基于SHEPWM的三电平NPC逆变器中点电压波动抑制方法研究

2018-10-09胡耀威程竟陵陈国柱

机电工程 2018年9期

周游，胡耀威，程竟陵，陈国柱

(浙江大学电气工程学院,浙江杭州 310027)

0 引言

为了满足风力发电、机车牵引和矿井提升等对中高压大功率变流器的需求，三电平变流器成为主流选择[1]。目前广泛使用的三电平变变流器有3种。对于NPC变流器，研究热点为中点电位平衡控制和在低开关频率下的PWM技术。而中点平衡控制对于NPC变流器非常重要[2]，近几十年来研究人员提出了大量的中点电位平衡控制方法：通过调整三电平SVPWM中冗余小矢量对的占空比[2-3]解决中点电位平衡问题；除此之外，也存在通过调节三电平SPWM中注入的零序电压的中点电位平衡控制方法[4]。尽管仍有其他文献讨论三电平NPC变流器中点电位平衡问题，但一般都是基于SPWM或SVPWM调制策略。

为了降低中高压大功率应用装置中的开关损耗，需要一些开关频率较低的特殊调制技术，包括同步调制、电流谐波最小PWM[5]和特定谐波消除PWM。文献[6]提出了一种中点电位滞环控制方法，在中点电压偏高需要放电时，将对电容充电的PWM组合替换为对电容放电的PWM组合，有效抑制了中点电压波动，但存在开关频率较大、输出电压波形不对称等问题。在此基础上，文献[7-8]利用切换对中点电压作用相反的冗余小矢量，能有效地抑制中点电压波动，但仍存在增加开关频率的问题。文献[9]提出了基于三次谐波控制的三电平SHEPWM优化策略，但未能给出三次谐波的最佳含量。

本文提出基于三次谐波定量控制的三电平SHEPWM下中点电压低频波动的抑制方法。

1 三电平特定谐波消除调制

1.1 三电平NPC

三电平中点钳位逆变器(NPC)的每相由4个全控型器件和2个二极管组成，其结构如图1所示。

图1 三电平NPC并网逆变器拓扑结构

a相电压与桥臂上4个开关管通断状态的对应关系如表1所示。

表1 a相输出电压与桥臂开关管状态的关系

注：1—开关管导通；0—开关管关断

1.2 三电平SHEPWM

NPC逆变器单相输出电压波形如图2所示。

图2 NPC逆变器输出单相电压波形注：αk—开关角，即开关管通断状态切换的时刻

输出电压为1/4周期对称，对其进行傅里叶分解，令基波幅值等于参考电压，6h±1次谐波幅值为0，则求解1/4周期对称SHEPWM的方程为：

(1)

式中：M—基波调制比，M=U1/(Udc/2)。

由于3次及其倍数次谐波在三相系统中为零序，传统SHEPWM不对三倍频谐波进行控制。

2 中点电压波动抑制策略

传统SHEPWM开关角求解方程，没有将中点电位平衡控制引入方程中，同时也没有对三次谐波进行控制，本文将三次谐波控制引入到中点电压低频波动抑制中来。

首先要求出中点电流与三次谐波含量的关系。假设三相电压只含有基波分量与三次谐波含量，即：

(2)

(3)

(4)

式中：k3—三次谐波幅值与基波幅值的比值。

假设三相电流只含有基波分量，其他各次谐波都已消除，则三相电流可表示为：

(5)

式中：φ—功率因数角。

针对PWM调制，三相参考电压与中点电流的关系为[10]：

(6)

将式(4)代入式(6)中可得：

io=-M|sinθ+k3sin(3θ)|ia-

M|sin(θ-2π/3)+k3sin(3θ)|ib-

M|sin(θ+2π/3)+k3sin(3θ)|ic

(7)

考虑到k3会影响sinθ+k3sin(3θ)的正负，对方程简化造成困难，有必要对k3取值进行限制。令sinθ+k3sin(3θ)与sinθ符号保持一致，即在0<θ<π时，sinθ+k3sin(3θ)为正，在π<θ<2π时，sinθ+k3sin(3θ)为负。通过分析sinθ/sin(3θ)的波形，可得：

-1/3

(8)

由于极值点很容易获得，这里不再赘述。则式(7)可简化为：

(1)当0<θ<π/3时：

io=-M[sinθ+k3Msin(3θ)]ia+

M[sin(θ-2π/3)+k3Msin(3θ)]ib-

M[sin(θ+2π/3)+k3Msin(3θ)]ic=

(9)

(2)当π/3<θ<2π/3时：