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三电平np逆变器中点电位平衡控制方案 1 光催化器拓扑结构 由于多永平函数逆带在高压和大型能源领域具有显著的优势，因此在过去20年中引起了广泛的关注。多电平逆变器的实现有多种拓扑结构,和其他多电平拓扑结构相比,图1所示的中点钳位(NPC)拓扑结构需要的元器件最少,只需要一个直流电源,因而得到广泛应用,是目前使用最广泛的拓扑结构。然而,这种电路拓扑存在中点电位波动问题,这不仅会导致输出电压、电流的波形扭曲,还将使功率器件上的电压不平衡,带来系统不稳定等危害。 人们尝试了用不同方法来解决NPC逆变器的上述问题,这些方法有基于软件算法,或者基于硬件实现。基于硬件的方法需要增加两个DC-DC逆变器,因而增加了整个逆变器的成本,本文对其不予讨论。软件算法实现目前主要有两种思路,即基于空间矢量调制的PWM法和基于注入零序电压的载波调制法。本文将主要介绍这两种算法思路及其衍生方法,并介绍一种新型的滞环比较法。 2 中点电位平衡随开关状态的特性 基于空间矢量调制的PWM法(SVPWM法)是在空间矢量调制规则基础上,保证参考电压不变,通过不同矢量的组合来控制中点电压的平衡。空间矢量调制的规则为:参考矢量由周围的基本矢量合成来获得。 由图2可知,三电平逆变器有27个开关状态,19种空间电压矢量(基本矢量),按模量大小可以分为4类:零矢量、小矢量、中矢量和大矢量。其中零矢量和大矢量对中点电位没有影响;小矢量和中矢量至少有一相与中点连接,对中点电位有影响。每个中矢量只有一种开关状态,其对中点电位的影响没有选择的余地。每个小矢量有两种开关状态,它们对中点电位平衡的作用相反,可以用来调节中点电位平衡。以这一特性为基础,人们提出了3种解决中点电位平衡的方案,其中方案1适用于一般调节,方案2、3适用于高调制系数时的调节,下面分别予以介绍。 2.1 开关状态顺序、状态和中点电位向有利于平衡方向移动无杂 在空间矢量调制中,最传统的调制方法是NTV(three-nearest-vector)调制方法,即在一个调制周期内,用离参考矢量最近的3个基本矢量去合成需要的参考矢量。如图2所示的参考电压矢量Vf可以用基本的空间电压矢量V1,V7,V8来调制合成。小矢量V1有两种开关状态POO,ONN。 方法1,V1只用一种开关状态,即V1(POO)或V1(ONN),则开关状态顺序有两种选择:POO-PON-PNN或者ONN-PNN-PON。具体选择哪种开关状态顺序取决于中点电位的平衡情况和各相电流的方向,使得中点电位向着有利于平衡的方向进行。 这种方法在一个调制周期内只用3个矢量,比较简单,但它存在两个不足:一是电容电压存在着明显的开关频率纹波;二是当改变区域或选择不同的小矢量时,需改变开关顺序,这将需要至少2个开关步骤(两相桥臂必须转换1个电平),有时甚至需要4个开关步骤,这样一来,开关频率将不再保持不变。 方法2,V1用两种开关状态,即V1=V1(POO)+V1(ONN),T1=αT1+(1-α)T1(其中0α1),αT1为POO的导通时间,(1-α)T1为ONN的导通时间。则开关状态顺序为POO-PON-PNN-ONN//ONN-PNN-PON-POO。通过检测中点电流iO的方向和两个电容的电压UC1,UC2,来决定α的大小,使中点电位朝着有利于平衡的方向变化。 当参考电压落在图2中的区域A或C时,为了加强对中点电位的平衡控制,可以同时利用两对冗余小矢量,这样可以有效地使中点电位向着平衡方向移动。 这种方法解决了方法1中存在的不足,但其可控制的中点电流比方法1小,增加了开关损耗。 2.2 重新组合的方法 控制中点电位的平衡就是在一个控制周期Ts内,使平均的中点电流iO为零。当调制系数比较高或功率因数比较小时,方案1就难以达到这种控制目的。其主要原因在于,此时小矢量作用的时间远小于中矢量作用的时间,导致小矢量产生的中点电流iO不能完全补偿中矢量产生的中点电流iO,因而不能很好地控制中点电位平衡。 为了解决上述问题,S.Busquets-Monge等提出了一种新的方法,通过对基本矢量进行重新组合,使每个开关周期中流过中点的电流为零。下面参照图2,来说明新基本矢量的组合方法。 对于小矢量V2,重新组合的小矢量为 Vs2=12V2(ΡΡΟ)+12V2(ΟΟΝ)Vs2=12V2(PPO)+12V2(OON) 其产生的中点电流为 iΟ=12ic+12(-ic)=0iO=12ic+12(?ic)=0 因此新基本小矢量不影响中点电位的平衡。对于中矢量V8,重新组合的中矢量为 Vs8=13V2(ΡΡΟ)+13V8(ΡΟΝ)+13V1(ΟΝΝ)Vs8=13V2(PPO)+13V8(PON)+13V1(ONN) 其中点电流为 iΟ=13ic+13ib+13ia=0iO=13ic+13ib+