三电平逆变器控制方法研究

2022-01-17江倩雯

电子元器件与信息技术 2021年9期

江倩雯

（南京市仪器仪表工业供销有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

在使用两电平逆变器时，人们通过提高逆变器中的开关器件的频率来降低输出谐波含量，而器件开关频率的加大会对开关器件的使用寿命造成巨大的影响，同时减少电流中的谐波含量效果并不明显，逆变器的输出性能也没有得到改善。后针对逆变器中的开关器件的速度缺点，人们提出了三电平逆变器概念。通过改良逆变器的主电路结构，使器件开关始终处于低频状态，以此减小应力作用和改善波输出波形。同时使用三电平逆变器有效降低了系统对器件的耐压等级，也使得逆变器中输出的谐波含量大大减少，满足了功高电压、大功率逆变器的需求[1]。

1 三电平逆变器相关介绍及其控制问题

1.1 三电平逆变器的基本原理

现阶段，三电平逆变器主电路采用的是二极管中点嵌位电路。即利用一对中点箱位二极管实现与上下桥臂串联的二极管相连，并按照一定逻辑顺序实现了对开关的有效控制，促进正弦波在输出端的形成。运用这种方式连接的电路性能强于二电平逆变器的电路，尤其是其各个器件开关所承受的电压只有原来的一半，有效缓解了高电压所带来的问题。这不仅有利于提升逆变器的工作性能，而且也大大改善了波形质量[2]。

1.2 三电平逆变器的PWM控制

三电平逆变器理论于1980年被国外学者提出，该技术一经研发就立刻投入使用，并取得了理想的应用效果。而对于改善三电平逆变器输出波形的问题始终是中外学者研究的热点。通常情况下，电压源型逆变器的输出特性会受逆变器采用的器件开关的影响，使用PWM技术可以有效改善器件开关频率。通过对脉冲宽度进行调制，能得到相对理想的正弦输出波形。随着相关学者的不断研究，PWM调制控制方案越来越多，使得对输出波形的控制日益成熟。采用PWM技术调制有较多优势，比如它能使开关频率处于恒定状态，在最大程度上限定谐波频谱，以及优化开关模式等。不仅如此PWM技术调制还可以实现起到反抑制谐波的作用。其中正弦波PWM是一种人们较为常用的调制方式，又被称为相电压控制法。通过依据既定的标准，实现正弦信号波和三角载波的脉宽切换，产生有脉宽和频率的开关信号，然后借由开关器件的驱动输出相应的信号。这种方法运用起来较为简单，而且还能解决电动机的谐波损耗、出现噪声、转矩脉动等问题。不同于正弦SWPM调制方法，空间矢量SvWPM调整方法是将电机与逆变器看成一个整体，让电压供电时交流电动机的圆形磁场为准，实现对基准磁链园的跟踪，以形成三电平逆变器的空间矢量SPy控制器结构。空间矢量PWM技术的运用简单，其控制算法也十分直观，能够在整个交流调速系统中得到诸多运用[3]。

1.3 电流闭环的三电平逆变器WM控制

一般说，转矩或者电流的控制质量会对交流电机的控制性能造成极大的影响。在磁通恒定的条件下，要想满足相应的动态响应需求，并且能在极低的转速下平稳运行，需要对电流进行闭环处理，以实现控制。而借助WPM控制方法，可以保证动态负载下电压控制的稳定度，及其精准度，并且能够实现对波形的改善。WPM控制具有方法使用简单、动态响应快、具有较强的电流限制能力，以及提高电压利用率等优势。同时它具有电压和电流控制机能，可以让三电平逆变器性能得到进一步提升。目前滞环电流PWM控制、线性电流PWM控制、预测电流PWM控制等方法较为主流，可以实现电流环闭调制。滞环电流控制器是必不可少的器件，它通过对负载端实际电流进行控制，并在跟踪中能让误差最小化，从而使电流指令信号，以实现对滞环电流的控制。而滞环比较器在滞环环带较高，且超出既定要求，能够直接发出变换器开关信号，以实现对电流的控制。由此可见，滞环控制方案操作相对简单，是一种较为流行的电流控制方法。此外，从功能和效用上看，三电平逆变器线性电流PWM控制器，可以将其分成误差补偿和PWM控制两个板块。而在线性电流PWM控制器中最常见的是斜波比较器。该控制器中有实现对电流误差的补偿机制，借由PI调节器产生电压控制信号。然后再经过调制器处理后，所产生的电压信号会驱动开关信号。使用此方案时，需要注意的是输出电流产生的脉动在返回输入端后对信号产生所造成的影响，要注重PI调节器在此过程中发挥减小电流脉动和控制电流低频特性的作用。

1.4 二极管中点钳位型三电平逆变器容易出现的问题

在高压技术尚不成熟时，二电平逆变器是十分常用的，后随着多电平逆变器技术的成功发展，使得二电平逆变器不再适应于工业相关领域。三电平逆变器是多电平逆变器应用中的一种体现，现有许多研究成果和应用案例。其中二极管中点钳位型三电平逆变器的研制存有较多困难，至今仍有许多技术难题得不到解决。首先，二极管钳位型逆变器的性能分析较为困难。尤其是它结构复杂，且每一相桥臂都由多个功率开关管和二极管组成，难以实现对每个开关管和二极管工作情况的了解。再加上复杂的调制方法，使得开关无休止的工作，不停地开通与关断，使得逆变器出现不同工作模式，处于多种工作状态。其次，二极管和开关是否处于实时在线状态难以进行了解，且对大功率的器件需要进行更多次的离线测试和准在线测试。而无论是哪种方法，都不能同时掌握各器件的动态特性，从而无法得知其在线状态。最后，故障预防和裕量设计不够恰当。尤其是不能监测到大功率开关半导体器件，在发生故障时的动态特性，难以给出相应的预防参考。所以在选择裕量时，技术人员往往也只能凭借经验，并不能给予合理的裕量控制[4]。

2 三电平逆变器的控制方法

2.1 SVPWM方法控制

对于三电平逆变器使用性能进行控制，可以采用SVPWM方法实现控制。首先，依据给定的空间电压矢量的幅值及其相位角，可以判断出给定空间矢量所在的三角大扇区和小区间，然后根据相关区间选择所使用的电压矢量，以及选择计算空间电压矢量作用时间的方法。在此过程中需要注意的是，保持小矢量和其对应多出来的矢量的作用时间相等，以及观察每个控制周期，同时采用零矢量开始和以零矢量结束的技术方法，以建立相对应的电压空间矢量调制模式，以达到实现控制的目的。而后依据所使用的电压空间矢量，以及利用控制器输出开关器件所需要的三相PWM脉冲信号，让控制器输出开关器件所需要的脉冲信号，在经过电路放大后送给相应的开关器件，以实现对三电平逆变器的控制。此外，基于SVPWM的三电平逆变器控制，还需要注意以下问题。如果三电平逆变器在高电压环境进行应用，可以考虑采用对称的单脉冲触发控制方式。由于在这种方式下，电压谐波虽然分量较多，但通过使其处于适当的触发，仍可以谐波分量满足既定的使用要求。而且这种控制方式较为便捷使用，且容易实现。尤其是它开关频率较低，耗能小，符合大功率场合的应用要求，并且也能进行良好的应用控制。而在低电压场合，采用单脉冲的控制方式显然是不可取的。由于谐波分量会大大增多，影响逆变器的整体性能，所需要采用其他方式进行控制。而PWM带宽控制是一个不错的选择，它具有较多优点，且PWM能输出较好的波形[5]（如图1，2所示）。

图1 NPC式三电平逆变器主电路图

图2 三电平逆变器电压空间矢量

2.2 中点点位控制方法

对于三电平逆变器中点点位的控制而言，需要依托合理的方法实施控制，以免达不到理想效果。首先中点点位建立三电平三相并网主电路结构，然后输入相应的直流电压。第一电容、第二电容接收电压并进行分压后，再将电压提供给三电平逆变器，而三电平逆变器输出经三相滤波环节后至三相电网。在此过程中，可以设定原有流出三电平逆变器的电流为正，流入三电平逆变器的电流为负。同时采用增加电压的方式进行处理，使得三电平逆变器的三相瞬时电压的输出产生电压U1。此时通过增加或减少第一电容、第二电容的充放电，使得U1=Uc1–Uc2，使Uc无限趋近于零，则完成对叠加后新的三相瞬时电压输出UA UB UC的中点点位控制。

2.3 一种三电平逆变器过零切换逻辑控制

一种三电平逆变器过零切换的逻辑控制，需要能够对信号发生区域进行科学的判断。我们假设信号切换未发生在第二区域，而是发生在第一区域、第三区域或第四区域时，控制三电平的四个开关的外管Q1、Q4应处于关闭状态，而内管Q2、Q3则应保持原有的状态，直到PWM2为高压电平后再按照原发波路进行控制。通过按照控制发波逻辑，可将切换过程分成四个区域，且能够实现在不同区域内分别对开关进行独立的逻辑控制。通过在三电平逆变器在正负半周切换的过程中，保证互补开关管Q1 Q3 Q2 Q4之间的死区时间，这样就能有效避免开关管之间的导通，能够有效防止器件的短路，尤其是逆变桥臂的短路，从而保证电路的畅通和电路的稳定工作。