三電平拓撲結構相對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(wèn)題?；诤?jiǎn)化的三電平空間矢量脈寬調制(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。該控制策略在低調制度下，根據中點(diǎn)電壓偏移情況，結合三相電流，明確重疊區域的扇區選擇原則，克服非冗余小矢量造成的中點(diǎn)偏移；高調制度下，充分考慮中矢量對中點(diǎn)偏移的影響，對不同的小三角形設置不同的時(shí)間控制因子，實(shí)現對中點(diǎn)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(diǎn)

輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小

簡(jiǎn)介

三電平拓撲結構具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，使得三電平結構在高壓大功率交流電機變頻調速領(lǐng)域得到了廣泛的應用。研究對不同負載情況下影響中點(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(xiàn)性負載時(shí)輸出的負序電流和接非線(xiàn)性負載時(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(xiàn)性負載時(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。

當電容電壓偏差過(guò)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；當不平衡現象加劇時(shí)，甚至有可能造成功率開(kāi)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制度及功率因數角之間的關(guān)系，證明了中點(diǎn)平衡算法總是在調制度低于一個(gè)最大值 mmax 時(shí)才能實(shí)現中點(diǎn)電位的完全平衡，而 mmax 的大小與功率因數角密切相關(guān)，當功率因數角為正負 90?時(shí)，mmax 值最小，即此時(shí)最難實(shí)現中點(diǎn)電位平衡?；趨⒖茧妷菏噶糠纸獾暮?jiǎn)化三電平算法可以使傳統的三電平空間矢量脈寬調制(space vectorpulse width modulation，SVPWM)算法的計算得到很大的簡(jiǎn)化。研究提出一種簡(jiǎn)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)中相對面的兩個(gè)頂點(diǎn)兩兩相連，得到的三條線(xiàn)將該六邊形區域平均分成 6 個(gè)四邊形的扇區，該算法可以得到相應的七段式開(kāi)關(guān)序列，但簡(jiǎn)單的七段式開(kāi)關(guān)序列會(huì )造成明顯的中點(diǎn)電位不平衡。研究針對七段式開(kāi)關(guān)序列在有些扇區存在的由于小矢量不成對出現造成的中點(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題，提出了一種九段式的開(kāi)關(guān)序列，保證在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內小矢量總是成對出現的。這種方法在低調制度時(shí)會(huì )起到很好的中點(diǎn)平衡作用，但是在大功率應用場(chǎng)合開(kāi)關(guān)次數增多增加了開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)在高調制度時(shí)這種方法基本起不到平衡作用。研究中提出了一種無(wú)電流傳感器的中點(diǎn)電位平衡控制方法，在兩個(gè)扇區的重疊區域，根據中點(diǎn)偏移情況選擇扇區，在非重疊區域，將一對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中點(diǎn)平衡起到很好的效果，但是無(wú)電流傳感器在個(gè)別情況可能會(huì )造成誤調節，而非重疊區域將一對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)現中點(diǎn)電位的精確調節，同時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期銜接時(shí)有可能產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上開(kāi)關(guān)器件同時(shí)動(dòng)作的情況，增加開(kāi)關(guān)損耗。研究中提出了一種計算冗余小矢量時(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出現的情況下，沒(méi)有充分發(fā)揮非冗余小矢量對中點(diǎn)電位的調節作用，在中點(diǎn)偏差過(guò)大時(shí)，不能實(shí)現中點(diǎn)電位的完全 平 衡。研究提 出 了 一 種 針 對 基 于 傳 統SVPWM 算法和虛擬矢量調制算法相結合的調制算法的中點(diǎn)平衡方法，根據不同的情況設置扇區分配規則并計算冗余矢量的時(shí)間控制因子從而實(shí)現中點(diǎn)電位的平衡，但該方法過(guò)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(jiǎn)化三電平 SVPWM 及中點(diǎn)電位偏移原理

三相三電平 PWM 逆變器拓撲圖如圖所示。對于三電平變換器，在采用 SVPWM 進(jìn)行調制時(shí)，定義其開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)共有 27 種，對應的矢量為 19 種。其中零矢量 1 個(gè)，對應的3 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電容中點(diǎn)無(wú)連接，對中點(diǎn)電位沒(méi)有影響；6 個(gè)大矢量對應的開(kāi)關(guān)狀態(tài)使三相輸出和正負母線(xiàn)相連，與中點(diǎn)沒(méi)有連接，不影響中點(diǎn)電位；6 個(gè)中矢量對應的開(kāi)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)對應 2 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，2 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對應著(zhù)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(guò)其冗余的開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現平衡。

綜上所述，零矢量和大矢量對中點(diǎn)電位沒(méi)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的兩電平矢量圖。對于一個(gè)給定的參考電壓矢量，一定會(huì )落在一個(gè)小六邊形扇區中，用S表示扇區號，扇區中的小三角形的編號用N表示。定義調制度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(xiàn)性調制區域被由m1=0.5、m2=0.577 和m3=1 構成的 3個(gè)圓分成 3 個(gè)部分。當 0≤m≤0.5 時(shí)，

U

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

ref 所在區域可能同時(shí)屬于兩個(gè)相鄰扇區的重疊區域，開(kāi)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，開(kāi)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)基于扇區選擇的中點(diǎn)平衡算法

當 0≤m≤0.5 時(shí)，

U

ref 所在區域肯定是兩個(gè)相鄰扇區的重疊區域。選擇七段式開(kāi)關(guān)序列，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內會(huì )用到 3 個(gè)小矢量和 1 個(gè)零矢量，其中零矢量對中點(diǎn)電位沒(méi)有影響，一對冗余小矢量對中點(diǎn)電位的影響相互抵消，而沒(méi)有成對使用的小矢量即非冗余小矢量決定了開(kāi)關(guān)周期內流過(guò)中點(diǎn)的電流。在此調制度范圍內，從平衡中點(diǎn)電位的角度出發(fā)，對重疊區域小三角形的扇區歸屬進(jìn)行選擇，調整所用到的非冗余小矢量，從而達到調節中點(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)選擇的扇區可以是S=1(N=3)或S=2(N=5)，對應著(zhù)兩種不同的七段式開(kāi)關(guān)序列，可得到選擇不同的扇區對應的矢量作用順序及作用時(shí)間。對于兩種扇區選擇方法，當S=1、N=3，小矢量 001 會(huì )造成中點(diǎn)偏移，對應中點(diǎn)電流為 C 相電流。對于S=2，N=5，小矢量 100 會(huì )造成中點(diǎn)偏移，對應中點(diǎn)電流為 A 相電流。對比二者可以發(fā)現，兩者的小矢量對應的流過(guò)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為正，ia、ib、ic 分別對應 A、B、C 三相輸出電流。則小矢量在兩個(gè)扇區不同情況下對中點(diǎn)電位造成的影響。定義正母線(xiàn)到中點(diǎn)的電壓為Udc1，中點(diǎn)到負母線(xiàn)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ia>0 且ic>0 時(shí)，選擇兩個(gè)扇區都會(huì )對中點(diǎn)起到抬升作用，需要選擇抬升作用更微弱的扇區，若ia>ic，選擇S=1；若ic>ia，選擇S=2。?②當ia>0 且ic<0 時(shí)，選擇扇區S=1 會(huì )降低中點(diǎn)電位，選擇扇區S=2 會(huì )抬升中點(diǎn)電位，因而選擇S=1。?③當ia<0 且ic>0 時(shí)，選擇扇區S=2 會(huì )降低中點(diǎn)電位，選擇扇區S=1 會(huì )抬升中點(diǎn)電位，因而選擇S=2。?④當ia<0 且ic<0 時(shí)，兩個(gè)扇區都會(huì )中點(diǎn)起到降低作用，需要選擇降低作用更明顯的扇區，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 較 多，其 脈 寬 調 制（ Pulse Width Modulation, PWM）技術(shù)相對于傳統兩電平逆變器復雜得多，目前常用的 PWM 調制技術(shù)主要有：空間矢量調制（ Space Vector Modulation,SVM），載波調制（ Carrier-Based PWM），特定諧波消除調制（ Selected Harmonics EliminationPWM, SHE-PWM），以及一些合成的 PWM 調制方法。多電平 SVM 調制在三相三線(xiàn)制逆變器中具有明顯優(yōu)勢，因為它首先通過(guò)矢量的方式列出多電平逆變器所有可能輸出的開(kāi)關(guān)組合，然后根據參考電壓矢量所在位置選擇最合理的 PWM 開(kāi)關(guān)組合進(jìn)行

調制。這種方法可以充分利用多電平逆變器的各種共模分量，包括三相系統中的零序分量和各單相調制單元間的共模分量。但是隨著(zhù)電平數的增多，逆變器可以輸出的開(kāi)關(guān)組合越來(lái)越多，使得開(kāi)關(guān)組合的選擇變得非常困難。另外，電平數的增多已經(jīng)大大優(yōu)化了輸出電壓波形，使得調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制應用較多，它的實(shí)現相對簡(jiǎn)單，幾乎不會(huì )因為電平數的增多而增加復雜程度。

三電平 SVM 的共模分量

三電平的 SVM 調制不能用傳統的零序分量注入來(lái)等效，本節利用三電平調制的分解方法，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 調制方式可以分解為兩組調制單元：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。與此對應三電平 PWM 有兩個(gè)調制波。因此，三電平 PWM 的調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)調制單元間的共模分量。因此，三電平 SVM 的調制波可以通過(guò)以下兩個(gè)步驟來(lái)獲得：

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

由于在 SVM 的調制中，開(kāi)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 的計算時(shí)，假設了零矢量的兩個(gè)開(kāi)關(guān)組合持續時(shí)間相同。實(shí)際上為了減少開(kāi)關(guān)次數，也可以任選零矢量的一種開(kāi)關(guān)組合，對于這種方法，也可以用前文類(lèi)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 扇區的

U

1 和

U

2）包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)組合，為了實(shí)現對三電平中點(diǎn)電位的控制，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)組合的持續時(shí)間往往不完全相同，因此在注入共模分量ma2、mb2 和mc2 時(shí)，需要根據中點(diǎn)電位的偏向對共模分量進(jìn)行修正。 ? （3）三電平矢量中的零矢量包括三個(gè)冗余開(kāi)關(guān)組合，因此當參考矢量在 A 區和 B 區時(shí)，如果選擇更多的開(kāi)關(guān)組合，則可以使用類(lèi)似的方法在調制波中再次注入共模分量。但是在三電平中零矢量冗余開(kāi)關(guān)組合的選擇很少使用。

因此，兩電平載波調制與 SVM 調制的內在聯(lián)系，發(fā)現若在調制波中注入三相零序分量，則兩電平載波調制可以與兩電平 SVM 調制等效。進(jìn)一步對三電平載波調制進(jìn)行分解，并在調制波中兩次注入共模分量，則三電平載波調制可以與三電平SVM 等效。