陳學(xué)利，劉 穩(wěn)，郭 鵬

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0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，二極管鉗位型三電平逆變器技術(shù)在高壓大功率場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，然而這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大規(guī)模推廣受制于直流母線電容電壓不平衡及各橋臂內(nèi)側(cè)功率器件關(guān)斷過電壓的影響[1-3]。為此，本文對(duì)一種二極管、電容雙鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能夠同時(shí)解決上述兩個(gè)問題。

其最早由韓國(guó)學(xué)者Young-Seok Kim在1993年提出[4]，此后較少有文獻(xiàn)進(jìn)行研究。直到2005年，文獻(xiàn)[5]對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本原理進(jìn)行了分析，對(duì)于進(jìn)一步的調(diào)制策略則未提及。2008年，文獻(xiàn)[6]將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中，基本原理沿用了文獻(xiàn)[5]的內(nèi)容，空間矢量平衡調(diào)制方法通過比較直流側(cè)兩電容電壓與三相鉗位電容電壓差值的方法實(shí)現(xiàn)，過程較為復(fù)雜。

本文在前文研究的基礎(chǔ)上提出了一種通過開關(guān)狀態(tài)切換實(shí)現(xiàn)鉗位電容電壓平衡的控制方法，并提出通過對(duì)288種“七段式”電壓空間矢量組合對(duì)中點(diǎn)電位影響特性進(jìn)行分析的方法，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡控制，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 雙鉗位三電平逆變器工作原理分析

雙鉗位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。以A相為例，每相橋臂可以輸出4種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)3種電平，如表1所示，其工作原理分析如下。

圖1 雙鉗位三電平逆變器拓?fù)鋱D

SASa1Sa2Sa3Sa4UAO1+ONON0FFOFF0.5Udc0+ON0FFON0FF00-0FFON0FFON01-0FF0FFONON-0.5Udc

(1)當(dāng)開關(guān)狀態(tài)SA=1+時(shí)，即A相橋臂開關(guān)Sa1、Sa2導(dǎo)通，Sa3、Sa4關(guān)斷，此時(shí)的雙向電流通路如圖2中回路①、②所示。當(dāng)直流側(cè)電容C1兩端電壓高于鉗位電容Ca兩端電壓時(shí)，將通過回路③對(duì)Ca進(jìn)行充電，從而自動(dòng)平衡直流側(cè)電容C1、C2兩端電壓。

圖2 開關(guān)狀態(tài)SA=1+、1-時(shí)電流通路分析

(2)當(dāng)開關(guān)狀態(tài)SA=1-時(shí)，即A相橋臂開關(guān)Sa3、Sa4導(dǎo)通，Sa1、Sa2關(guān)斷，此時(shí)的雙向電流通路如圖2中回路④、⑤所示。當(dāng)直流側(cè)電容C2兩端電壓高于鉗位電容Ca兩端電壓時(shí)，將通過回路⑥對(duì)Ca進(jìn)行充電，從而自動(dòng)平衡直流側(cè)電容C1、C2兩端電壓。

在這兩種狀態(tài)下，鉗位電容Ca兩端過電壓均不能夠釋放，原因如下：Ca若要釋放其兩端電壓，必須形成對(duì)負(fù)載的放電通路，即在SA=1+狀態(tài)下，必須滿足Sa3、Da1同時(shí)導(dǎo)通，但Sa3在這種狀態(tài)下是關(guān)閉的，因此無法形成放電通路；同樣在SA=1-狀態(tài)下，若要形成對(duì)負(fù)載的放電通路，必須滿足Sa2、Da4同時(shí)導(dǎo)通，但Sa2在這種狀態(tài)下也是關(guān)閉的，因此無法形成放電通路。

(3)當(dāng)開關(guān)狀態(tài)SA=0+時(shí)，即A相橋臂開關(guān)Sa1、Sa3導(dǎo)通，Sa2、Sa4關(guān)斷，此時(shí)的雙向電流通路如圖3中回路⑦、⑧所示。當(dāng)直流側(cè)電容C1兩端電壓高于鉗位電容Ca兩端電壓時(shí)，其充電回路與圖2中回路③一致。

當(dāng)Ca兩端電壓高于半母線電壓且電流由回路⑧流動(dòng)時(shí)，此時(shí)Da1滿足導(dǎo)通條件，Sa1也是導(dǎo)通的，則Ca將通過圖3中回路⑨對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電。

圖3 雙鉗位逆變器SA=0+時(shí)通路分析

(4)當(dāng)開關(guān)狀態(tài)SA=0-時(shí)，即A相橋臂Sa2、Sa4導(dǎo)通，Sa1、Sa3關(guān)斷，此時(shí)的雙向電流通路如圖4中回路⑩、所示。

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圖4 雙鉗位逆變器SA=0-時(shí)通路分析

當(dāng)直流側(cè)電容C1兩端電壓高于鉗位電容Ca兩端電壓時(shí)，其充電回路與圖2中回路⑥一致。當(dāng)Ca兩端電壓高于半母線電壓，且電流經(jīng)回路流動(dòng)時(shí)，此時(shí)Da4滿足導(dǎo)通條件，Sa2也是導(dǎo)通的，Ca將通過回路對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電。

由以上分析可得結(jié)論：(1)通過鉗位電容與直流側(cè)電容之間相互充放電過程能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)中點(diǎn)電位的自動(dòng)平衡控制；(2)只要Sa1、Sa4導(dǎo)通即可對(duì)Ca進(jìn)行充電，即在四種開關(guān)狀態(tài)下均可實(shí)現(xiàn)鉗位電容充電控制；但僅在SA=0+、SA=0-且滿足特定電流通路的情況下，Ca才能夠放電。(3)由以上兩個(gè)結(jié)論可知，若要實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容與鉗位電容之間的均衡控制，關(guān)鍵是要滿足鉗位電容的放電條件。

2 鉗位電容電壓平衡控制策略

本文根據(jù)電流通路不能突變的特點(diǎn)提出了通過開關(guān)狀態(tài)切換實(shí)現(xiàn)鉗位電容電壓平衡的控制方法[7-8]。以A相為例，由前面的分析可知，鉗位電容電壓平衡的關(guān)鍵是使放電通路⑨或?qū)?。而放電通路⑨?dǎo)通的前提條件是回路⑧和Da1導(dǎo)通；放電通路導(dǎo)通的前提條件是回路和Da4導(dǎo)通。而在兩種零電平狀態(tài)下，當(dāng)回路⑧或?qū)ㄇ毅Q位二極管兩端電壓大于半母線電壓時(shí)，二極管Da1或Da4會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通。因此，僅需考慮如何使回路⑧或?qū)?。由于電流方向不能突變，因此可以考慮通過開關(guān)狀態(tài)之間的相互切換實(shí)現(xiàn)回路⑧或的導(dǎo)通，分析如下。

當(dāng)SA=1+與SA=0+相互切換時(shí)，電流在回路①與⑦之間相互切換，不滿足放電條件；當(dāng)SA=1+與SA=0-相互切換時(shí)，電流在回路①與之間相互切換，回路導(dǎo)通，滿足放電條件；當(dāng)SA=1-與SA=0+相互切換時(shí)，電流在回路④與⑧之間相互切換，回路⑧導(dǎo)通，滿足放電條件；當(dāng)SA=1-與SA=0-相互切換時(shí)，電流在回路④與⑩之間相互切換，不滿足放電條件，電流回路見圖2、圖3、圖4。因此，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)的切換遵循SA=1+與SA=0-、SA=1-與SA=0+的規(guī)律時(shí)，即可能夠滿足放電通路形成的條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉗位電容電壓的平衡控制。對(duì)于雙鉗位三電平整流，仍可采用這種方法作類似分析，得出整流狀態(tài)下應(yīng)滿足SA=1+與SA=0+、SA=1-與SA=0-切換規(guī)律才能夠?qū)崿F(xiàn)鉗位電容電壓平衡。

3 電壓空間矢量平衡控制方法

雙鉗位三電平逆變器可以輸出34=64種電壓空間矢量。其中，每個(gè)零矢量對(duì)應(yīng)10種冗余開關(guān)狀態(tài)，每個(gè)小矢量對(duì)應(yīng)6種冗余開關(guān)狀態(tài)，每個(gè)中矢量對(duì)應(yīng)2種冗余開關(guān)狀態(tài)，每個(gè)大矢量對(duì)應(yīng)1種開關(guān)狀態(tài)，矢量圖如圖5所示。

圖5 雙鉗位三電平逆變器電壓空間矢量圖

由于電壓空間矢量對(duì)直流側(cè)上、下半母線電容C1、C2兩端電壓的影響僅與流過中點(diǎn)電位的電流inp有關(guān)，與鉗位電容電流無關(guān)，因此在分析直流側(cè)電壓平衡控制時(shí)，可以忽略鉗位電容電壓影響。則此時(shí)雙鉗位三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制與二極管鉗位三電平逆變器方法一致，可以參考文獻(xiàn)[9]。通過對(duì)64種空間矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響特性進(jìn)行分析，得出其對(duì)中點(diǎn)電位的影響可以歸納為5類，如表2所示。

表2 空間矢量對(duì)中點(diǎn)電位影響特性

得出64種空間矢量的影響特性后，進(jìn)一步分析“七段式”空間矢量的選擇。由于空間矢量的增多，每個(gè)小三角形中“七段式”SVPWM調(diào)制序列增加至8種，以圖5中大扇區(qū)S=1，小扇區(qū)n=1～6為例，其存在48種“七段式”電壓空間矢量序列，如表3所示。

表3 大扇區(qū)S=1，小扇區(qū)n=1～6時(shí)，48種“七段式”電壓空間矢量序列

以圖5中S=1，n=1為例，空間矢量序列對(duì)中點(diǎn)電位影響特性如表4所示，每個(gè)空間矢量下方符號(hào)代表其對(duì)中點(diǎn)電位的影響特性。結(jié)合“七段式”空間矢量序列作用時(shí)間的對(duì)稱性，由表可見作用序列1、2、6會(huì)造成中點(diǎn)電位下降；作用序列3、4、5會(huì)造成中點(diǎn)電位上升；只有作用序列5、8的影響最弱，而小的電位波動(dòng)可以通過直流母線電容與鉗位電容之間相互充放電實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。

表4 S=1，n=1時(shí)空間矢量對(duì)中點(diǎn)電位影響特性

進(jìn)一步根據(jù)鉗位電容電壓平衡條件作篩選，以A相為例，由鉗位電容電壓平衡控制方法可知，逆變狀態(tài)下當(dāng)開關(guān)狀態(tài)的切換遵循SA=1+與SA=0-、SA=1-與SA=0+的規(guī)律時(shí)才能夠?qū)崿F(xiàn)鉗位電容電壓平衡控制。其中作用序列5中A、B兩相不滿足切換條件，作用序列8中僅C相不滿足切換條件，另外兩相滿足，不滿足條件的這一相可以通過在下一個(gè)小三角形中選擇滿足條件的矢量組合。因此，最終選擇作用序列8作為該小三角形的矢量作用次序。

其他5個(gè)大扇區(qū)中的240種“七段式”電壓空間矢量序列可以采取同樣的方法進(jìn)行分析，最終從288種“七段式”電壓空間矢量作用序列中選擇出既滿足鉗位電容電壓平衡，又滿足中點(diǎn)電位平衡的空間矢量作用序列。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證控制方法的正確性，搭建了雙鉗位三電平逆變器及二極管鉗位三電平逆變器Matlab仿真模型。二者共有的仿真參數(shù)一致，如下：直流母線電容C1=C2=4700 μF，阻感負(fù)載：RL=5 Ω，LL=1 mH，直流電源Ud=1140 V，采樣頻率2000 Hz。鉗位電容Ca=Cb=Cc=1200 μF，仿真波形如圖6所示。

圖6 仿真波形

圖6(a)為雙鉗位三電平逆變器輸出線電壓波形；圖6(b)、圖6(c)分別為雙鉗位和二極管鉗位三電平逆變器輸出中點(diǎn)電位波形；初始時(shí)刻將直流母線電容電壓差值設(shè)為570 V時(shí)，雙鉗位和二極管鉗位三電平逆變器中點(diǎn)電位自恢復(fù)波形如圖6(d)、圖6(e)所示。對(duì)比圖6(b)～圖6(e)可見，雙鉗位結(jié)構(gòu)通過直流側(cè)電容與鉗位電容之間相互充放電的自調(diào)節(jié)過程，穩(wěn)定中點(diǎn)電位的能力更強(qiáng)，恢復(fù)中點(diǎn)電位平衡的速度更快；圖6(f)、圖6(g)分別為鉗位電容滿足放電條件和不滿足放電條件下Ca、Cb、Cc兩端的電壓波形，可見滿足放電條件時(shí)鉗位電容電壓始終保持平衡狀態(tài)；不滿足放電條件時(shí)，由于形不成有效的放電通路，鉗位電容難以釋放其兩端過電壓，保持在與直流側(cè)母線電壓接近相等狀態(tài)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，基于繞線電機(jī)搭建了雙鉗位三電平逆變器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，功率開關(guān)器件選用Infineon FF650R17IE4雙管IGBT模塊，直流母線電容為2x5000 μF的薄膜電容，鉗位電容為1200 μF薄膜電容，控制系統(tǒng)采用TMS2812+Xinlinx CPLD/FPGA結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7(a)～圖7(e)分別為AB相之間線電壓波形、中點(diǎn)電位波形、功率開關(guān)器件關(guān)斷過電壓波形、A相鉗位電容兩端電壓波形及輸出電流波形。由圖7(a)可見，線電壓Uab共有5種電平狀態(tài)，與圖6(a)仿真結(jié)果一致；由圖7(b)可見，中點(diǎn)電位波動(dòng)較小，實(shí)驗(yàn)測(cè)得中點(diǎn)電位波動(dòng)在±42 V左右，可算得直流紋波系數(shù)約為3.75%；由圖7(c)可見，當(dāng)負(fù)載電流為305 A時(shí)，功率開關(guān)器件Sa2關(guān)斷過電壓約為600 V，通過鉗位電容的鉗位作用有效控制了功率開關(guān)器件的關(guān)斷過電壓；由圖7(d)可見，鉗位電容兩端電壓穩(wěn)定在600 V上下波動(dòng)，可見本文所采用的鉗位電容控制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)鉗位電容電壓的控制；由圖7(e)可見，負(fù)載電流波形正弦度良好。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，雙鉗位三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠有效保持中點(diǎn)電位的穩(wěn)定，并抑制功率開關(guān)器件關(guān)斷過電壓。

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

6 結(jié) 語

本文以雙鉗位三電平逆變器為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了其工作原理，并對(duì)其平衡控制方法進(jìn)行了研究，分別提出了鉗位電容電壓及直流母線電容電壓平衡的控制方法。通過Matlab仿真及基于雙繞線電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果均證實(shí)了控制方法的有效性及該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在穩(wěn)定中點(diǎn)電位及抑制過電壓方面的優(yōu)越性。