三電平逆變器極管中點(diǎn)鉗位型簡(jiǎn)介

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(shí)例。其中，二極管中點(diǎn)鉗位型(neutral point clamped， NPC)逆變器多應(yīng)用在以靜止同步補(bǔ)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(jī)拖動(dòng)、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(shí)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(gè)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(huì)給器件的開關(guān)特性產(chǎn)生影響 。

2）實(shí)時(shí)在線狀態(tài)未知。對(duì)大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件的測(cè)試多為離線測(cè)試和準(zhǔn)在線測(cè)試。這兩種方法都無法同時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量出大功率逆變器實(shí)際工況下各器件之間“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的動(dòng)態(tài)特性，無法得知器件的實(shí)時(shí)在線狀態(tài) 。

3）故障預(yù)防和裕量設(shè)計(jì)不合適。由于無法監(jiān)測(cè)到大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件在故障時(shí)異常的動(dòng)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(shí)，裕量的選擇往往是憑經(jīng)驗(yàn)，常導(dǎo)致裕量設(shè)計(jì)不合適 。 解讀詞條背后的知識(shí) 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(jī)系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計(jì)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(dòng)化與信息工程學(xué)院的研究人員谷鑫、劉潮、張國(guó)政、史婷娜、夏長(zhǎng)亮，在2019年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)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(diǎn)鉗位型三電平逆變器...

三電平逆變器主電路現(xiàn)在采用的是比較實(shí)用的二極管中點(diǎn)嵌位電路,通過一對(duì)中點(diǎn)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(diǎn)顯著:每個(gè)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(gè)電平或者說是三個(gè)狀態(tài),即(一E/2、0、 E/2),用符號(hào)相應(yīng)地表示為(N、0、P)。因此,對(duì)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(gè)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(gè)開關(guān)的不同狀態(tài)組合決定的 。

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(kuò)大,高電壓IGBT(HVIGBT)器件和IGCT器件都擴(kuò)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(jí)。對(duì)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)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?yàn)?隨著器件開關(guān)頻率的增高,開關(guān)器件損耗的速度也會(huì)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(shí)甚至是不可能實(shí)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(shí)用的工業(yè)系統(tǒng) 。

針對(duì)大功率逆變器中的開關(guān)器件速度低的缺點(diǎn),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(jí)。多電平逆變技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是通過對(duì)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),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(dá)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(duì)功率器件的耐壓等級(jí)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(gè)發(fā)展方向 。

三電平拓?fù)浣Y(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(diǎn)， 使得三電平結(jié)構(gòu)在高壓大功率 交 流 電 機(jī) 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(bǔ)的觸發(fā)信號(hào)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(bǔ)的開關(guān)管才能導(dǎo)通。但由于死區(qū)時(shí)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(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)生機(jī)械諧振。為了克服上述缺點(diǎn)， 需要對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?將死區(qū)時(shí)間、 IGBT 開通和關(guān)斷時(shí)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(bǔ)償方法， 但沒有考慮 IGBT 管壓降及開關(guān)時(shí)間對(duì)死區(qū)補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償策略沒有考慮功率器件的開關(guān)延時(shí) 。

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(shí)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?fù)?但歸納起來主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):(1)中點(diǎn)鉗位型(Neural-Point-elamped簡(jiǎn)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(dú)立直流電壓源的級(jí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論特點(diǎn)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(dòng)、靜態(tài)均壓,簡(jiǎn)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(dòng)等也是分析多電平電路必須要考慮的問題 。

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(guó)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(diǎn),可以說直到目前為止,PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點(diǎn)。在近二十年中,人們對(duì)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(duì)三電平而言,仍然行之有效。本文的重點(diǎn)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(diǎn):開關(guān)頻率恒定、限定的諧波頻譜、優(yōu)化的開關(guān)模式、實(shí)用化的直流環(huán)節(jié)等,可以同時(shí)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)波U’和三角載波玲進(jìn)行比較,在兩波形相交時(shí)進(jìn)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(hào)(S。、.bss。),再驅(qū)動(dòng)三電平逆變器的開關(guān)器件,產(chǎn)生輸出信號(hào)。該方法具有簡(jiǎn)單,直觀等優(yōu)點(diǎn),此外,由于輸出波形由方波改進(jìn)為PWM波,減少了低次諧波,從而解決了電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題,也降低了電動(dòng)機(jī)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(jī)的角度出發(fā),把逆變器和電動(dòng)機(jī)視為一體,以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)理想的圓形磁場(chǎng)為基準(zhǔn),用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)竧來跟蹤基準(zhǔn)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?？臻g矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡(jiǎn)單、電流諧波小等特點(diǎn)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(jī)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(jī)控制良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并在極低轉(zhuǎn)速下亦能平穩(wěn)運(yùn)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(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度,同時(shí)也一定程度上求得電流波形的改善。它具有的特點(diǎn):控制方式簡(jiǎn)單、動(dòng)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(shí)具有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)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(cè)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(fù)載端的實(shí)際電流,讓它能以最小的誤差跟蹤參考電流指令信號(hào)。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(hào)超過了規(guī)定的滯環(huán)環(huán)寬時(shí),直接產(chǎn)生變換器開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)。由于該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,特別重要的一點(diǎn)是它對(duì)負(fù)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(bǔ)償裝置等需要控制電流的場(chǎng)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(bǔ)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(gè)獨(dú)立的補(bǔ)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(hào)。經(jīng)wPM調(diào)制器處理后得到驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作的開關(guān)信號(hào)。在該方案中輸出電流的脈動(dòng)經(jīng)反饋回到了輸入端,并對(duì)開關(guān)的后續(xù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng),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(hào)的斜率一定不能小于PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的斜率,這時(shí)開關(guān)頻率即為恒定的載頻 。

圖1為中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的電容C₁，C₂，兩電容之間的點(diǎn)稱為中點(diǎn)Z，因此中點(diǎn)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(gè)鉗位二極管D_x5和D_x6（x=a，b，和c）。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出來，中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的一個(gè)很重要的問題就是：中點(diǎn)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(diǎn)Z的電流對(duì)電容充電或者放電，加之電容保持電壓的能力有限，會(huì)導(dǎo)致電容C₁，C₂的電壓發(fā)生變化。工況惡劣時(shí)，會(huì)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(jì)欣.基于三電平逆變器的SVPWM控制算法研究[J].電子測(cè)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(jì)算過程復(fù)雜、總諧波含量較高的問題,提出一種改進(jìn)的SVPWM算法。改進(jìn)的SVPWM算法將三電平逆變器空間矢量圖以四邊形進(jìn)行扇區(qū)劃分,通過矢量轉(zhuǎn)換計(jì)算基本電壓矢量作用時(shí)間,根據(jù)開關(guān)狀態(tài)變換原則設(shè)計(jì)開關(guān)序列。仿真結(jié)果表明,運(yùn)用改進(jìn)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(shí)間變短、總諧波含量降低。