种状态下各类电压矢量对中点电位的影响。讨论了一种基于检测中点电流方向和直流侧电容电压大小，来调整小矢量P，N状态作用时间进而平衡中点电位滞环控制方法。最后实验研究了该方法的效果，实验结果验证了滞环控制方法的有效性和可靠性。

图2

1三电平变换器的数学模型

为建立三电平变换器的数学模型，作如下理想假设：

1）直流侧的输入电源Ed是理想的恒定的直流电压源；

2）所有开关器件都是理想的开关，即所有开关器件没有惯性和损耗；

3）直流侧电容也是理想元件，即无内阻、无电感且Cdc1=Cdc2；

4）变换器的开关频率远大于基波频率；

5）变换器的负载是三相对称感性负载。

引入开关函数Sij，其中i表示第i相(i=a，b，c)，j表示i相的开关接到哪个点（j=P，N，O），对中点箝位型的变换器建立等效模型如图1所示。

对于直流侧的节点0列电流关系方程得

io=ic1＋ic2（1）

ic2=－Cdc2(dvdc2/dt)（2）

ic1=Cdc1(dvdc1/dt)（3）

io=Saoia＋Sboib＋Scoic（4）

vdc1＋vdc2=Ed（5）

由式（1）-式（5）可以得出

io=2Cdc1(dvdc1/dt)=Saoia＋Sboib＋Scoic（6）

由式（6）不难看出，只要中点有电流，即只要三相中的三个开关有连接到

中点0的时候就可能会影响中点的电位。而且从式（6）中也不难看出，中点电流的方向决定了中点电位漂移方向。

2电压空间矢量对直流电压平衡的影响

三相三电平逆变器有27种开关状态，其中有效的电压矢量为19种。图2是开关状态和电压空间矢量对应关系。按照电压矢量幅值从小到大的原则，可以把这些向量分为4组,即零电压矢量、小电压矢量、中电压矢量和大电压矢量。其中零矢量V0有3种开关状态（－1－1－1）、（000）和（111）。小矢量V1，V4，V7，V10，V13，V16都有两种不同的开关状态。根据开关是接到P还是N把这种小矢量分为两种不同的状态：开关连接P和地的开关状态为P状态，如V1p的开关状态为（100）；开关连接地和N的状态为N状态，如V1n的开关状态为(0－1－1)。由此可知，只要中点电流i0不为0，直流侧的电容就会充放电，从而影响中点电位。在4类矢量中的`零矢量，由于三相电位相等，所以中点不会有电流通过，因此不会影响中点电位。大矢量，由于中点根本就没有参与能量的传输，因此也不会产生影响。中矢量和小矢量，中点会参与能量的传输，也即中点电流io不为零，所以都会影响中点电位。图3是中点电流灌入和抽出两种工作状态下，中矢量对中点电位的影响；图4是中点电流灌入和抽出两种状态下小矢量P状态对中点电位的影响；图5是中点灌入和抽出两种不同状态下N状态对中点电位的影响；图6是同一小矢量P状态情况下，在某相电流方向确定情况下对中点电位的影响。(图中→及←表示中点电流的方向。↑及↓表示中点电位的上升和下降)。从图3、图4、图5可以看出无论是小矢量还是中矢量，中点电流灌入的时候，中点电位上升，中点电流抽出的时候，中点电位下降。从图6可以看出当某相电流方向确定的时候，小矢量P，N状态对中点电位的影响是相反的，这也是为什么可以通过选择小矢量P，N状态作用时间调节中点电位平衡的原因。

3滞环控制空间矢量控制方法

从前面的分析可知，根据中点电流的方向合理选择小矢量P，N状态可以平衡中点电位。假设中点电流抽出的时候为正，则当vdc1－vdc2>h，io<0或vdc1－vdc20时，合成参考电压矢量的小矢量选P状态；当vdc1－vdc2>h，io>0或vdc1－vdc2

4实验结果

为了研究滞环控制方法的特点，建立了主电路如图1的变换器，负载为2.2kW异步电动机，开关管采用IRF840,反并二极管和箝位二极管采用MUR860。图7为通常SVPWM方法直流侧两电容电压的波形；图8为滞环控制SVPWM方法的中

点电位波形；图9为滞环控制SVPWM方法输出线电压波形。

5结语

中点箝位型的三电平变换器，虽然存在中点电位的不平衡问题，但是，通过适当的方法，中点电位的不平衡问题可以很好地得到抑制。因此，中点电位的不平衡问题不会影响这种拓扑结构的应用。滞环控制的SVPWM方法，控制简单，平衡中点电位的效果好，是目前广泛采用的一种控制方法。

篇2：三电平变换器中点电压平衡问题的研究

三电平变换器中点电压平衡问题的研究

摘要：为了全面分析中点电位平衡问题，建立了一个三电平变换器的数学模型，分析了三电平变换器中点电位不平衡的原因，详细地讨论了空间矢量控制方法中不同矢量对中点电位的影响。最后，实验研究了一种基于检测直流侧中点电流的方向和直流侧电容电压的大小，来平衡中点电位的滞环控制方法。实验结果验证了该滞环控制方法平衡中点电位的有效性。

关键词：三电平变换器；中点电压平衡；空间矢量PWM

引言

图1

1）开环被动控制在每一个新开关周期，小矢量的P，N状态进行转换，这种方法只有在平衡负载的情况下能够较好控制中点电位，其动态调整特性不好；

2）滞环型控制是目前应用最多的`一种闭环控制方法，在检测每相电流方向基础之上，通过选择小矢量P，N状态使中点电位朝不平衡方向的相反方向来选择，这种方法的缺点就是电流中有1/2开关频率的纹波；

图2

1 三电平变换器的数学模型

为建立三电平变换器的数学模型，作如下理想假设：

[1] [2] [3]

篇3：中点箝位型三电平变换器SFOPWM方法的研究

中点箝位型三电平变换器SFOPWM方法的研究

摘要：介绍了中点箝位型三电平变换器中的一种典型载波PWM方法――开关频率优化PWM（SFOPWM），这种方法由于注入零序的三次三角波，调制比最大可以达到1.15；另外通过适当选择载波和调制波之间的相移可以减少开关次数。仿真和实验结果验证了该方法的特点。

关键词：中点箝位型三电平变换器；开关频率最优化脉宽调制

1概述

二极管中点箝位型三电平变换器[1]如图1所示。由于二极管的箝位，这种变换器中每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的一半，从而降低了开关过程的dv/dt，因此可以用低成本的低压器件实现中高容量的变换；另外，由于输出电压有三种电平，其谐波水平明显低于二电平变换器，因此可以简化输出滤波器的设计和降低EMI问题；最后这种变换器在实现中高容量的变换时没有工频变压器，节省了装置的体积，提高了系统的效率。因此，这种结构的变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。

本文从控制自由度的角度介绍了SFOPWM方法，这种方法由于在正弦调制波中注入零序三次分量，从而使电压利用率提高到1.15；另外，合理选择载波同调制波之间的相移可以减少开关次数。最后用MATLAB的SIMULINK工具仿真研究了SFOPWM的特性，实验结果验证了SFOPWM方法的特点。

图1

2SFOPWM技术

三电平逆变器载波技术，来源于两电平的SPWM技术，但是，由于三电平逆变器特殊的结构，三电平的载波技术又不同于两电平的载波技术。三电平逆变器中的开关管多，因此三电平逆变器的载波和调制波都可能不止一个，而且每一个载波和调制波都有多个控制自由度；这些载波和调制波的控制自由度至少有频率、幅值和调制波和载波之间的偏移量等。这些自由度的不同组合，将会产生多种载波PWM技术。其中最具代表性的有3种:分谐波PWM、开关频率优化PWM、三角载波移相PWM。而中点箝位型中最经常用到的就是分谐波PWM、开关频率优化PWM。开关频率最优化PWM方法因为其电压利用率高，开关频率优化等原因而得到了实际的应用。

三电平分谐波PWM方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。载波是n个具有同相位、同频率fc、相同的峰峰值Ac，且对称分布的三角波，参考信号是一个峰峰值为Am，频率为fm正弦信号。在三角载波和正弦波相交的时刻，如果正弦波的值大于载波的值，则开通相应的开关器件，否则相反。开关频率最优化的方法是由Steinke[2]提出的。这种方法是在分谐波基础之上增加了一个注入谐波的自由度而来的。它注入的是零序分量vzero和调制波的表达式如式（1）―式（4）所示：

式中：va=masin(2πfm＋Φ)；

ma为幅度调制比。

这种方法的原理如图2所示。这种控制方法的'最大调制比可以达到1.15，由于每相的调制波都注入谐波，因此它只能用于三相系统中。

3载波和调制波相移角Φ对开关次数的影响

TolbertLeonM研究了载波和调制波相移角同频率调制比mf之间的关系，得出了关于相移角对开关次数影响的三条规律[3]：

1）如果频率调制比mf为16的倍数的时候，载波和调制波之间的相移对一个周期内总的开关次数没有影响，即开关次数不受Φ的影响；

2）如果载波频率mf是偶数的时候，一个调制周期内，最大的开关次数是2mf。开关次数Nsw=2mf－2j(其中j=0,1,2,3，j的具体值取决于mf）；

3）如果载波频率mf是奇数的时候，一个调制周期内，开关的最大次数是可以大于2mf，开关次数Nsw=2mf－2j(其中j=0,±1,±2,

j的具体值取决于mf)。

通过适当选择频率调制比、幅度调制比和相移角，则开关次数可以减少35％。

4仿真研究

为了研究SFOPWM方法注入的零序分量特点和SFOPWM方法的特性，建立了主电路结构同图1的仿真模型。图3是幅度调制比ma=0.9和1.1时候的调制波和注入的零序分量。从图3可以看出，SFOPWM方法的调制波是3次三角波，其幅值与调制比ma有关系。图4是开关频率fc=10kHz时输出的相电压、线电压波形。

5实验结果

为了验证仿真结果和SFOPWM的特点，建立了实验模型，其中开关管采用IRF840，二极管采用MUR860，开关频率为10kHz。图5是幅度调制输出的相电压、线电压波形，图6是经过简单LC滤波后的波形（其中滤波电感L=1mH，滤波电容C=1μF）。

6结语

开关频率最优化（SFOPWM）方法由于注入零序的三次三角波，调制比最大可以达到1.15；另外通过适当选择载波和调制波之间的相移可以减少开关次数，从而减少开关损耗。实验和仿真结果都验证了SFOPWM方法的特点。中点箝位型三电平特殊结构，为PWM控制方法提供了更多的自由度，SFOPWM方法只是其中之一，研究这些自由度可以获得工作特性更好的PWM方法。

篇4：中点箝位型三电平变换器SFOPWM方法的研究

中点箝位型三电平变换器SFOPWM方法的研究

关键词：中点箝位型三电平变换器；开关频率最优化脉宽调制

1 概述

图1

2 SFOPWM技术

三电平分谐波PWM方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。载波是n个具有同相位、同频率fc、相同的峰峰值Ac，且对称分布的.三角波，参考信号是一个峰峰值为Am，频率为fm正弦信号。在三角载波和正弦波相交的时刻，如果正弦波的值大于载波的值，则开通相应的开关器件，否则相反。开关频率最优化的方法是由Steinke[2]提出的。这种方法是在分谐波基础之上增加了一个注入谐波的自由度而来的。它注入的是零序分量vzero和调制波的表达式如式（1）―式（4）所示：

式中：va=masin(2πfm＋Φ)；

ma为幅度调制比。

这种方法的原理如图2所示。这种控制方法的最大调制比可以达到1.15，由于每相的调制波都注入谐波，因此它只能用于三相系统中。

3 载波和调制波相移角Φ对开关次数的影响

[1] [2]

★ 基于TH71101的FSK/ASK数字接收电路设计