三電平逆變器

三電平逆變器主電路現(xiàn)在采用的是比較實用的二極管中點嵌位電路,通過一對中點箱位二極管分別與上下橋臂串聯(lián)的二極管相聯(lián),將功率開關(guān)器件GIBTQ:~Ql:分別串聯(lián),二極管D:~D.用于嵌位電平,C:,C:均衡直流側(cè)電壓(C=IC:),并按一定的開關(guān)順序邏輯控制產(chǎn)生三種相電壓電平E二/2、O、一E二/2,在輸出端合成正弦波。相比原來兩電平電路優(yōu)點顯著:每個開關(guān)器件承受的電壓值相當(dāng)與原來直流電壓的一半,波形質(zhì)量得到了改普 。

根據(jù)三電平逆變器的定義,這種逆變器結(jié)構(gòu)的輸出為三個電平或者說是三個狀態(tài),即(一E/2、0、 E/2),用符號相應(yīng)地表示為(N、0、P)。因此,對于三相電壓型逆變器一共就存在著27種輸出狀態(tài)。在圖3.1所示的三電平逆變器主回路結(jié)構(gòu)中,a、b、c三相均由四個開關(guān)共同組合構(gòu)成,每一相的輸出狀態(tài)也就是由這四個開關(guān)的不同狀態(tài)組合決定的 。

三電平拓撲結(jié)構(gòu)具有輸出容量大、 輸出電壓高、電流諧波含量小等優(yōu)點， 使得三電平結(jié)構(gòu)在高壓大功率 交 流 電 機 變 頻 調(diào) 速 領(lǐng) 域 得 到 了 廣 泛 的應(yīng)用。為防止逆變器橋臂直通， 必須在同一橋臂互補的觸發(fā)信號中加入死區(qū) 以保證同橋臂上開關(guān)管可靠關(guān)斷后， 與之互補的開關(guān)管才能導(dǎo)通。但由于死區(qū)時間的引入，導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能變差，輸出電壓與電流發(fā)生畸變， 特別是低速時可能會導(dǎo)致電動機發(fā)生機械諧振。為了克服上述缺點， 需要對死區(qū)進行補償。研究中提出了一種應(yīng)用在兩電平逆變器裝置中較好的死區(qū)補償?shù)姆椒ǎ?將死區(qū)時間、 IGBT 開通和關(guān)斷時間、 IGBT 及續(xù)流二極管的管壓降等都考慮到。研究給出了一種基于 FPGA 的三電平逆變器死區(qū)補償方法， 但沒有考慮 IGBT 管壓降及開關(guān)時間對死區(qū)補償?shù)挠绊?。研究基于空間矢量調(diào)制，提出一種三電平死區(qū)補償策略，但沒有考慮到開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。研究所給出的三電平死區(qū)補償策略沒有考慮功率器件的開關(guān)延時 。

電平逆變器屬于電壓型逆變器,它是多電平逆變器中比較有實用意義的一種電路。多電平逆變器的思想提出至今,經(jīng)過多年的研究發(fā)展出現(xiàn)了許多電路拓撲,但歸納起來主要有三種拓撲結(jié)構(gòu):(1)中點鉗位型(Neural-Point-elamped簡稱NPc)多電平逆變器或二極管鉗位(Diod-eclmaPed)多電平逆變器,(2)電容鉗位式(Flying-Capaeitor),(3)具有獨立直流電壓源的級聯(lián)型逆變器(caseaded-InvertersWithSeparatedDesourees).近年來,從不同的應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)出了多種基于多電平逆變電路的基本結(jié)構(gòu),但研究其拓撲結(jié)構(gòu)理論特點的論述還很少。多電平逆變電路的核心問題是電平鉗位(voltageclamPed)。除了電平鉗位問題外,電路單元間的動、靜態(tài)均壓,簡化開關(guān)控制邏輯,在相同電平數(shù)輸出下減少使用的功率器件,功率能否雙向流動等也是分析多電平電路必須要考慮的問題 。

近來,隨著高電壓技術(shù)的飛速發(fā)展和它在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的日趨擴大,高電壓IGBT(HVIGBT)器件和IGCT器件都擴大了它們的應(yīng)用領(lǐng)域.兩電平逆變器輸出的電壓僅有(一V、 V)兩級。對于這種逆變器結(jié)構(gòu),人們通常是靠提高逆變器中的開關(guān)器件的開關(guān)頻率來減少逆變器輸出電流中的諧波成份的。但是在高電壓、大功率的工業(yè)實際應(yīng)用場合中,所采用的功率器件的開關(guān)頻率必須限制在IKHz以下,即使采用的是HYIGBT或GICT器件。這是因為,隨著器件開關(guān)頻率的增高,開關(guān)器件損耗的速度也會隨之以更快的速度增大。因此,在這種環(huán)境中,人們期望通過采用控制兩電平逆變器的常規(guī)控制策略一一不斷提高系統(tǒng)中開關(guān)器件的開關(guān)頻率,來改善逆變器的輸出性能,使得輸出電流中的諧波成份得到減少是十分困難的,有時甚至是不可能實現(xiàn)的。這就要求人們通過研究和采用其它的控制方法來控制這種實用的工業(yè)系統(tǒng) 。

針對大功率逆變器中的開關(guān)器件速度低的缺點,A.Nabae等人于1980年提出了多電平逆變器概念,主要是指三電平逆變器。以三電平逆變器為例,逆變器的輸出電壓分為(一V、0、 V)三級。多電平逆變技術(shù)的出發(fā)點是通過對逆變器的主電路結(jié)構(gòu)進行改進,使得所有逆變器的開關(guān)器件都工作在基頻或者低頻狀態(tài),以達到減小開關(guān)應(yīng)力、改善逆變器輸出波形的目的 。

三電平逆變器自從1980年由D.A.Nbaea等人提出之后,在高電壓、大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。三電平逆變器(或多電平逆變器)的結(jié)構(gòu)不僅使系統(tǒng)對功率器件的耐壓等級的要求有所降低,而且使得逆變器輸出波形的諧波含量大為減少。隨著高電壓、大電流IGBT器件的出現(xiàn),采用這種結(jié)構(gòu)的逆變器的應(yīng)用也就越來越廣泛。目前,三電平逆變器己經(jīng)成為了高電壓、大功率逆變器的一個發(fā)展方向 。

三電平逆變器是現(xiàn)有多電平逆變器中應(yīng)用較為廣泛的一種，其應(yīng)用已有許多實例。其中，二極管中點鉗位型(neutral point clamped， NPC)逆變器多應(yīng)用在以靜止同步補償器、有源電力濾波器為代表的柔性交流輸電技術(shù)和以中高壓變頻為代表的大電機拖動、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。但是二極管鉗位型三電平逆變器的研制、工程化和應(yīng)用仍存在著許多問題， 尤其是高性能、 高可靠性的系統(tǒng)并不多見 ，其主要原因有：

1）二極管鉗位型逆變器的實際性能分析困難。二極管鉗位型逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一相橋臂都由多個功率開關(guān)管和二極管組成；復(fù)雜的調(diào)制策略，令功率開關(guān)管不斷的開通和關(guān)斷，使逆變器工作在多種工作模式下。此外，工作回路中寄生電感的存在也會給器件的開關(guān)特性產(chǎn)生影響 。

2）實時在線狀態(tài)未知。對大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件的測試多為離線測試和準在線測試。這兩種方法都無法同時、準確地測量出大功率逆變器實際工況下各器件之間“牽一發(fā)而動全身”的動態(tài)特性，無法得知器件的實時在線狀態(tài) 。

3）故障預(yù)防和裕量設(shè)計不合適。由于無法監(jiān)測到大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件在故障時異常的動態(tài)特性，因此無法給故障的預(yù)防提供參考。且在大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件選型時，裕量的選擇往往是憑經(jīng)驗，常導(dǎo)致裕量設(shè)計不合適 。 解讀詞條背后的知識 電氣新科技 媒體人,《電氣技術(shù)》雜志社有限公司,科技領(lǐng)域愛好者

可有效改善三電平逆變器輸出電流質(zhì)量的優(yōu)化策略

天津市電機系統(tǒng)先進設(shè)計與智能控制技術(shù)工程中心（天津工業(yè)大學(xué)）、天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院的研究人員谷鑫、劉潮、張國政、史婷娜、夏長亮，在2019年第5期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文（論文標題為“三電平逆變器同步不連續(xù)空間矢量調(diào)制輸出電流優(yōu)化策略”），以中點鉗位型三電平逆變器...

三電平逆變器自產(chǎn)生以來很快就得到了廣泛應(yīng)用,改善它的輸出波形一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向,而電壓源型逆變器的輸出特性與逆變器所采用器件的開關(guān)頻率有關(guān),其中脈寬調(diào)制PWM技術(shù)就可以改變開關(guān)頻率獲得很好的正弦輸出波形,PWM調(diào)制技術(shù)輸出開關(guān)頻率恒定,輸出的電流諧波小,限定的諧波電流頻譜特性等優(yōu)點,可以說直到目前為止,PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點。在近二十年中,人們對二電平逆變器研究出了多種WPM調(diào)制控制方案。PWM技術(shù)不僅適應(yīng)于常規(guī)的兩電平逆變器,對三電平而言,仍然行之有效。本文的重點內(nèi)容是研究三電平逆變器的調(diào)制策略。目前,三電平逆變器的P翎控制技術(shù)概括起來主要有兩類:一是基于開環(huán)控制的三電平逆變器WPM控制技術(shù),其中應(yīng)用廣泛的有正弦SP翎、空間矢tSVP雙開環(huán)控制等 。

基于開環(huán)控制的三電平逆變器PWM調(diào)制策略

由于開環(huán)PWM調(diào)制具有很多優(yōu)點:開關(guān)頻率恒定、限定的諧波頻譜、優(yōu)化的開關(guān)模式、實用化的直流環(huán)節(jié)等,可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波等作用,因此三電平逆變器使用開環(huán)控制的WPM調(diào)制策略比較普遍,如正弦SPWM、空間矢量SVPWM開環(huán)控制 。

正弦波PWM是最通俗易懂的一種調(diào)制方式,又稱為相電壓控制法,給定的標準正弦信號波U’和三角載波玲進行比較,在兩波形相交時進行脈寬切換,經(jīng)過正弦SwPM開環(huán)調(diào)制后,產(chǎn)生一定頻率且具有一定脈寬的開關(guān)信號(S。、.bss。),再驅(qū)動三電平逆變器的開關(guān)器件,產(chǎn)生輸出信號。該方法具有簡單,直觀等優(yōu)點,此外,由于輸出波形由方波改進為PWM波,減少了低次諧波,從而解決了電動機在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題,也降低了電動機的諧波損耗和噪聲 。

和三電平逆變器的正弦SwPM調(diào)制方法不一樣的是,空間矢量SvWPM(又叫磁鏈跟蹤wPM)調(diào)制策略是從電機的角度出發(fā),把逆變器和電動機視為一體,以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機理想的圓形磁場為基準,用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢t來跟蹤基準磁鏈園,由跟蹤結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式,形成P雙波基于開環(huán)控制的三電平逆變器的空間矢量SPy烈控制器結(jié)構(gòu)圖。空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用 。

基于電流閉環(huán)的三電平逆變器WM控制結(jié)構(gòu)

交流電機的控制性能主要取決于轉(zhuǎn)矩或者電流的控制質(zhì)量(在磁通恒定的條件下,為了滿足電機控制良好的動態(tài)響應(yīng),并在極低轉(zhuǎn)速下亦能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)這一要求,經(jīng)常采用電流的閉環(huán)控制,即基于電流閉環(huán)的三電平逆變器wPM控制策略,以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度,同時也一定程度上求得電流波形的改善。它具有的特點:控制方式簡單、動態(tài)響應(yīng)快、具有內(nèi)在的電流限制能力以及電壓利用率高?？梢哉f它同時具有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點。目前實現(xiàn)電流閉環(huán)PWM調(diào)制的方法很多,大致有滯環(huán)電流PWM控制、線性電流PWM控制、預(yù)測電流PWM控制幾種 。

滯環(huán)電流控制器的主要任務(wù)是控制負載端的實際電流,讓它能以最小的誤差跟蹤參考電流指令信號。設(shè)滯環(huán)比較器的環(huán)寬為h2。滯環(huán)控制方案是基于三電平滯環(huán)比較器的非線性、閉環(huán)控制方法。當(dāng)輸入到滯環(huán)比較器的信號超過了規(guī)定的滯環(huán)環(huán)寬時,直接產(chǎn)生變換器開關(guān)的動作信號。由于該控制器結(jié)構(gòu)簡單、算法簡單、實現(xiàn)簡單,特別重要的一點是它對負載參數(shù)的魯棒性好,不需要知道參數(shù)的任何信息,因此,它是最常見、也是應(yīng)用最為廣泛的一種電流控制方法。滯環(huán)電流控制經(jīng)常在逆變器、無功補償裝置等需要控制電流的場合中應(yīng)用 。

三電平逆變器線性電流PWM控制器可以分離成誤差補償和PWM調(diào)制兩大部分。在線性電流PWM控制器中,斜波比較器是最基本、最常見的一種控制結(jié)構(gòu)。這種控制器采用的是線性、閉環(huán)控制方法 。

控制器中有3個獨立的補償電流誤差的PI調(diào)節(jié)器,電流誤差通過PI控制器產(chǎn)生電壓控制信號。經(jīng)wPM調(diào)制器處理后得到驅(qū)動開關(guān)動作的開關(guān)信號。在該方案中輸出電流的脈動經(jīng)反饋回到了輸入端,并對開關(guān)的后續(xù)驅(qū)動信號產(chǎn)生直接的影響。PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)凡的增大可以減小電流脈動,而積分參數(shù)石的改變能控制輸出電流的低頻特性。P份M調(diào)制算法可采用SPWM、SVPWM等調(diào)制方法。若采用的是SPWM方法,加入載波信號的斜率一定不能小于PI調(diào)節(jié)器的輸出信號的斜率,這時開關(guān)頻率即為恒定的載頻 。

圖1為中點鉗位三電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)。

該拓撲結(jié)構(gòu)包括兩個串聯(lián)的電容C₁，C₂，兩電容之間的點稱為中點Z，因此中點鉗位型逆變器也被稱作二極管鉗位逆變器；每一相包含四組IGBT/Diode（絕緣柵門極晶閘管/二極管）T_x1、T_x2、T_x3和T_x4；兩個鉗位二極管D_x5和D_x6（x=a，b，和c）。

根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)可以看出來，中點鉗位三電平逆變器的一個很重要的問題就是：中點電壓平衡問題。理想的情況下，直流電容C₁，C₂的電壓均為E（E為直流電壓源V_dc的1/2），但是流過中點Z的電流對電容充電或者放電，加之電容保持電壓的能力有限，會導(dǎo)致電容C₁，C₂的電壓發(fā)生變化。工況惡劣時，會導(dǎo)致上下兩電容電壓差過大，輸出電壓電流波形畸變，甚至損壞功率半導(dǎo)體器件 。

[1]安彬,黃曉峰,張煒,李紀欣.基于三電平逆變器的SVPWM控制算法研究[J].電子測試,2019(18):37-39.2100433B

為了解決傳統(tǒng)三電平逆變器SVPWM(Space VectorPWM,SVPWM)算法計算過程復(fù)雜、總諧波含量較高的問題,提出一種改進的SVPWM算法。改進的SVPWM算法將三電平逆變器空間矢量圖以四邊形進行扇區(qū)劃分,通過矢量轉(zhuǎn)換計算基本電壓矢量作用時間,根據(jù)開關(guān)狀態(tài)變換原則設(shè)計開關(guān)序列。仿真結(jié)果表明,運用改進的SVPWM算法后三電平逆變器可以正常輸出波形穩(wěn)定的三相交流電壓,并且扇區(qū)判斷時間變短、總諧波含量降低。