二極管鉗位型三電平變換器的母線中點(diǎn)電位不平衡問題

二極管鉗位型三電平變換器的母線中點(diǎn)電位不平衡問題

1中點(diǎn)電位控制方法三電流補(bǔ)償器對功率裝置的抗壓要求較低，輸出電壓的波形含量較低，但由于其固有的中點(diǎn)電位的波動(dòng)和平衡，這種拓?fù)涞钠占跋拗屏?。學(xué)者們對中點(diǎn)電位波動(dòng)與平衡控制方法以及中點(diǎn)電位波動(dòng)帶來的影響進(jìn)行了探討,基于控制一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的中點(diǎn)電流平均值為零的基本思想,中點(diǎn)電位控制方式大致分為空間矢量PWM方法和載波比較PWM方法?？臻g矢量PWM方法根據(jù)中點(diǎn)電壓波動(dòng)和負(fù)載電流的方向來分配中矢量和短矢量的作用時(shí)間來控制中點(diǎn)電位。與空間矢量PWM方法復(fù)雜的空間矢量選擇和時(shí)間分配相比,載波比較PWM方法只需向正弦調(diào)制波中注入合適的零序分量,就可改變一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)狀態(tài),進(jìn)而改變中點(diǎn)電流,控制中點(diǎn)電位。文獻(xiàn)通過向正弦調(diào)制波中注入理論上最優(yōu)的控制中點(diǎn)電位平衡的零序電壓來平衡中點(diǎn)電位,但是該零序電壓的取值受負(fù)載電流、功率因數(shù)及調(diào)制度等因素影響,因此中點(diǎn)電壓的低頻脈動(dòng)無法完全消除且不同工況下中點(diǎn)電壓波動(dòng)幅值不同。文獻(xiàn)提出的雙調(diào)制波方法通過將加入零序分量的調(diào)制波重構(gòu)為兩個(gè)調(diào)制波,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的中點(diǎn)電流平均值總為零,完全消除了中點(diǎn)電位低頻脈動(dòng),適用于各種工況,但其不足是用于中點(diǎn)電位平衡的補(bǔ)償量不能兼顧到負(fù)載電流、調(diào)制度及功率因數(shù)等影響中點(diǎn)電位的因素,實(shí)用中參數(shù)難以選擇:若欠補(bǔ)償,存在中點(diǎn)電位平衡動(dòng)態(tài)過程變慢;若過補(bǔ)償,會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,無法達(dá)到最優(yōu)的中點(diǎn)電位平衡效果。本文在理論分析雙調(diào)制波的原理基礎(chǔ)上,在保留其對中點(diǎn)電壓波動(dòng)有效抑制的基礎(chǔ)上,針對其不能平衡中點(diǎn)電壓的不足,提出了一種補(bǔ)償量計(jì)算方法,該算法的有效性得到了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2元調(diào)制波的相分離vz-vmin方法圖1所示為二極管鉗位型三電平變換器的結(jié)構(gòu)圖。為簡化分析,做如下假設(shè):(1)直流母線總電壓Vdc保持恒定,忽略總的直流母線電壓波動(dòng)對中點(diǎn)電壓控制造成的影響。(3)逆變器三相負(fù)載完全對稱,輸出為三相對稱的正弦電壓和電流。(4)開關(guān)頻率與電流基波頻率相比足夠高,且相電流在一個(gè)開關(guān)周期(Ts)內(nèi)可視為恒值。下面對基于雙調(diào)制波的PWM方法進(jìn)行簡單介紹,以便更好地說明本文提出的補(bǔ)償量的計(jì)算方法。以Vdc/2為基值對三相正弦調(diào)制波標(biāo)幺化后得式中,M是以逆變器在線性調(diào)制區(qū)內(nèi)所能輸出的相電壓幅值的最大值,即為基準(zhǔn)得到的調(diào)制度。為充分利用直流側(cè)電壓,使調(diào)制度達(dá)到1,向三相正弦調(diào)制波中同時(shí)注入零序分量vz得到式中,vz=-(vmax+vmin)/2;vmax、vmin分別代表三相正弦調(diào)制波中的最大、最小值。此時(shí)任意一相調(diào)制波iv′均可被重構(gòu)為如式(3)所示的兩個(gè)電壓式(3)中兩調(diào)制波的和滿足vip+vin=vi′,且其差滿足vin-vip=(vmin-vmax)/2,其中1≥vip≥0,-1≤vin≤0。一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)任意一相輸出電壓鉗位到中點(diǎn)電位的占空比可表示為且一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均中點(diǎn)電流可表示為由于存在dao=dbo=dco,所以平均中點(diǎn)電流可表示為,同時(shí)在三相三線制系統(tǒng)中,輸出三相負(fù)載電流和總是為零,因此,平均中點(diǎn)電流值總是為零,這樣母線電容電壓上的波動(dòng)就被完全消除。雖然母線電容電壓上的波動(dòng)被消除,但這并不意味著上下母線電容電壓值相等。如果初始狀態(tài)兩電容電壓不相等,由于平均中點(diǎn)電流總為零,上下母線電容電壓將保持不平衡。實(shí)際應(yīng)用中,由于死區(qū)時(shí)間的存在和開關(guān)器件性能的差異、電容特性的差異等都會(huì)使這種不平衡加重,母線電容電壓嚴(yán)重偏離母線總電壓的一半值,因此有必要引入補(bǔ)償量實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的閉環(huán)控制。文獻(xiàn)給出的補(bǔ)償量為上述補(bǔ)償量沒有考慮到電容值、負(fù)載電流等影響中點(diǎn)電位平衡的因素,因此存在過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)牟蛔?。后續(xù)研究中,文獻(xiàn)提出的補(bǔ)償量雖然兼顧到了各種影響中點(diǎn)電位平衡的因素,但分析過程不夠明確。為此,本文第三部分提出了一種簡單有效的補(bǔ)償量計(jì)算方法,使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡效果達(dá)到最優(yōu)。需要指出的是,為了最小化開關(guān)損耗,補(bǔ)償量只疊加到兩個(gè)調(diào)制波均不鉗位到零的區(qū)域,對于a相,對應(yīng)圖2中的[π/3~2π/3]和[4π/3~5π/3]兩個(gè)區(qū)域;對于b相,對應(yīng)圖2中的[0~π/3]和[π~4π/3]兩個(gè)區(qū)域;對于c相,對應(yīng)圖2中的[2π/3~π]和[5π/3~π]兩個(gè)區(qū)域。因此,任一瞬間只有一相電壓疊加補(bǔ)償量。3補(bǔ)償量的確定下面以a相補(bǔ)償量va_off為例來說明本文提出的補(bǔ)償量的計(jì)算方法。為保證式(2)成立,向vap、van中加入符號(hào)相反的補(bǔ)償量,即式(7)需要滿足1>va′p>0,-1<va′n<0才能保證系統(tǒng)不發(fā)生過調(diào)制,這等價(jià)于為了簡化式(8),使補(bǔ)償量取值范圍更明確,下面分A和B兩種情況討論:向調(diào)制波中疊加式(9)和式(10)所確定的補(bǔ)償量后,中點(diǎn)平均電流由式(5)變?yōu)檫@樣a相電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出中點(diǎn)電位的占空比變?yōu)?b相和c相仍分別為dbo和dco。因此da′o直接影響了平均中點(diǎn)電流的取值,而下面以,也就是va_off=-vmax+vmin/4+1/2為分界點(diǎn)繼續(xù)討論絕對值去掉后的取值,并且可以證明該分界點(diǎn)同時(shí)滿足式(9)和式(10)確定的范圍。3.1情況a3.2補(bǔ)償量的最終方程當(dāng)總?cè)∝?fù)值,此時(shí)的取值范圍為式(16)和式(17)所確定的da′o的取值范圍相同,因此,和A情況相同,對于B,也可只考慮如下補(bǔ)償量綜上所述,只要va_off≤(-vmax+vmin)/4+1/2,va′n+1-va′p便總?cè)≌?式(12)總可以表示為da′o=(vmin-vmax+2)/2-2va_off,這樣由式(11)計(jì)算可得加入補(bǔ)償量后的平均中點(diǎn)電流為式(19)所確定的平均中點(diǎn)電流將被用于平衡中點(diǎn)電位,而實(shí)際檢測到的中點(diǎn)電位不平衡所需要的補(bǔ)償電流取值可表示為式(19)和式(20)取相同值得到補(bǔ)償量表達(dá)式為對于按照式(21)計(jì)算得到的補(bǔ)償量存在超出式(9)和式(10)所限定范圍的情況,只需取各自補(bǔ)償量范圍的邊界值。對b、c兩相補(bǔ)償量的討論過程與a相是相同的,因此補(bǔ)償量的最終表達(dá)式為。這個(gè)補(bǔ)償量表達(dá)式兼顧了中點(diǎn)電壓波動(dòng)、電容值、負(fù)載相電流和開關(guān)周期等因素,可以預(yù)見其對中點(diǎn)電位平衡的作用是快速而顯著的。4雙調(diào)制波的實(shí)驗(yàn)研究本文介紹的補(bǔ)償量計(jì)算方法得到了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,文中設(shè)計(jì)的仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:直流側(cè)電壓Vdc=304V,C=1800μF,載波頻率為4kHz,調(diào)制波頻率為50Hz。三相星形聯(lián)結(jié)阻感負(fù)載:每相電阻R=35Ω,L=5mH,功率因數(shù)為0.99,代表高功率因數(shù)的工況。電機(jī)負(fù)載:額定功率為2.2kW,額定電壓為380V,額定頻率50Hz,額定電流5.16A,極對數(shù)為2,在空載運(yùn)行的條件下,代表低功率因數(shù)的情況。在仿真研究中,圖3所示為采用本文提出的補(bǔ)償量進(jìn)行中點(diǎn)電位平衡控制得到的仿真波形。在圖3a中,波形自上而下分別為輸出線電壓波形,上下母線電容電壓差波形,負(fù)載電流波形,其中上下母線電容電壓差波動(dòng)幅值不超過0.02V,且圍繞零電壓波動(dòng),說明中點(diǎn)電位已被控制平衡,且由于平衡后平均中點(diǎn)電流值始終為零,所以波動(dòng)的幅值很小。圖3b~圖3d雖然調(diào)制度和功率因數(shù)與圖3a都不同,但上下母線電容電壓的差值都不超過0.2V,且都在零電壓波動(dòng),這充分說明本文提出的補(bǔ)償量對中點(diǎn)電位平衡控制是有效的,同時(shí)也驗(yàn)證了雙調(diào)制波方法本身對上下母線電容電壓波動(dòng)的抑制不受調(diào)制度和功率因數(shù)影響的特性。圖4所示為電機(jī)負(fù)載,調(diào)制度為1工況下,母線電容電壓初值分別為204V和100V,經(jīng)過本文提出的補(bǔ)償量的調(diào)節(jié),母線電容電壓經(jīng)過0.6s后達(dá)到了平衡,穩(wěn)定在152V附近。圖5所示為上下母線電容電壓由不平衡過渡到平衡的過程中,加入補(bǔ)償量的雙調(diào)制波波形?？梢钥吹?當(dāng)上下母線電容電壓差較大時(shí),由于補(bǔ)償量的調(diào)節(jié),有一部分兩調(diào)制波都不為零的區(qū)域消失;當(dāng)上下母線電容電壓差回歸到零值附近后,由式(21)可知該補(bǔ)償量取值接近零,因此對原雙調(diào)制波的調(diào)整作用很小。圖6所示為采用本文提出的補(bǔ)償量進(jìn)行中點(diǎn)電位平衡控制得到的實(shí)驗(yàn)研究波形。波形自上而下分別為輸出線電壓Uuv、上下母線電容電壓差ΔU和負(fù)載相電流Iu的波形。其中上下母線電容電壓差ΔU的標(biāo)度為每格500mV/格,四種工況下該差值均圍繞零電壓波動(dòng),且波動(dòng)峰峰值均維持在1.67V以內(nèi),這與前面的仿真結(jié)果是一致的。且相對直流側(cè)總電壓304V來講,1.67V的波動(dòng)足以說明雙調(diào)制波方法的抑制效果是非常有效的。圖7所示為上下母線電容由不平衡經(jīng)補(bǔ)償量調(diào)節(jié)最終達(dá)到平衡的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖4所示的仿真結(jié)果一致,補(bǔ)償量能夠根據(jù)不同的調(diào)制度來調(diào)整自身的取值,從而快速準(zhǔn)確的平衡中點(diǎn)電位,最終上下母線電容電壓均維持在152V附近,系統(tǒng)保持穩(wěn)定。5補(bǔ)償量的工作及仿真本文針對雙調(diào)制波方法中傳統(tǒng)的補(bǔ)償量存在過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)平衡過程緩慢或者不穩(wěn)定的問題,提出了一種用于中點(diǎn)電位平衡的補(bǔ)償量計(jì)算方法。在線性調(diào)制范圍內(nèi),詳細(xì)深入討論了不同區(qū)域和不同疊加范圍下加入補(bǔ)償量后對雙調(diào)制波表達(dá)式的影響,通過分析發(fā)現(xiàn)可以把復(fù)雜的符號(hào)討論進(jìn)行合并簡化,確定了補(bǔ)償量的取值范圍,最終給出了補(bǔ)償量的表達(dá)式。最后,對采用該補(bǔ)償量的基于雙調(diào)制波PWM的二極管鉗位型三電平中點(diǎn)電壓控制算法的有效性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(2)直流母線上下兩個(gè)電容完全相同