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三电平变流器中点电压平衡控制研究 0 u3000直流电压自控制三电平变流器 考虑到能耗、复测和系统性能，三焦变流器（nb）在工程中得到了广泛应用。在多电平变换器的控制中,SVPWM技术除按参考矢量生成输出电压外,还必须考虑抑制中点电压偏移与波动问题。 目前,大量的对中点电压偏移与波动的分析均以直流电压恒定为前提,即直流电压为外部恒压源。对于中线无引出的三电平变流器,当三电平变流器的闭环控制系统不需控制并稳定直流母线电压时,即直流电压由外部电源提供,基于此前提的分析过程与结论是适用的;当其直流电压由其自身的闭环系统控制时,直流电压不再是一个外部恒压源,而是一个电流控制电压源,若再以直流电压为恒压源作为分析此类变流器中点电压的前提,是不正确的。 由于电容电流的变化直接反映了电容电压的变化,因此,本文以直流电压为受控电压源作为前提,分析并推导出了直流电压自控制三电平变流器应用标准SVPWM与虚拟矢量合成SVPWM技术时的电容电流表达式,并得到了2种方法的中点电压平衡控制能力随调制比m与功率因数变化的规律。理论分析与仿真结果均表明,在直流电压自控制三电平变流器中,2种SVPWM技术均会使电容电流产生3次谐波,而直流母线电压波动与采用的中点电压平衡控制无关;2种方法的中点电压平衡控制能力均受功率因数与调制比影响,但标准SVPWM技术在调制比(m=U/Udc)m0.5时的部分区域会失去瞬时控制能力;虚拟矢量合成SVPWM技术在电容C1与电容C2上产生的3次谐波同相,在m0的整个区域内,均具有中点电压平衡的瞬时控制能力。 1 svpwm中点电压平衡 三电平电压空间矢量图的每个扇区内部有2种划分模式,以扇区Ⅰ为例,一种是标准的划分方式,见图1(a),将扇区中的基本矢量相连,可得到4个子区域;另一种是将中矢量U3用虚拟矢量U′3代替,见图1(b),其优点在于通过开关模式的合理选择,可使SVPWM具有中点电压的自平衡能力。 中点电压平衡控制的基本思想依然是通过实时、动态地调制短矢量的作用时间,控制电容充放电,实现中点电压平衡。常用的滞环控制是一种定性的、较粗略的控制,考虑算法的简化与控制效果,借鉴文献的思路,本文在滞环控制中引入控制系数k实现对中点电压的定量控制。其基本原理是:在保证短矢量在每个开关周期内总作用时间不变的前提下,根据检测到的中点电压和交流电流方向,实时调整正、负短矢量的作用时间,实现中点电压的平衡控制。 以扇区Ⅰ为例,令k=Δudc/ΔUmax(-1≤k≤1),则正、负短矢量作用的占空比可按表1计算。其他扇区正、负短矢量的占空比也可按同样方法推出。其中,d1、d2与dm分别为短矢量U1、U4与中矢量U3的占空比。 2 标准svpwm技术的中点电压平衡能力 2.1 等效电路与其他矢量作用 直流电压自控制三电平变流器的电路见图2。 由于直流电压由变流器闭环控制系统实时控制,直流电压相对变流器是一个电流控制电压源,同时,大矢量对中点电压无影响,故以扇区Ⅰ为例,根据图2与各矢量作用定义,只画出对中点电压有影响的短矢量与中矢量对应的等效电路,如图3所示。 从图3中可以看出,电容电流由负载电流与电源电流决定,同时,根据该等效电路可得电容C1与电容C2在各矢量作用时的电流表达式(表2);iC=iC1+iC2则直接反映了直流母线电压的变化。 2.2 理论极限分析 根据标准SVPWM技术原理与表2,可写出参考矢量在扇区Ⅰ时,流过电容C1与电容C2的电流iC1＿Ⅰ与iC2＿Ⅰ(大矢量产生的电流对中点电压无影响,故在式中略去)。 同理,可得到参考矢量在其他扇区时的电容电流。通过推导与分析可知,iC1、iC2均为3次谐波。 为得到标准SVPWM中点电压平衡控制能力的理论极限,可假设中点电压始终偏低,需对C1放电、对C2充电才能使中点电压平衡,只需分析iC2在一个基波周期中的最小值iC2＿min与平均值iC2＿av,即可得该理论极限。图4为iC2＿min与iC2＿av随调制比m和功率因数角φ变化的三维图(电流均为标幺值,图5同)。 从图4可看出以下几点。 a.对于同一调制比,iC2＿min随功率因数增大而增大。功率因数越高,中点电压平衡的控制能力越强;功率因数越低,中点电压平衡的控制能力越弱。 b.对于同一功率因数,调制比m=0.5时,iC2＿min最大,中点电压平衡能力最强;m减小时,iC2＿min减小,但iC2＿min≥0;m增大时,iC2＿min减小,并且在m增大到一定值后的部分区域,iC2＿min变为负值,此时三电平变换器失去了瞬时控制中点电压平衡的能力,中点电压将出现低频纹波,故m0.5的中点电压平衡能力弱于m0.5的中点电压平衡能力。 c.由于iC2＿av≥0,故三电平变换器在全区域范围内,能在一个基波周期内控制中点电压达到平衡。 3 挑战中