一种新型不对称三相三电平逆变器

2014-07-07黄珂魏金成黄容容孔祥聪

电源技术 2014年5期

关键词：导通中点电平

黄珂，魏金成，黄容容，孔祥聪

（1.西华大学电气信息学院，四川成都 610039；2.四川大学电气信息学院，四川成都 610065）

一种新型不对称三相三电平逆变器

黄珂1，魏金成1，黄容容1，孔祥聪2

（1.西华大学电气信息学院，四川成都 610039；2.四川大学电气信息学院，四川成都 610065）

提出了一种新型的不对称桥臂的三相三电平逆变电路，对该拓扑结构及工作原理进行了详细的分析。在控制算法上，对传统的三电平SVPWM算法进行了改进，将传统的两电平和现有的三电平算法联系起来并线性转化到三电平，避免大量的三角运算。在此基础上将该算法与新的电路拓扑结构结合起来，对中点电位的不平衡问题进行分析并给出了对策，利用Matlab/Simulink仿真工具对该拓扑和算法的正确性进行了验证。实验结果表明，该新型三电平逆变器能够很好地完成逆变，且改进算法也非常适用于此新型结构，中点电位波动小，总的谐波畸变率低，性能稳定。

不对称桥臂；三电平；逆变器；空间矢量调制

随着电力电子装置的广泛应用，给电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网污染，因此消除谐波污染并提高功率因数已成为电力电子技术的一个热门研究方向。PWM逆变器具有功率因数高、电流畸变小、输出电压可调及能量双向流动等优点，受到了人们的广泛关注。而多电平技术由于可以降低开关管的耐压值、减小器件电压应力、优化输出波形、提高系统功率等级等明显优势，得到了飞速的发展，特别是在高压功率设备应用中，例如大型交流电机驱动，大功率有源电力滤波和柔性交流输电系统。目前，在多电平拓扑结构中，按主电路的拓扑结构来分[1-2]，主要分为二极管箝位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器、级联多电平逆变器，其中以二极管钳位型多电平逆变器运用最为广泛。在此基础上，有多种改进的拓扑，比如多电平有源NPC、多电平有源层叠中点钳位式、多电平层叠式NPC及级联H桥级联型多电平变换电路。这些电路虽然各有优点，但是主电路所需的器件多，控制及驱动电路都较为复杂。

本文提出了一种新型的基于不对称桥臂的三相三电平逆变电路。相较于以往的三电平电路，本文所提出的逆变器在主电路中无嵌位二极管或者飞跨电容，且没有增加开关管的数量，不仅减小了体积而且节约了成本。由于其结构的特殊性，能够较好地平衡所有器件的损耗，给散热器的设计带来了方便。

本文分析了该新型电路的工作机理，对传统的调制算法进行了改进，改进算法能够避免大量的三角函数运算，节约了系统资源，简单实用，易于DSP数字化实现，且在一定程度上缓解了开关频率与开关损耗之间的矛盾问题。此外，本文对三电平固有的直流侧中点电位的平衡问题也做出了分析并且给出了对策。最后以基于实验原型的Matlab/Simulink仿真实验对该新型结构的三电平逆变器的性能进行了评估。

1 新型不对称桥臂电路拓扑及其工作原理

图1所示为一种新型的三相三电平逆变电路，该电路采用了12个功率开关器件。以A相为例，分析该逆变电路的工作原理。取两电容之间的O点为零电位。当Sa1和Sa3导通时，A相与电源正端相连，其电位为dc/2，即处于“P”状态；当Sa2和Sa3导通时，A相中点O相连，其电位为0，即处于“O”状态；当Sa4导通时，A相与电源负端相连，其点位为－dc/2。图2介绍了该逆变电路的三种不同状态。

图1 新型的三相三电平逆变电路

图2 新型电路结构的工作原理

根据以上分析，该新型三电平逆变电路包括以下几条规律（以A相为例）：

（1）开关管Sa1和Sa2的状态互补；

（3）不允许在“P”状态和“N”状态之间直接切换，中间必须经过“O”状态。

表1是A相开关变量Sa对应各个功率开关器件的开关状态表。

表1 新型三电平逆变电路A桥臂开关状态

通过进一步以上分析可知，在“P”状态时Sa1，Sa3同时导通，此时功率开关管Sa2，Sa4所承受的反向压降均为dc/2；在“O”状态时，Sa1和Sa3同时导通，呈反向串联的状态，此时Sa1和Sa4所承受的反向压降均为dc/2，在“N”状态时，只需导通Sa4，此时Sa1和Sa2的状态可以灵活选择。若此时选择Sa1，Sa4同时导通，则Sa2所承受的反向压降为dc/2，Sa3所承受的反向压降为dc，若选择Sa2，Sa4导通，Sa1，Sa3所承受的反向压降均为dc/2。因此，对于开关管Sa3可以考虑采用耐压值较高、开关频率相对较低的器件（如IGCT或者GTO），其他开关管可以采用开关频率较高的器件（如IGBT），使其工作在较高频率，而承受较小的电压应力，这样就充分发挥了这些开关器件的特性，同时也节约了成本。通过控制算法可以灵活选择功率开关管及其通断时间，不仅使得算法更加灵活，也能够平衡功率器件的损耗[3]。

2 控制算法

本文将传统的两点平和现有的三电平联系起来，根据两者的关系，巧妙运用两电平的空间矢量调制，线性转化到三电平空间矢量，避免了大量的三角函数计算，且概念清晰，便于数字化。

2.1 SVPWM算法及参考矢量所处扇区的确定

朗读是学生语言学习生涯的重要组成部分。然而，在当前的小学语文教学中，朗读教学的开展现状不容乐观。首先，应试教育理念的影响，很多小学语文教师对朗读教学重视程度不足。在课堂教学中，教师往往只关注生字词、阅读、写作等考试模块的教学，对学生语言能力培养不够重视，导致朗读教学在小学语文教学中开展力度不足，影响了学生语言表达能力的提升。其次，由于受到自身综合素质的影响，部分地方小学语文教师尚未形成系统化的朗读训练体系，教师自身的普通话水平不高，难以对学生开展有效的朗读训练，最终影响了小学语文朗读教学的开展效果。

为了减少逆变器输出的谐波含量，按照最近原则选择空间矢量，并计算每个矢量的作用时间[4-5]。

在两电平空间矢量算法中，两电平逆变器相电压只有23种状态组合，合成的线电压只有三种电压值dc，0，－dc。图3为其空间矢量图。

图3 两电平逆变器空间矢量图

根据伏秒平衡原理得[6-7]：

可以解出各个矢量作用的时间为：

定义三电平电压空间矢量为：

每相桥臂有三种可能的输出方式，共33个电压矢量，如图4所示。

图4 三电平逆变器空间电压矢量图

图5 三电平空间矢量的一个小区

由正弦定理有：

将式（5）代入式（2）中得：

显然，其中t1、t2时间和参考矢量?*的幅角θ相关，由t1、t2无法判定参考矢量所在的小扇区，但是0时间只和采样周期相关，由0就可以判定*处于哪个扇区，在该假设中，当且仅当0＞/2时，*处于A 1区域内。

同理，参考矢量处于A2区的唯一条件就是t1＞?/2，处于A4区的唯一条件就是t2＞?/2，其余的就处于A3区，如式(7)：

利用两电平空间矢量算法中的矢量作用时间t0、t1、t2，经过简单的数学判断就能轻易区分其在三电平空间矢量图中的分区。而大扇区和两电平空间矢量图是一样的。其计算量远远小于直接利用三电平空间矢量算法。

2.2 电压矢量作用时间的计算

假设目标矢量处于A1区，根据最近原则，用于合成目标矢量的三个矢量为，并且这三个矢量和满足如下关系：

三电平中矢量合成规则为：

通过式(8)、式(9)即可得如下关系：

求解式(10)，得：

同理，其它几个区域的矢量作用时间也可以用同样的方法得到。综上，只要计算出了两电平空间矢量中的矢量作用时间t0、t1、t2，就可以通过简单的数学关系转换到三电平空间矢量算法中的矢量作用时间0、1、2，从而大大减少了计算量，使用面广，并且能够方便地拓展到五电平、七电平等多电平算法中。

2.3 中点电位平衡控制

三电平逆变器在运行过程中必须保证直流侧中点电位的平衡，否则负载中会出现偶次谐波，部分开关器件的电压应力也会增大，不利于逆变器的安全运行[8]。中点电位的不平衡，归根结底是由流入或流出中点的电流造成的，使得直流侧两个电容一个放电、一个充电，导致中点电位发生偏移。通过分析容易得出大矢量和零矢量对中点电位没有影响。中矢量有一相电流连接到中点，使得电位在一定程度上依赖于负载条件，它是造成中点电位不平衡的最重要的原因。但是由于中矢量的不可控性，主要通过对冗余小矢量进行控制，从而改变中点电位。冗余小矢量对中点电位的作用相反且总是成对出现[9]，可以根据电流的方向和直流侧电容电压大小，调整冗余小矢量的作用时间来调整直流侧中点电位。图6所示为三电平SVPWM方法流程。

图6 三电平SVPWM方法流程

3 仿真结果比较与分析

为了验证该新型结构及改进算法的有效性和正确性，本文给出了仿真验证并与NPC型逆变器仿真结果进行比较。直流侧电源电压d=400 V，分压电容为2 000μF，负载为三相对称负载，=10Ω，电感=12mH，输出电压频率为50 Hz，采样频率为100 kHz，每相电压参考值为180 V。

图7 电压AB的波形

图8 直流侧电容dc1和dc2的波形

图9 输出电压频谱分析

实验结果表明，该新结构逆变器能够很好地完成逆变，改进的SVPWM算法简单易行、易于对中点电位进行控制且效果良好；与NPC型三电平逆变器相比，该新结构的三电平逆变器不仅减少了开关器件的使用，而且控制简单、性能优良。

4 结论

本文研究了一种新型不对称拓扑结构的三电平逆变器，该电路拓扑减少了开关器件的使用，在此基础之上分析了一种改进的三电平SVPWM算法，该方法是基于两电平空间矢量算法推导而来，将传统的两电平和现有的三电平联系起来，根据两者的关系，巧妙运用两电平的空间矢量调制，线性转化到三电平空间矢量，避免了大量的三角函数计算，概念清晰，便于数字化实现。此外，本文也对三电平所固有的直流侧中点电位的平衡问题做出了分析并且给出了对策。由实验结果可知，该新型逆变器结构清晰合理，控制算法简单正确。

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A novel three-phase three-level inverterw ith asymmetrical legs

HUANG Ke1,WEIJin-cheng1,HUANG Rong-rong1,KONG Xiang-cong2

A novel three-phase three-level inverter circuitw ith asymmetrical legs was proposed.The topology of the proposed inverter and operating mechanism were analyzed.The traditional three-level SVPWM algorithm was im proved,combining traditional two-level w ith three-level algorithm and linearly transform ing to the two-level algorithm to avoid large number of triangular operation.Combined the new algorithm w ith the new circuit topology, the root cause of the neutral-point-potential imbalance was analyzed,and the solution of this problem was proposed. Simulation study using Matlab/Simulink was conducted to demonstrate the validity of the proposed new topology and SVPWM algorithm.The simulation results show the new three-level inverter could effectively finish inverting,and the im proved algorithm is very suitable for the new topology.The neutralpointpotential fluctuations are small,and total harmonic distortion is small,leading stable performance.

asymmetrical legs;three-level;inverter;SVPWM

TM 464

1002-087 X(2014)05-0920-04