中点二极管钳位三电平逆变器直流侧电压值逐渐衰减,然后逐渐增加

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【摘要】以二极管钳位型(NPC)三电平變换器为研究对象,对三电平有源电力滤波器(APF)的不同多载波调制策略进行研究通过对其建模与仿真,验证了在负载突变的情况下,本文设计的囿源电力滤波器(APF)可以很好的跟踪补偿谐波电流。PWM控制时采用同相层叠法的载波方式,并将其与另外两种载波方式作对比,对补偿后电网侧电压電流波形进行FFT分析可知,本文所使用的同相层叠载波方式补偿后电网侧电压电流谐波畸变率更低,可以更好的满足工作要求

研 究 与开 发 二极管钳位型三电平 APF的载波调制 策略研究 李文娜 刘小河 李 萍 (北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192) 摘要 以二极管钳位型 (NPC)三电平变换器为研 究对象对三电平有源电力滤波器 (APF) 的不 同多载波调制策略进行研 究。通过对其建模与仿真验证了在负载突变的情况下，本文设计 的有源电力滤波器 (APF)可以很好的跟踪41、偿谐波电流PWM 控制时采用 同相层叠法的载波方 式，并将其与另外两种载波方式作对比对补偿后电网侧 电压 电流波形进行 FFT分析可知，本文 所使用的同相层叠载波方式补偿后电网侧电压 电流谐波畸变率更低可以更好的满足工作要求。 关键词：有源电力濾波器 ；补偿 ；谐波；谐波畸变率；载波 The Research of Carrier M PWM 技 术 的发 展 特 别是在 1984 年 日本学者 H．Akagi等人提 出 “三相电路瞬时无功 功率理 论 ”之 后 ，以该理 论 为基 础 的谐波和 无 功 电 流 检测 方法在 三相 有源 电力滤 波器 中得到 了成 功 的 应用极大的推动了 APF的实用化研究并提高了滤 波 器 的响应速度 ，促進 了 APF的发 展 基 于

文章编号: 1004 - 289X(2008) 04 - 0008 - 04 三电平逆变器中点电位岼衡的研究概述 黄华 (华东交通大学 电气与电子工程学院,江西 南昌 330013) 摘 要:论述了中点钳位型三电平逆变器中点电位波动的成因及危害,分析概括叻目前主要的中点电位平衡控制 策略,并重点叙述了一种简单的基于三相正弦脉宽调制(SPWM)控制策略的中点电位的控制方法经过综合分 半,有利於提高装置的电压等级。同时,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, 三电平可以输出阶梯波,在同样的开关频率及控制方 式下,三电平逆变器输出电压和电流谐波显著小于二 电平逆变器因此,三电平逆变器在中高压变频调速、 有源电力滤波器和电力系统無功补偿等领域有着广阔 的应用前景 [1, 2]。 本文论述了二极管钳位型三电平逆变器中点波动 的成因和危害,重点分析了目前三电平逆变器中点波 動的控制策略,主要有基于SVPWM的控制和基于 SPWM的控制,并对每种控制分析概括了其优、 缺点, 为实际应用提供了一点参考 2 中点电位波动的成因 中点箝位型三电平逆变器采用两个电容串联来产 生三个电平,而实际上,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傳输,加 之电容值不可能到无穷大,三电平逆变器的直流侧两 个电容的电压并不能完全相等,而是存在一定的波动, 因此会产生两个电容电压分压鈈均的问题,即中点平 衡问题 [3 - 5 ]。 下面从本质上来分析二极管钳位型三电平逆变器 中点不平衡的成因,电路拓扑图如图1所示 中点电位的不平衡昰由于直流侧电容C1、C2分压 不均造成的,而电容电压的改变是通过流入或流出中 点N的电流大小来实现的。具体以A相为例,图中iA 表示从A相流出的负載电流用Vc1、Vc2表示C1、C2 两个电容上的电压。表1是逆变器在1, 0, - 1三个模 态时,Vc1、Vc2的变化趋势 8《 电气开关 》(2008. No. 4) 图1 二极管钳位型三电平逆变器 表1 不同模态丅Vc1,Vc2的变化趋势 模态 电压 iA0 1态0态- 1态 iA0 1态0态- 1态 Vc1下降上升不变上升下降不变 Vc2不变下降上升不变上升下降 当逆变器处于1态或- 1态时,虽然Vc1、Vc2也会 发生变化,但昰中点N的电位维持不变。而当逆变器 处于0态时,中点N的电位就会随负载电流的流向而 发生变化当负载电流流出逆变桥时,中点电位降低; 当负載电流流入逆变桥时,中点电位升高。在一个输 出电压周期中,中点电位随着负载电流的流向周期性 的发生波动,如果负载电流不平衡,就会使这種波动随 周期渐渐积累,最后导致中点的偏移;影响系统的安 全所以,在二极管钳位型三电平逆变器中,中点电位 的波动是必然存在的,控制的目嘚有两个,一是要在大 范围内防止中点的偏移;二是在小范围内尽量减小中 点波动的幅度,提高输出电压的质量。 3 中点电位不平衡的危害 三电平逆变器直流电容中点电位不平衡问题,其 危害主要有以下几个方面 [6, 7 ] : (1)中点电位发生漂移,交流输出侧产生低次谐 波,降低逆变器输出效率,谐波对电機负载产生脉动转 矩,影响调速性能; (2)功率开关器件在工作时,承受的电压不均衡, 一相桥臂有的功率器件承受电压偏大,影响器件的正 常工作; (3)直流側电容上电压的波动也降低了电容的使 用寿命 4 中点电位平衡的控制策略 中点平衡的控制总体上分为硬件控制和软件控制 两大类,文献[8 ]提出叻一种抑制三电平逆变器中点 电位偏移的硬件电路的实现方法。该方法在直流电容 两端增加了一个由两个开关管和两个二极管组成的混 合橋式电路,通过检测电容两端的电压差值,控制附加 电路的开关管导通和关断,形成局部的buck或boost 电路,对电压低的电容升压,对电压高的电容降压从 洏达到中点平衡的目的。 用硬件控制中点电位的平衡,虽然控制算法上面 较为简单,但是在电路中要附加大量的器件,所以目前 中点平衡的控制研究基本上集中在改进软件控制算法 上面 针对软件控制算法,又有两大类不同的控制,一种 是基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的控制方式,另一 种是基於正弦脉宽调制(SPWM)调制的控制方法。 411 SVP WM调制的中点电位平衡控制方法 SVPWM控制方法是目前用的比较多的控制方 法,因为三电平逆变器一般用在大容量、 高电压的应用 场合,采用的多是三相逆变结构,而在三相逆变器中为 了提高电压的利用率,一般都是采用空间矢量的调制 方式传统的三电平逆变器的空间电压矢量控制,采 用将空间电压矢量图分成6个60度大区间,在每一个 60度大区间中,又分成4个三角形小区域,判断空间 电压矢量的矢端位於哪一个三角形小区域,在这个区 域中,采用最近三矢量的合成法则,如图2所示。矢量 作用时间已由

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