一種兼顧二極管鉗位型三電平變換器中點電位平衡的窄脈沖處理方法

王琛琛 管 勃

(北京交通大學電氣工程學院 北京 100044)

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一種兼顧二極管鉗位型三電平變換器中點電位平衡的窄脈沖處理方法

王琛琛 管 勃

(北京交通大學電氣工程學院 北京 100044)

綜合考慮窄脈沖補償、中點電位平衡控制及其相互影響，提出一種兼顧三電平變換器中點電位平衡的窄脈沖處理方法。該方法直接分析了窄脈沖對調制波的限制，在完全避免窄脈沖的同時對中點電位平衡控制的影響也極小。仿真和實驗結果表明，該方法具有顯著的窄脈沖補償和中點電位平衡控制效果，整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的窄脈沖處理方法。

三電平變換器 窄脈沖補償 中點電位平衡 零序電壓注入

0 引言

近年來，三電平變換器在中高壓大功率系統(tǒng)中得到了廣泛應用[1-5]。不同于傳統(tǒng)的兩電平變換器，三電平變換器具有如下優(yōu)勢[6-10]：①開關器件需耐受的阻斷電壓減半；②輸出電平數目更多，輸出電壓波形正弦性更好；③電壓變化率(du/dt)減小，EMC問題也相應得到緩解。

對于中高壓大功率的二極管鉗位型三電平變換器(NPC)而言，存在兩個問題需要處理：①窄脈沖問題；②中點電位平衡問題。

不同于兩電平變換器，三電平變換器在更寬的輸出電壓區(qū)域內均會出現窄脈沖。且在中高壓大功率系統(tǒng)中，為保證可靠的開關和安全，死區(qū)和窄脈沖限制時間都設定的較長，如果使用開關速度較慢的IGCTs或GTOs器件，窄脈沖問題則更加突出。窄脈沖會導致開關器件的開關失敗，引起輸出電壓波形畸變，還可能帶來開關器件的熱積累燒毀[11-15]。另外，為保證三電平NPC變換器正常穩(wěn)定運行，還需要著重考慮中點電位平衡控制問題。軟件算法的方式解決中點電位平衡問題是通過合理的調整注入的零序電壓[3-8]。而窄脈沖補償方法也依賴于對零序電壓的合理選擇[13]，兩者間存在較強的限制影響，需采用一種綜合的方法以兼顧窄脈沖補償和中點電位平衡控制。

傳統(tǒng)的窄脈沖處理方法可分為直接窄脈沖剔除法、非最近三矢量SVPWM調制法和零序電壓注入法。直接窄脈沖剔除法僅根據設定的窄脈沖限制時間將窄脈沖剔除或拓展到窄脈沖限制寬度。對于開關速度較慢的GTOs或IGCTs器件而言，直接剔除或拓展脈沖而不做其他處理則會使得變換器的輸出電壓三相不平衡、波形明顯畸變，窄脈沖處理效果較差[11]。文獻[12]指出，采用非最近三矢量的SVPWM調制方法可直接避免產生窄脈沖，但會導致輸出電壓中的諧波含量明顯增加。零序電壓注入的窄脈沖補償方法[13，14]通過同時向三相電壓中注入零序電壓來剔除或拓展脈沖，既保證了變換器輸出線電壓不變，又處理了窄脈沖問題。但該方法在解決某相電壓的窄脈沖時，可能又在其他相電壓中引入了新的窄脈沖。同時，傳統(tǒng)的窄脈沖補償方法都忽視了窄脈沖補償和中點電位平衡之間的耦合影響，導致窄脈沖補償和中點電位平衡的效果都不好。

本文綜合考慮窄脈沖補償和中點電位平衡控制，提出了一種兼顧二極管鉗位型三電平變換器中點電位平衡的窄脈沖處理方法。配合以“搜索尋優(yōu)”的中點電位平衡控制算法，新的窄脈沖處理方法能夠取得較好的窄脈沖補償效果，且對中點電位平衡控制的不利影響也很小。

1 三電平變換器的工作原理、中點電位平衡問題和窄脈沖定義

1.1 三電平變換器的工作原理

三電平NPC變換器的拓撲如圖1所示。

圖1 三電平NPC變換器拓撲圖

當VT1、VT2開通時，U相輸出電壓為Udc/2；當VT2、VT3開通時，U相輸出電壓為0；當VT3、VT4開通時，U相輸出電壓為-Udc/2。同橋臂的4個開關器件，VT1、VT3互補導通，VT2、VT4互補導通，開關狀態(tài)與輸出電平的關系如表1所示。

1.2 三電平變換器的中點電位平衡問題

首先需分析中點電位波動與中點電流之間的關系[6]，如圖2所示。

表1 開關狀態(tài)與輸出電平關系

圖2 母線電容電壓和中點電流示意圖

令上下電容電壓波動值均為Δv，則CΔv/Δt=iC1，且C(-Δv)/Δt=iC2，波動值與中點電流關系可表示為C(2Δv)/Δt=iC1-iC2=io，同時注意到(2Δv=UC1-UC2)，可得中點電位和需補償的中點電流iox間關系

(1)

從而三電平變換器中點電位的平衡控制可轉換為中點電流的平衡控制。各相的端電壓相對于直流側中點電位有3種輸出電平，可表示為Si={-1，0，1}，定義函數Sio為

(2)

易得到瞬時中點電流為

io=Suoiu+Svoiv+Swoiw

(3)

對中點電流在一個開關周期內進行積分得

(4)

以Udc/2為標幺化的基值對輸出電壓進行標幺化處理，則未注入零序電壓的三相輸出電壓Uuo、Uvo、Uwo的最大范圍為±1.15，注入零序電壓的三相輸出電壓Uu、Uv、Uw的最大范圍為±1。

(5)

改變Uz即可改變Ui，從而改變dio，最終影響中點電流io。對中點電位的平衡控制實際上是對注入零序電壓的合理調整。

1.3 窄脈沖定義

開關器件都存在固有的開通時間ton，min和關斷時間toff，min。考慮到三電平變換器的VT1和VT3互補，VT2和VT4互補，將開通時間和關斷時間統(tǒng)一成窄脈沖限制時間tmin。當產生的PWM脈沖寬度小于tmin時，開關器件則無法正常開通和關斷[13-15]。同時可定義窄脈沖限制電壓umin為

umin=tmin/Tc

(6)

式中Tc為載波周期。兩電平變換器和三電平變換器的窄脈沖分布范圍如圖3所示。

圖3 窄脈沖分布范圍

相比兩電平變換器，三電平變換器不僅在輸出電壓接近±1時存在窄脈沖，在零電壓附近也存在窄脈沖。實際應用中，必要的死區(qū)會增大或減小PWM脈沖的實際輸出寬度，窄脈沖限制時間的設定需增加一個死區(qū)時間。

2 傳統(tǒng)的窄脈沖補償方法

2.1 直接窄脈沖剔除法

直接窄脈沖剔除法以設定的窄脈沖限制時間為窄脈沖判斷條件來剔除或拓展窄脈沖到窄脈沖限制寬度[11，14]。該方法僅針對出現窄脈沖的某一相電壓進行補償，導致窄脈沖補償后線電壓畸變嚴重和三相電壓不平衡。

直接窄脈沖剔除法并非完全補償窄脈沖，只能部分緩解窄脈沖的不利影響。中高壓大功率系統(tǒng)的窄脈沖限制時間較長，即便是將窄脈沖影響減小依然嚴重，因而在采用GTOs和IGCTs作為開關器件的中高壓大功率系統(tǒng)中并不適用。

2.2 零序電壓注入的窄脈沖補償法

直接窄脈沖剔除法僅處理了出現窄脈沖的某一相，導致了系統(tǒng)輸出電壓的畸變和三相不平衡。零序電壓注入的窄脈沖補償法以設定的窄脈沖限制時間為條件，同時向三相電壓中注入零序電壓來剔除或拓展窄脈沖[13]。

由于注入了零序電壓，線電壓保持不變，系統(tǒng)不會出現輸出電壓的三相不平衡。但該方法的問題在于，中點電位平衡控制可能使原本沒有窄脈沖問題的相電壓出現新的窄脈沖問題，或當對某一相電壓進行窄脈沖補償時，可能使原本沒有窄脈沖問題的其他相出現新的窄脈沖問題。

情況1：假定umin為0.04，則如果輸出電壓的絕對值小于0.04或大于0.96，則認為是窄脈沖。假設三相指令電壓Uuo、Uvo、Uwo分別為0.140 8、0.159 0和-0.299 8，經中點電位平衡控制后新的指令電壓Uu、Uv、Uw分別為0.981 8、1.0和0.541 2。原本三相指令電壓并不會存在窄脈沖，但經中點平衡控制后不僅U相出現了新的窄脈沖問題，且如果用零序電壓注入法進行補償，則V相將會超出線性調制區(qū)或出現新的窄脈沖。中點電位平衡控制加重了窄脈沖問題。

情況2：假設中點電位平衡控制后三相指令電壓Uu、Uv、Uw分別為0.025、-0.05和0.74。此時如果對U相的窄脈沖進行補償，則補償后三相電壓為0.04、-0.035和0.755。雖然U相的窄脈沖得到了補償，但V相又引入了新的窄脈沖，實際窄脈沖補償效果并不好。

3．積極吸納教育心理學、方法論和化學課程與教學研究的新成果。如:融入西方新的成果，SOLO、學習的進階、PCK等理論;再如:繼承了王佐書教授《中學化學教學論》教材中化學學習論和化學自然科學方法論的精華部分，借鑒了信息技術、微格教學、測量與評價、教學設計等領域研究的成果。

3 兩種改進的基于零序電壓注入的窄脈沖補償方法

針對傳統(tǒng)窄脈沖補償方法存在的上述缺陷，本文提出了兩種改進的解決方案。

3.1 零序電壓注入改進方法一

第二節(jié)的討論指出，在三相調制波幅值都很小、接近窄脈沖限制電壓附近時或在三相調制波幅值不小、但其中兩相調制波接近窄脈沖限制電壓附近時，會因為補償某一相窄脈沖而在其他相中引入新的窄脈沖。為了克服這兩種情況，改進方法一通過判斷系統(tǒng)是否出現了這兩種情況，然后通過改變零序電壓來避開這些區(qū)域。可遵循以下步驟：

1)為保證注入零序電壓后的調制波不超過線性調制區(qū)范圍，且在窄脈沖限制電壓附近不產生新的窄脈沖，中點電位平衡控制能夠取得的零序電壓范圍為：-1-Umin+4umin

2)當三相電壓的絕對值都小于窄脈沖限制電壓時，向三相電壓中注入零序電壓 2umin。

3)當任意兩相電壓的絕對值同時小于窄脈沖限制電壓時，向三相電壓中注入零序電壓3umin。

零序電壓注入改進方法一可解決傳統(tǒng)零序電壓注入法在補償某一相窄脈沖而引入新的窄脈沖的問題，但存在以下兩點問題：

1)中點電位平衡控制的可選零序電壓范圍被嚴重限制。

2)窄脈沖補償算法在中點電位平衡控制后進行，窄脈沖處理時可能需要注入3umin的零序電壓。這不利于中點電位平衡控制的效果。

需要說明的是，以上窄脈沖補償方法均和中點電位平衡控制問題分開獨立處理，并習慣上放在中點電位平衡控制后進行。這也會對中點電位的平衡控制效果造成較大的不利影響。

3.2 零序電壓注入改進方法二

以上所有窄脈沖處理方法都是獨立的考慮窄脈沖補償和中點電位平衡問題，將窄脈沖補償算法放在中點電位平衡控制算法后，兩者間的耦合影響難以協(xié)調。由于窄脈沖補償和中點電位平衡控制都依賴于合理的選擇零序電壓，本文提出一種將窄脈沖補償融入到中點電位平衡控制中同時處理的窄脈沖補償方法。

該方法的思想是直接分析確定窄脈沖對調制波的限制，計算能夠完全避免產生窄脈沖的調制波范圍和可注入的零序電壓范圍。然后中點電位平衡控制算法在計算得到的可注入零序電壓范圍內選擇合適的零序分量，從而同時保證了完全不產生窄脈沖和較好的中點電位平衡控制效果。

為保證中點電位平衡控制后的調制波完全不產生窄脈沖，需確保中點電位平衡控制注入零序分量后的三相電壓同時滿足以下約束條件

umin<|Uz+Uio|<1-umin

(7)

由前面的分析可看出：零序電壓注入改進方法一為避免補償某一相的窄脈沖而引入新的窄脈沖，犧牲了很大的零序電壓自由度。相比而言，零序電壓注入改進方法二通過準確計算可取零序電壓區(qū)間，大大減小了窄脈沖補償時對中點電位平衡控制的不利影響。以開關頻率2 kHz、調制比0.82、窄脈沖20 μs為例，計算得到了不進行窄脈沖補償、采用改進方法一和改進方法二時的可取零序電壓范圍，如圖4所示。

圖4 不同方法的可選零序電壓范圍

圖4中同種類型線條間空白部分為對應窄脈沖補償方法限制后中點電位平衡控制的可選零序范圍。圖4b中改進方法二的中間貫通實線部分為可選零序電壓不能取到的區(qū)域。改進方法一對可選零序范圍的限制極大，嚴重影響了中點電位平衡控制的效果；改進方法二和不補償窄脈沖情況接近，對中點電位的平衡控制影響較小。

3.3 搜索尋優(yōu)中點電位平衡控制法

采用零序電壓注入改進方法二，可得到一個受限的可選零序電壓范圍。為方便中點電位平衡控制算法在受限的可選零序電壓范圍內選擇合適的零序分量進行中點電位平衡控制，本文采用了一種搜索尋優(yōu)的中點電位平衡控制方法。其基本思想是遍尋全部可取零序電壓來計算對應的中點電流io，選擇iox和io差的絕對值最小的零序電壓注入，詳細算法可參考文獻[5]。

4 仿真和實驗驗證

為從窄脈沖補償和中點電位平衡控制兩方面對傳統(tǒng)的窄脈沖補償方法和新提出的窄脈沖處理方法進行比較，本文基于Matlab/Simulink仿真軟件和7.5 kW實驗平臺分別進行了仿真和實驗。仿真和實驗參數如表2所示。

電機控制方式采用VVVF控制，電機空載運行。圖5和圖6分別對應仿真和實驗結果。四通道分別對應理想情況、考慮20 μs窄脈沖、直接窄脈沖剔除法、傳統(tǒng)零序電壓注入法以及改進方法一和改進方法二情況下的輸出線電壓、上下電容電壓、上下電容電壓之差以及輸出相電流波形。

表2 仿真和實驗參數

圖5 各種窄脈沖補償法的仿真比較

圖6 各種窄脈沖補償法補償的實驗驗證Fig.6 Experiments of narrow pulse compensation

理論分析與仿真和實驗得到的結果十分吻合。同時對仿真和實驗的相電流波形進行FFT分析，可得到表3所示的比較結果。

表3 各種補償方法電流波形的FFT分析

對比圖6中各種方法的相電流可發(fā)現，直接窄脈沖剔除法和傳統(tǒng)的零序電壓注入法對窄脈沖的補償效果并不太好，在中高壓大功率、窄脈沖限制時間要求較長的場合并不適用。

從圖6e中可看出，零序電壓注入改進方法一能很好的克服傳統(tǒng)零序電壓注入法的缺陷，窄脈沖補償效果較好，但對中點電位平衡的不利影響較大，中點電位波動明顯。

由圖6f可知，零序電壓注入改進方法二不僅能夠對窄脈沖進行很好的補償，同時對中點電位平衡控制的不利影響也極小。

表3中各種補償方法電流波形的FFT分析結果也佐證了上述結論。

5 結論

本文針對中高壓大功率的二極管鉗位型三電平變換器，綜合考慮窄脈沖補償、中點電位平衡控制及其耦合影響，提出了一種兼顧三電平變換器中點電位平衡的窄脈沖處理方法。仿真和實驗結果表明新方法在窄脈沖補償和中點電位平衡兩方面都具有很好的效果。得出如下結論：

1)傳統(tǒng)的窄脈沖補償法或是會導致三相電壓的不平衡，或是會在補償某相窄脈沖時在其他相中引入新的窄脈沖。而改進方法一和二能夠很好的解決上述問題。

2)改進方法一以犧牲大量的零序電壓自由度為代價避免了傳統(tǒng)窄脈沖補償法存在的各種缺陷，但對中點電位平衡控制的不利影響很大，中點電位波動嚴重。

3)改進方法二將窄脈沖補償融入中點電位平衡控制中，在完全避免產生窄脈沖的同時對中點電位平衡控制的不利影響極小。

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A Narrow Pulse Processing Method Considering Neutral-point Potential Balance Problem of Diode-clamped Three-level Inverters

WangChenchenGuanBo

(School of Electrical Engineering of Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China)

To consider the narrow pulse compensation，neutral-point potential balance，and their coupling effects simultaneously，a solution method for three-level inverters is presented in this paper.Based on the analysis of the limits of modulation wave caused by narrow pulses，this method can avoid narrow pulse problem completely and has less adverse effects on the neutral-point potential balance control.Simulation and experimental results verify that it has a significant performance for narrow pulse processing and neutral-point potential balance.Its overall performance is better than traditional narrow pulse methods.

Three-level inverters，narrow pulse processing，neutral-point potential balance，zero-sequence voltage injection

2014-12-29 改稿日期2015-08-02

TM464

王琛琛 男，1981年生，博士，副教授，研究方向為大容量功率變換和交流電動機控制。(通信作者)

管 勃 男，1989年生，碩士研究生，研究方向為大容量多電平變換器控制技術。