三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真概要
三电平逆变器中点电位平衡的研究概述
Ｓ ｍｍａ ｙ ｏ ｓ ａ ｃ ｎ Ｎｅ ｔａ ｕ ｒ ｆＲｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｕ ｒ ｌ
Ｐｏ ｎ ｔｎｔａ ｌｎｃ ｆＴｈ ｅ －ｅ ｅ ｎ ｅ ｔ ｒ ｉ ｔＰｏ ｅ ｉ ｌＢａ ａ ｅ ｏ ｒ ｅ—ｌｖ ｌＩ ｖ ｒ ｅ
ＨＵＡＮＧ ａ Ｈｕ
（ ａｔ ｈｎ ｉｏ ｎ ｎｖｒｉ ， ａｃａｇＪ ｎｘ ３ ０ １ ，ｈｎ ） Ｅ ｓ Ｃ ｉａＪ ｔ ｇＵ ｉ ｓｙＮ ｎｈｎ ，ｉ ｇｉ ３ ０ ３ Ｃ ｉ ａｏ ｅ ｔ ａ ａ
ａ ｃｎ ｏ ｔｏ ｎ ｉ ｇ ｅ ｎ ｒ１
１ 引 言
中点箝位型三电平逆变器这种拓扑结构 ， 由于每 个功率开关管上承受的电压仅为直流侧 电压 的一
２ 中点电位 波动 的成 因
中点箝位型三电平逆变器采用两个电容串联来产 生三个电平 ， 而实际上 ， 由于开关器件本身特性的不一 致和变换器能量转换时中点 电位参与能量的传输 ， 加 之电容值不可能到无穷大， 三电平逆变器的直流侧两 个电容的电压并不能完全相等， 而是存在一定的波动， 因此会产生两个电容 电压分压不均的问题 ， 即中点平
Ｋｅ ｒ ｓ：ｈｅ — ｖｌｉｖ ｒ ｒｎ ｕｒｌ ｏｎ ｌｍｐ ｄ；ａｉｔ ｎ ｏ ｅ ｔ ｌｐ ｉｔｐ ｔｎｉｌ ｎ ｕｒｌｐ ｉｔｐ ｔｎｉｌｂ ｌ ｙ ｗｏ ｄ ｔｒｅｌ ｅ ｎ ｅ ｅ ； ｅ ｔａ— ｉｔ ａ ｅ ｖ ｒ ｉ ｆｎ ｕｒ ・ｏｎ ｏｅ ｔ ； ｅ ｔ — ｏｎ ｏｅ ｔ ａ— ｅ ｔ ｐ ｃ ａｏ ａ ａ ａ ａ
三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真_陶生桂
收稿日期:2004-02-24作者简介:陶生桂(1940-),男,江苏常熟人,教授,博士生导师.E 2mail :hb9139@三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真陶生桂,龚熙国,袁登科(同济大学沪西校区电气工程系,上海 200331)摘要:多电平逆变器在中高压大功率场合得到了广泛的研究和应用.二极管中点箝位三电平逆变器是一种简单实用的多电平逆变器,但是三电平逆变器直流侧中点电位偏移问题影响着逆变器及其电机调速系统的可靠性.为此提出了一种用于三电平逆变器中点电位平衡的硬件电路,详细介绍了其工作原理以及参数设定,并用Matlab/Simulink 仿真工具对系统进行了研究,给出了较好的仿真结果.关键词:三电平逆变器;中点电位平衡;二极管箝位中图分类号:TM 464 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2005)03-0395-05Design and Simulation of Novel Circuit for Neutral 2PointVoltage Balance in Three 2Level InverterTA O S heng 2gui ,GON G Xi 2guo ,Y UA N Deng 2ke(Department of Electrical Engineering ,Tongji University West Campus ,Shanghai 200331,China )Abstract :The multilevel inverter has been studied and used widely in high power applications for medium or high voltage.Diode 2clamped three 2level inverter is a simple and practical kind of inverter.But the deviation of neutral point voltage is one of the key aspects that affects the reliability of the three 2level inverter and its electric drive system.This paper presents a novel circuit for neutral 2point voltage balance in the three 2level inverter.The operation principle and parameters setting are analyzed in detail.Simulation results based on Matlab/Simulink are supplied to confirm the validity of the pro 2posed circuit.Key words :three 2level inverter ;neutral 2point voltage balancing ;diode 2clamped 近几年来,多电平逆变器成为人们研究的热点课题.三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路.三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较,主要优点是:器件具有2倍的正向阻断电压能力,并能减少谐波和降低开关频率,从而使系统损耗减小,使低压开关器件可以应用于高压变换器中[1].但是三电平逆变器控制策略复杂,并要考虑中点电位平衡的问题.若逆变器直流母线上串联的2个电容的中点电压出现偏移,将引起三电平逆变器输出电压波形发生畸变而增大谐波及损耗[2].抑制三电平逆变器中点电位偏移的方法有硬件和软件两类.从软件出发将会增加控制的复杂性.笔者提出了一种抑制三电平逆变器中点电位偏移的硬件电路的实现方法.详细介绍了其工作原理和电路设计,第33卷第3期2005年3月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.33No.3 Mar.2005并用美国MA TH Works 公司推出的交互式仿真软件Matlab/Simulink 进行了研究,给出了较好的仿真结果.1 三电平逆变器及中点电位偏移原理 三电平逆变器主电路结构如图1所示.其中V X1～V X4分别为X (X =A ,B ,C )相上的电力电子器件———绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor ,IG B T );D X1～D X4为与其反并联的续流二极管;D X5,D X6为相应各相的箝位二极管;P ,N 为直流侧正、负电压母线;O 为中性点;C 1,C 2为直流侧的分压电容;U A ～U C 为逆变器的三相输出电压;U dc 为直流侧电压;i C1和i C2分别为流经C 1和C 2的电流;i NP 为流经中性点的电流.以X 相为例说明三电平逆变器的工作原理为:V X1和V X2导通时X 相输出正电平;V X3和V X4导通时,X 相输出负电平;V X2和V X3导通时,X 相输出零电平.因此,逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有三种取值的可能,这正是三电平逆变器名称的由来.图1 绝缘栅双极型晶体管IGBT 三电平逆变器主电路原理图Fig.1 Main circuit schem atic of insulated gate bipolartransistor three 2level inverter 三电平逆变器运行中会存在一个问题,即中点电位偏移,这是由于在直流侧中性点存在着流入或流出的中点电流i NP ,如图1所示.当某一相上输出为零电压时(V X2,V X3管导通),中点电流使得直流侧电容分压产生失衡:当i NP 流出中点时,对C 1充电;当i NP 流入中点时,对C 2充电,若C 1,C 2的充放电过程不均衡,则中点电位就要发生偏移.由此可见,i C1≠i C2或i NP ≠0是产生中点电位偏移的必要条件,而零电压在此过程中起了重要影响.2 中点电位平衡电路设计及其工作原理笔者提出的中点电位平衡电路的主电路如图2所示.电路中T 1,T 2,T 3为IG B T 管,D 1,D 2为续流二极管,L 1,L 2为储能电感,C 1,C 2为分压电容.与普通抑制电路相比,该电路增加了一个IG B T 管T 3,通过控制T 3管的导通与关断,可以抑制直流侧电压U dc 不变情况下C 1,C 2端的电压变化,即使U dc 降低,该电路也能有效抑制中点电位的偏移.图2 中点电位平衡电路主电路Fig.2 Main circuit schem atic of the neutral 2pointvoltage b alancing2.1 U dc 保持不变情形下的中点电位的平衡若U dc 保持不变,则U dc =U C1+U C2为常数,U C1增加必然导致U C2下降,同样U C1下降必然使U C2增加,因此可以通过调整直流侧两个分立电容的电压来平衡中点电位.为实现这一目标,使T 3始终处于导通状态,此时的等效电路如图3所示.图3 T 3导通时的等效电路图Fig.3 Equivalent circuit when T 3turns on 这一电路由Boost 和Buck 变换器组成.T 1,D 1,L 1和C 2构成Buck 变换器;T 2,D 2,L 2和C 1构成Boost 变换器.电路的工作模式相应地分为Buck 变换模式和Boost 变换模式.这两种变换模式的工作状态应当互补.当U C1>U C2时,Buck 变换电路(T 1,D 1,L 1,C 2)开始工作,与此同时,Boost 变换电路停止工作.Buck 变换模式中,是通过调整C 2两端的电压实现抑制中点电位偏移的.当T 1导通时,一方面在U dc 作用下,电流流经T 1,L 1,C 2,另一方面693 同济大学学报(自然科学版)第33卷 电容C 1上的电压U C1经T 1与L 1构成回路,均使电感L 1储能;当T 1关断时,经C 2,D 1,L 1的回路将储存在L 1中的电能转换到C 2中,电容C 2充电,其上电压增大,直到C 1与C 2上的电压平衡.当U C2>U C1时,Buck 变换器不再工作,Boost 变换电路开始工作.由于U C2>U C1,C 2中的能量将间接转移到C 1中.当T 2导通时,一方面C 2上的电压U C2经L 2,T 2放电,能量存储在L 2中,另一方面U dc 经C 1和C 2重新分配电压;当T 2关断时,二极管D 2导通,存储在L 2中的能量通过D 2转移到C 1中.这样,在Boost 变换模式中,通过调整C 1两端的电压就可以抑制中点电位的偏移,直到U C1=U C2.2.2 直流侧电压U dc 降低情形下的中点电位的平衡当输入电源发生脉动导致U dc 减小至低于电压保护设定值时,图2所示电路中的T 3管关断,此时的等效电路如图4所示.Boost 和Buck 变换器同时工作,不仅使C 1,C 2上的电压平衡,而且使它们的电压之和等于所设定的U dc 值.Buck 变换器调整电容C 2两端的电压.T 1导通时,从U dc 流出的电流流经T 1,L 1,C 2,使L 1储能;T 1关断时,L 1中的能量转换到C 2中.与此同时,Boost 变换器将能量从C 2转换到C 1中,调整C 1两端的电压,其工作过程与上述Boost 变换模式相同.图4 T 3关断时的等效电路图Fig.4 Equivalent circuit when T 3turns off3 电路参数的设计3.1 开关功率管的设计文献[3]中已经证明:中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流.笔者提出的平衡电路,中点电流最大值出现在T 1导通、储能电感L 1中电流线性增加过程中或出现在T 2导通、电流流经C 2对L 2储能的过程中.因此即使在中点电位偏移最大情形即中点电流最大时,流经T 1,T 2的电流应当与流过三电平逆变器中开关器件的电流值是相等的.另外不难看出,T 1,T 2的耐压值应当是三电平逆变器中开关器件耐压值的2倍.3.2 分压电容的设计每个分压电容承受直流侧电压的一半,因此对电容要求应当是电容的内压大于U dc /2的电解电容.为简单起见,完全可以将C 1,C 2设计为标称值相等的电容C ,由三电平逆变器的工作过程容易推出电容C 的计算公式为C =I NP max2ωNP U NPR(1)式中:I NP max 为流经中点的电流最大值;ωNP 为中点电位波动频率;U NPR 为中点电压变化的最大值.若设三电平逆变器三相输出电压电流的相位角为θ、调制深度为M 、输出角频率为ω、输出电流有效值为I ,则中点电位的偏移值U NP 可以计算出来,中点电压变化的最大值U NPR 也就很容易确定了.前已叙述,中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流,因此流经中点的电流最大值I NP max 为I NP max =2I(2)一般说,中点电位波动频率ωNP 为逆变器输出频率ω的3倍,即ωNP =3ω(3)结合式(1),(2),(3),容易计算出电容C 的内压.可以看出:电容的大小不仅与中点电流的最大值有关,还与中点电压波纹大小及中点电压频率有关.3.3 储能电感的设计在Buck 变换模式中,流过储能电感L 1的电流不能发生突变,只能近似线性地上升或下降.设开关周期为T ,开关管T 1导通时间为t on ,截止时间为t off ,占空比为k =t on /T .在开关管T 1导通时,忽略其饱和导通管压降,则L 1两端电压为U L1=U dc -U C2(4)又U L1=L 1ΔI L1max /t on (5)式中:ΔI L1max 为T 1导通期间储能电感L 1中流过电流增加量的最大值.由式(1),(2)可解得L 1=U L1t on /ΔI L1max =(U dc -U C2)t on /ΔI L1max(6)T 1关断时,U C2=L 1ΔI ′L1max /t off(7)式中:ΔI ′L1max 为T 1关断期间L 1中流过电流减小量的最大值.由ΔI L1max =ΔI ′L1max ,可得793 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真U C2=kU dc (8)将式(5)代入式(3)得L 1=1-kkU C2t on ΔI L1max =(U dc -U C2)U C2T/U dc ΔI L1max =(U dc -U C1)U C1T/U dc ΔI L1max(9) 在Boost 变换模式中,根据同样的道理.可得L 2的计算公式.为方便起见,同样可以将L 1,L 2设计为相同标称值的电感.3.4 开关频率及占空比的设计平衡电路的开关频率不能低于逆变器主电路开关频率,否则抑制中点电位偏移的效果将不明显.但是若平衡电路开关频率过高,则不仅使器件损耗增大,而且还会对主电路产生不利影响,干扰主电路的正常工作.一般取平衡电路的开关频率为逆变器主电路开关频率的2～4倍.占空比的设计应当满足使得在T 1动作的Buck 模式中,储能电感L 1中的能量完全转换到C 1中;在T 2动作的Boost 模式中,L 2中的能量完全转换到C 1中,因此占空比一般可以设计为40%～60%.4 建模仿真及其分析笔者在Matlab/Simulink 环境下建立了系统仿真模型,其中主要包括三电平逆变器和中点电位平衡电路的数字化仿真模型,分别如图5a 和b 所示.仿真模型中引入了时钟(Clock )、正弦波(Sin Wave )等信号源模块以及增益(K )、积分运算1/s 和微分d u /d t 等运算模块.数字仿真模型更多地使用了数字逻辑模块,完成诸如或(OR )、非(NO T )和异或(NOR )等逻辑运算.>=模块是一个关系运算模块,Selector 为一个选路器模块,eps 模块是一个设定值误差.大量复杂的运算是通过函数计算模块(Fcn )来完成的.在图a 中,由信号源组合产生的控制信号通过一系列函数运算最终输出三电平逆变器的三相电压U A ,U B ,U C .在图b 中,输入为中性点电流和开关控制信号Sw1,Sw2,输出为U C1,U C2. 仿真参数为:三电平逆变器直流侧输入电压为530V ,输出频率为10Hz ,采用双三角波(SPWM )调制.控制电路中分压电容值为3300μF ,储能电感值为3mH ,开关频率为2kHz ,占空比为50%.三相对称负载等效为5Ω的纯阻性负载.图6给出了仿真波形.从仿真结果来看,应用该硬件电路来抑制2个串联电容中点电位偏移,能获得良好的效果.5 结论(1)在多电平逆变器中,该方案为电容电压分配均匀提供了很好的参考方案.(2)对低电压系统的性能改进是可加以考虑的方案,对高压大容量场合,要从系统出发,仔细核算其性价比.893 同济大学学报(自然科学版)第33卷 图5 基于Matlab/Simulink 的仿真模型Fig.5 Simulation models b ased on Matlab/Simulink图6 仿真波形Fig.6 Simulation w aveforms参考文献:[1] Jouanne A ,Shaoan Dai ,Haoran Zhang.A multilevel inverter ap 2proach providing DC 2link balancing ,ride 2through enhanment ,and common 2mode voltage elimination [J ].IEEE Transactions on In 2dustrial Electronics ,2002,8(4):739-745.[2] 邵丙衡.电力电子技术[M ].北京:中国铁道出版社,1997. SHAO Bing 2heng.Power electronics technology[M ].Beijing :Chi 2nese Railway Publication ,1997.[3] Pressman A I.Switching power supply design [M ].New Y ork :Mc Graw 2Hill ,1998.(编辑:杨家琪)993 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真。
NPC三电平逆变器及其中点电位平衡的研究
NPC三电平逆变器及其中点电位平衡的研究一、本文概述Overview of this article随着电力电子技术的快速发展和可再生能源的大规模应用，电力转换和电能质量控制成为了电气工程领域的研究热点。
其中，三电平逆变器作为一种高效的电能转换装置，在风力发电、太阳能发电、电机驱动等领域得到了广泛应用。
然而，三电平逆变器在运行过程中，中点电位平衡问题一直是影响其性能稳定性的关键因素。
因此，对NPC（Neutral Point Clamped）三电平逆变器及其中点电位平衡的研究具有重要的理论价值和实际意义。
With the rapid development of power electronics technology and the large-scale application of renewable energy, power conversion and power quality control have become research hotspots in the field of electrical engineering. Among them, three-level inverters, as an efficient energy conversion device, have been widely used in fields such as wind power generation, solar power generation, and motor drive. However, the issue of midpoint potential balance has always been a keyfactor affecting the performance stability of three-level inverters during operation. Therefore, the study of NPC (Neutral Point Clamped) three-level inverters and their midpoint potential balance has important theoretical value and practical significance.本文旨在深入探讨NPC三电平逆变器的工作原理、中点电位平衡控制策略以及实际应用中的关键技术问题。
三电平逆变器中点电位平衡控制研究毕业论文副本.
攀枝花学院本科毕业设计（论文）三电平逆变器中点电位平衡控制研究学生姓名：学生学号：201210502052院（系）：电气信息工程学院年级专业：12级电气工程及自动化指导教师：二〇一六年五月摘要中点钳位型三电平逆变器是众多三电平逆变器拓扑结构中，电路结构简单、易于实现数字化调制的，但是由于其拓扑结构的特点难免会出现中点电位不平衡的现象。
该现象导致逆变器输出波形的谐波含量增加，甚至产生畸变，影响逆变器系统的安全可靠运行，因此，必须对中点钳位型三电平逆变器的中点电位进行控制。
本文主要采用的是空间矢量PWM控制方法，分析了空间矢量调制的基本原理，推算出各个区域各个小三角形的判断规则，并根据参考矢量落在某区域某小三角形内来计算出各个合成电压矢量的作用时间以及矢量优化方法。
然后再基于中点钳位型三电平逆变器中点电位不平衡的原因，提出中点电位调制算法。
最后在MATLAB/Simulink仿真平台上对中点电位平衡控制进行仿真并验证该控制方案的正确性和可行性。
关键词三电平逆变器，中点钳位，中点电位，空间矢量ABSTRACTNPC three-level inverter has more simple circuit structure and is easier to achieve modulation among many kinds of three-level inverter topology. However, because of the characteristics of its topology, the problem of neutral-point unbalance may occur, which will cause a higher harmonic content in the waveform of inverter, even distortion affecting the stable operation of inverter system. For this reason, we have to control the neutral point of NPC three-level inverter.The thesis analyzes the basic principle of vector modulation technique and calculates the judgment of triangles in every area. And according to vector in some triangle, the functioning time of the synthesizing voltage vectors and the optimizing way of the vectors can be calculated. After that, the neutral-point modulation algorithms can be put forward on the basic of the reasons of the unbalanced neutral-point of NPC three-level inverter. Lastly, the balanced control of neutral-point will be simulated and proved in MATLAB/Simulink.Key words Three-level inverter, Neutral Point Clamped, Midpoint potential, Space Vector目录摘要 (I)ABSTRACT..................................................................................................................... I I1 前言 (4)2 三电平逆变器的拓扑结构及其工作原理 (6)2.1引言62.2飞跨电容型三电平逆变器 (6)2.2.1拓扑结构及工作原理 (6)2.2.2飞跨电容型三电平逆变器的特点 (8)2.3级联型三电平逆变器 (8)2.3.1拓扑结构及工作原理 (8)2.3.2级联型三电平逆变器特点 (9)2.4中点钳位型三电平逆变器 (9)2.4.1拓扑结构及工作原理 (9)2.4.2 NPC三电平逆变器的特点 (10)2.5本章小结 (10)3 NPC三电平逆变器SVPWM控制方法研究 (12)3.1引言 (12)3.2 NPC三电平逆变器空间电压矢量 (12)3.3 NPC三电平逆变器空间电压矢量PWM的传统算法 (14)3.4矢量分配及优化 (18)3.5 本章小结 (19)4 中点电位平衡控制研究 (21)4.1 引言 (21)4.2 NPC 三电平逆变器中点电位不平衡原因 (21)4.3 中点电位平衡控制 (23)4.4 调节因子失效与修正 (24)4.5 本章小结 (25)5 实验仿真 (26)5.1 引言 (26)5.3 仿真结果 (28)5.4 本章小结 (30)6 全文总结 (31)致谢 (32)1 前言需要应用到逆变器的场合非常广泛，在能源转换的过程中起着不可或缺的作用，而两电平逆变器由于具有功率管的开关损耗高、输出电压电流谐波含量较高、功率管承受的电压较大的等特点，在中高容量场合应用得不是很广泛。
t型三电平逆变器中点平衡电路
t型三电平逆变器中点平衡电路T型三电平逆变器由两个半桥逆变器组成，每个半桥逆变器由两个开关管和两个电容组成。
其中一个半桥逆变器的电容连接在直流电源的正极，另一个半桥逆变器的电容连接在直流电源的负极。
逆变器的交流输出由两个半桥逆变器的输出端连接而成。
中点平衡电路则位于两个半桥逆变器的电容之间，其作用是平衡两个电容的电压，从而确保逆变器的正常工作。
中点平衡电路通常由电阻、电容和开关管组成。
当两个半桥逆变器的开关管切换时，电容上的电压会发生变化。
中点平衡电路通过控制开关管的导通和截止，将电容上的电压保持在一个合适的范围内，避免电容电压过高或过低导致逆变器的故障。
在T型三电平逆变器中，中点平衡电路的设计和控制至关重要。
合理选择电阻和电容的数值，能够有效平衡电容电压，提高逆变器的性能和稳定性。
同时，中点平衡电路的控制策略也需要考虑逆变器的工作条件和负载要求。
例如，在逆变器输出电压需要调节的情况下，中点平衡电路需要相应地调整电容电压，以实现输出电压的精确控制。
T型三电平逆变器中点平衡电路的应用十分广泛。
它可以用于工业领域中的电力变换和变频调速系统中。
逆变器将直流电源转换为交流电源，使得电动机等交流负载能够得到驱动。
中点平衡电路的存在确保了逆变器的正常工作，提高了系统的可靠性和稳定性。
此外，中点平衡电路还可以减小逆变器的谐波失真，提高电能的质量，降低对电网的干扰。
T型三电平逆变器中点平衡电路是该逆变器中的重要组成部分，它通过平衡电容电压，确保逆变器的正常工作。
中点平衡电路的设计和控制对于逆变器的性能和稳定性至关重要。
该电路在电力转换和变频调速系统中有着广泛的应用。
通过对中点平衡电路的研究和优化，我们可以进一步提高逆变器的效率和可靠性，推动电力电子技术的发展。
三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究
第23卷 第6期 电子测量与仪器学报 Vol. 23 No. 6 · 74 ·JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT2009年6月本文于2008年4月收到。
*基金项目: 安徽省“十一五”科技攻关(编号: 06012143H)资助项目; 合肥工业大学科研发展基金(编号: GDBJ2008-046)资助项目。
更多电子资料请登录赛微电子网三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究*胡存刚1 王群京1,2 严 辉3 杨 益3(1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院, 合肥 230009; 2. 安徽大学电子科学与技术学院, 合肥 230039;3. 安徽建筑工业学院电子与信息工程学院, 合肥 230022)摘 要: 建立了三电平中点箝位型逆变器中点电压的数学模型; 分析了在不同的负载条件下, 传统的最近三矢量合成方法中点电压存在不能平衡的区域; 利用合成空间矢量的调制方法, 实现了对中点电压的有效控制。
为了在扇区切换时输出矢量平稳过渡, 提出了在每个大区内全部采用相同首发小矢量的方法。
用MATLAB/Simulink 仿真研究了中点电压平衡控制的效果, 并用MOSFET 搭建了三电平逆变器实验电路模型, 对中点电压平衡控制效果进行了验证。
实验结果证明了基于合成空间矢量的三电平NPC 逆变器中点电压平衡控制方法的有效性。
关键词: 中点箝位型逆变器；空间矢量调制；中点电压平衡；合成空间矢量 中图分类号: TM464 文献标识码: A 国家标准学科分类代码:Research on neutral-point potential balancing and control methodfor three-level NPC inverterHu Cungang 1 Wang Qunjing 1,2 Yan hui 3 Yang Yi 3(1. Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Anhui University, Hefei 230039, China;3. Anhui Institute of Architecture & Industry, Hefei 230022, China )Abstract: A significant problem with neutral-point-clamped three-level inverters is the fluctuation in the neu-tral-point voltage. The mathematics model of neutral-point potential is developed while the neutral-point potential is unbalanced. In this paper the limitations of neutral-point potential balancing problem for different loading conditions of three-level neutral-point-clamped inverters is explored. And a novel modulation approach for the complete control of the neutral-point potential is introduced. The new modulation approach, which bases on the virtual space vector concept, guarantees the balancing of the neutral-point potential for any load over the full range of converter output voltage and for all load power factors. In order to avoid the abrupt change of output voltage vectors during the process of desired vector changing from one section to another, a novel space vector modulation algorithm is proposed, in which the same small vectors are adopted as first active vector. Some simulation and experiment results are given to validate the method.Keywords: neutral point clamped inverter; SVPWM; neutral-point potential balancing; synthetic-space-vector1 引 言中点电压平衡是多电平中点箝位型(neutral point clamped, NPC)逆变器的固有问题和研究热点。
双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法
双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法1. 引言在电力电子领域，双向z源三电平逆变器是一种新型的逆变器拓扑结构，它能够实现电能的双向流动，并且具有较高的电压增益和较低的电压应力，因此在新能源领域得到了广泛的应用。
然而，由于双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡问题的存在，使得其在实际应用中的性能和稳定性受到了一定影响。
如何有效地解决双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法成为了当前研究的热点之一。
2. 中点电位动态平衡问题分析让我们来了解一下双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡问题的本质。
在双向z源三电平逆变器中，由于电路结构的特殊性，中点电位动态平衡问题成为了一个核心难题。
简而言之，中点电位动态平衡即是指在逆变过程中，因为电容电压的不均衡而导致中点电压波动过大，进而影响到逆变器的工作稳定性和效率。
这个问题的存在对系统的安全性和可靠性都提出了较高的要求，寻找一种高效、可靠的中点电位动态平衡算法显得尤为重要。
3. 相关研究概况目前，关于双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡问题的研究已经取得了一些进展。
学者们提出了多种中点电位动态平衡算法，例如基于PWM调制的动态平衡控制方法、基于模块化的均压控制方法等，这些方法能够在一定程度上改善中点电位动态平衡问题。
然而，这些方法在实际应用中存在一些局限性，例如需要增加硬件成本、对控制精度要求高等。
研究人员亟需寻找一种更加高效、简洁的中点电位动态平衡算法。
4. 双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法探索在这种背景下，基于谐波注入的动态均压控制算法应运而生。
这种算法通过在逆变过程中注入特定频率和幅值的谐波信号，来实现中点电位的动态平衡。
相比于传统的控制方法，谐波注入算法具有控制简单、成本低等优点，因此备受研究人员的关注。
值得一提的是，通过对双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法进行仿真和实验验证，研究人员发现谐波注入算法在提高系统动态响应和稳定性方面具有显著的优势，这为其在实际应用中的推广奠定了一定的基础。
三电平逆变器中点电位平衡的研究概述
三电平逆变器中点电位平衡的研究概述作者：黄华， HUANG Hua作者单位：华东交通大学,电气与电子工程学院,江西,南昌,330013刊名：电气开关英文刊名：ELECTRIC SWITCHGEAR年，卷(期)：2008，46(4)被引用次数：0次1.R Esmaili.L Xu.D K Nichols A New Control Method of Permanent Magnet Generator for Maximum Power Tracking in Wind Turbine Application 20052.Eftichies Koutreulis.Kostas Kalaitzakis Design of a Maximum Power Tracking System for Wind-Energy-Conversion Applications 2006(02)3.翁海清.孙旭东.刘丛伟三电平逆变器直流洲电压平衡控制方法的改进[期刊论文]-中国电机工程学报 2002(09)4.L M Tolbert.T G Habetler Novel multilevel inverter carrier-based PWM methods 1999(05)5.Nabae.I Takahashi.Akayi H A New Neutral-point-clamped PWM Inverter 1981(05)6.N Celeuovic D Voroyevich.A comprehensive study of neutral-point voltage balancing problem inthree-level neutral-point-clamped voltage soruce PWM inverters 2000(02)7.姜卫东.王群京.李争中点电压偏移对SVM控制的三电平逆变嚣的影响及补偿措施[期刊论文]-电工技术学报2006(09)8.陶生桂.龚熙国.袁登科三电平逆变嚣中点电位平衡电路的设计与仿真[期刊论文]-同济大学学报 2005(03)9.宋文祥.陈国呈.武慧一种具有中点电位平衡功能的三电平空间矢量调制方法及其实现[期刊论文]-中国电机工程学报 2006(12)10.窦真兰.张同庄.凌禹三电平NPC整流器空间矢量脉宽调制及中点电位平衡控制[期刊论文]-电力自动化设备2008(02)11.束满堂.吴晓新.宋文祥三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制的研究[期刊论文]-电气传动 2006(08)12.刘子建.吴敏.桂武鸣中点箝住式三电平逆变器空间矢量脉宽调制方法的研究[期刊论文]-测控技术 2007(11)13.金红元.邹云屏.林磊三电平整流器双环控制技术及中点电压平衡控制技术的研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2006(20)14.宋强.刘文华.严干贵基于零序电压注入的三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法[期刊论文]-中国电机工程学报 2004(05)15.姚文熙.吕征宇.费万民一种新的三电平中点电位滞环控制法[期刊论文]-中国电机工程学报 2005(07)16.薄保中三电平逆变器中点电位波动控制方法的研究[期刊论文]-西安石油学院学报 2003(06)17.聂卫民三电平逆变器的PWM控制策略研究[学位论文] 20041.期刊论文王群京.陈权.姜卫东.胡存刚.Wang Qunjing.Chen Quan.Jiang Weidong.Hu Cungang中点钳位型三电平逆变器通态损耗分析-电工技术学报2007,22(3)研究了中点钳位型三电平逆变器通态损耗的一种简单计算方法.根据电流、电压关系确定器件导通规律,进而计算出器件导通占空比,由此推导出用于分析计算的导通损耗表达式.该表达式与器件静特性、功率因数、调制度及负载电流有关,利用其计算不同载波调制下通态损耗时只需改动导通占空比.另外,采用该损耗模型对正弦波调制和三次谐波注入法调制下的三电平逆变器通态损耗进行了分析比较,所得结论为三电平逆变器损耗研究奠定了基础. 2.期刊论文卫建荣.周伟.WEI Jianrong.ZHOU Wei三电平逆变器的点电压平衡控制-黑龙江科技学院学报2007,17(1)为解决电压型逆变器中点电压不平衡问题,分析了中点钳位式(NPC)三电平逆变器的基本原理,介绍了三电平逆变器的SVPWM算法.根据正负小矢量对中点电位的影响提出了两种平衡中点电位的控制策略,并通过设定电压误差滞环把两者结合起来.仿真结果表明,该方法能有效约束三电平逆变器的中点电压.3.期刊论文马晓莉.童军.马一博.Ma Xiaoli.Tong Jun.Ma Yibo三电平逆变器直接转矩控制仿真分析-电子科技2008,21(2)对三电平逆变器直接转矩控制的基本原理,拓扑结构,控制原理,及控制策略进行了详细的分析,给出了一种结合三电平特性的异步电机数学模型,通过仿真验证了建立在该模型下的中点钳位式三电平逆变器直接转矩控制的良好动静态特性.4.期刊论文严辉.夏巍.丁刚.VAN Hui.XIA Wei.DING Gang基于SVPWM的三电平中点钳位型逆变器的研究-自动化与仪器仪表2008(6)在介绍三电平中点钳位型逆变器SVPWM控制策略基础上,本文结合DSP和FPGA各自的优点,设计了基于FPGA和DSP的中点钳位型三电平逆变器.并对SVPWM的控制策略进行了实验研究,得出了相电压、线电压和电流波形,实验结果表明了三电平NPC逆变器SVPWM方法的有效性.5.学位论文曹彧三电平逆变器异步电机直接转矩控制SVPWM技术研究2006直接转矩控制技术(DTC)是继矢量控制技术之后发展起来的另一种新型高性能交流调速传动的控制技术。
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略及中点电位平衡研究
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
SVPWM是一种先进的空间矢量调制技术，通过将一个采样周期内的三个电压矢 量分配到两个开关器件上，可以获得与常规PWM相比更高的调制效率和更好的输 出波形质量。对于三电平NPC逆变器，SVPWM控制策略的关键是选取合适的调制方 式、脉宽调制参数和中点电位控制策略。
中点电位平衡研究
中点电位的影响主要有以下几个方面：
中点电位平衡研究
1、输出波形质量：中点电位不平衡会导致输出波形畸变，产生谐波污染；
中点电位平衡研究
2、开关器件的可靠性：中点电位不平衡会导致开关器件承受电压增大，降低 其可靠性；
中点电位平衡研究
3、系统的稳定性：中点电位不平衡会影响系统的稳定运行，可能导致系统振 荡甚至崩溃。
结论与展望
结论与展望
本次演示对三电平NPC逆变器SVPWM控制策略及中点电位平衡问题进行了深入 研究，提出了一种有效的控制方法。实验结果表明，该方法可以有效提高逆变器 的性能和可靠性。然而，在实际应用中仍存在一些问题需要进一步探讨，例如如 何进一步优化脉宽调制参数和中点电位平衡控制策略，以获得更好的输出波形质 量和系统稳定性。
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
电流跟踪控制参数也是SVPWM控制策略的重要组成部分。本次演示采用PI （Proportional-Integral）控制器来实现电流跟踪控制，通过调节PI控制器的 参数，达到快速跟踪输出电流的目的。
中点电位平衡研究
中点电位平衡研究
中点电位平衡问题是三电平NPC逆变器运行过程中的一个关键问题。中点电位 的平衡与否直接影响到逆变器的性能和可靠性。中点电位的产生原因是逆变器两 个半桥中点电压的差值，它可能会导致半桥电容充放电不平衡，进而影响逆变器 的正常工作。
三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真概要
收稿日期:2004-02-24作者简介:陶生桂(1940-,男,江苏常熟人,教授,博士生导师.E2mail:hb9139@三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真陶生桂,龚熙国,袁登科(同济大学沪西校区电气工程系,上海 200331摘要:多电平逆变器在中高压大功率场合得到了广泛的研究和应用.二极管中点箝位三电平逆变器是一种简单实用的多电平逆变器,但是三电平逆变器直流侧中点电位偏移问题影响着逆变器及其电机调速系统的可靠性.为此提出了一种用于三电平逆变器中点电位平衡的硬件电路,详细介绍了其工作原理以及参数设定,并用Matlab/Simulink 仿真工具对系统进行了研究,给出了较好的仿真结果.关键词:三电平逆变器;中点电位平衡;二极管箝位中图分类号:TM 464 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(200503-0395-05Design and Simulation of Nove l Circuit for Neutral 2PointVoltage Balance in Three 2Level InverterTAO Sheng 2gui,GON G Xi 2guo,YUAN Deng 2ke(Department of Electrical Engineering,Tong ji University West Campu s,Shanghai 200331,ChinaA bstract :The multilevel inverter has been studied and used widely in high power applications for medium or high voltage.Diode 2clamped three 2level inverter is a simple and practical kind of inverter.But the deviation of neutral point voltage is one of the keyaspects that affects the reliability of the three 2level inverter and its electric drive system.T his paper presents a novel circuit for neutral 2point voltage balance in the three 2level inverter.The operation principle and parameters setting are analyzed indetail.Simulation results based on Matlab/Simulink are supplied to confirm the validity of the pro 2posed circuit.Key words :three 2level inverter;neutral 2point voltage balancing;diode 2clamped近几年来,多电平逆变器成为人们研究的热点课题.三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路.三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较,主要优点是:器件具有2倍的正向阻断电压能力,并能减少谐波和降低开关频率,从而使系统损耗减小,使低压开关器件可以应用于高压变换器中[1].但是三电平逆变器控制策略复杂,并要考虑中点电位平衡的问题.若逆变器直流母线上串联的2个电容的中点电压出现偏移,将引起三电平逆变器输出电压波形发生畸变而增大谐波及损耗[2].抑制三电平逆变器中点电位偏移的方法有硬件和软件两类.从软件出发将会增加控制的复杂性.笔者提出了一种抑制三电平逆变器中点电位偏移的硬件电路的实现方法.详细介绍了其工作原理和电路设计,第33卷第3期2005年3月同济大学学报(自然科学版JO U RNAL O F TONGJI U NIV ERS ITY(N ATURAL SCIENCEVol.33No.3 Mar.2005并用美国MATH Works 公司推出的交互式仿真软件Matlab/Simulink 进行了研究,给出了较好的仿真结果.1 三电平逆变器及中点电位偏移原理三电平逆变器主电路结构如图1所示.其中V X1~V X4分别为X(X=A,B,C相上的电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT;D X1~D X4为与其反并联的续流二极管;D X 5,D X 6为相应各相的箝位二极管;P,N 为直流侧正、负电压母线;O 为中性点;C 1,C 2为直流侧的分压电容;U A ~U C 为逆变器的三相输出电压;U dc 为直流侧电压;i C1和i C2分别为流经C 1和C 2的电流;i NP 为流经中性点的电流.以X 相为例说明三电平逆变器的工作原理为:V X1和V X2导通时X 相输出正电平;V X3和V X 4导通时,X 相输出负电平;V X 2和V X3导通时,X 相输出零电平.因此,逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有三种取值的可能,这正是三电平逆变器名称的由来.图1 绝缘栅双极型晶体管IGBT 三电平逆变器主电路原理图Fig.1 Main cir cuit schematic of insulated gate bipolartransistor thr ee 2level inverter三电平逆变器运行中会存在一个问题,即中点电位偏移,这是由于在直流侧中性点存在着流入或流出的中点电流i NP ,如图1所示.当某一相上输出为零电压时(V X2,V X 3管导通,中点电流使得直流侧电容分压产生失衡:当i NP 流出中点时,对C 1充电;当i NP 流入中点时,对C 2充电,若C 1,C 2的充放电过程不均衡,则中点电位就要发生偏移.由此可见,i C1X i C2或i NP X 0是产生中点电位偏移的必要条件,而零电压在此过程中起了重要影响.2 中点电位平衡电路设计及其工作原理笔者提出的中点电位平衡电路的主电路如图2所示.电路中T 1,T 2,T 3为IGBT 管,D 1,D 2为续流二极管,L 1,L 2为储能电感,C 1,C 2为分压电容.与普通抑制电路相比,该电路增加了一个IGBT 管T 3,通过控制T 3管的导通与关断,可以抑制直流侧电压U dc 不变情况下C 1,C 2端的电压变化,即使U dc 降低,该电路也能有效抑制中点电位的偏移.图2 中点电位平衡电路主电路Fig.2 Main cir cuit schematic of the neutr al 2pointvoltage ba lancing2.1 U dc 保持不变情形下的中点电位的平衡若U dc 保持不变,则U dc =U C1+U C2为常数,U C1增加必然导致U C2下降,同样U C1下降必然使U C2增加,因此可以通过调整直流侧两个分立电容的电压来平衡中点电位.为实现这一目标,使T 3始终处于导通状态,此时的等效电路如图3所示.图3 T 3导通时的等效电路图Fig .3 Equiv a lent cir cuit when T 3turns on这一电路由Boost 和Buck 变换器组成.T 1,D 1,L 1和C 2构成Buck 变换器;T 2,D 2,L 2和C 1构成Boost 变换器.电路的工作模式相应地分为Buck 变换模式和Boost 变换模式.这两种变换模式的工作状态应当互补.当U C1>U C2时,Buck 变换电路(T 1,D 1,L 1,C 2开始工作,与此同时,Boost 变换电路停止工作.Buck 变换模式中,是通过调整C 2两端的电压实现抑制中点电位偏移的.当T 1导通时,一方面在U dc 作用下,电流流经T 1,L 1,C 2,另一方面396同济大学学报(自然科学版第33卷电容C 1上的电压U C1经T 1与L 1构成回路,均使电感L 1储能;当T 1关断时,经C 2,D 1,L 1的回路将储存在L 1中的电能转换到C 2中,电容C 2充电,其上电压增大,直到C 1与C 2上的电压平衡.当U C2>U C1时,Buck 变换器不再工作,Boost 变换电路开始工作.由于U C2>U C1,C 2中的能量将间接转移到C 1中.当T 2导通时,一方面C 2上的电压U C2经L 2,T 2放电,能量存储在L 2中,另一方面U dc 经C 1和C 2重新分配电压;当T 2关断时,二极管D 2导通,存储在L 2中的能量通过D 2转移到C 1中.这样,在Boost 变换模式中,通过调整C 1两端的电压就可以抑制中点电位的偏移,直到U C1=U C2.2.2 直流侧电压U dc 降低情形下的中点电位的平衡当输入电源发生脉动导致U dc 减小至低于电压保护设定值时,图2所示电路中的T 3管关断,此时的等效电路如图4所示.Boost 和Buck 变换器同时工作,不仅使C 1,C 2上的电压平衡,而且使它们的电压之和等于所设定的U dc 值.Buck 变换器调整电容C 2两端的电压.T 1导通时,从U dc 流出的电流流经T 1,L 1,C 2,使L 1储能;T 1关断时,L 1中的能量转换到C 2中.与此同时,Boost 变换器将能量从C 2转换到C 1中,调整C 1两端的电压,其工作过程与上述Boost 变换模式相同.图4 T 3关断时的等效电路图Fig.4 Equivalent cir cuit when T 3tur ns off3 电路参数的设计3.1 开关功率管的设计文献[3]中已经证明:中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流.笔者提出的平衡电路,中点电流最大值出现在T 1导通、储能电感L 1中电流线性增加过程中或出现在T 2导通、电流流经C 2对L 2储能的过程中.因此即使在中点电位偏移最大情形即中点电流最大时,流经T 1,T 2的电流应当与流过三电平逆变器中开关器件的电流值是相等的.另外不难看出,T 1,T 2的耐压值应当是三电平逆变器中开关器件耐压值的2倍.3.2 分压电容的设计每个分压电容承受直流侧电压的一半,因此对电容要求应当是电容的内压大于U dc /2的电解电容.为简单起见,完全可以将C 1,C 2设计为标称值相等的电容C ,由三电平逆变器的工作过程容易推出电容C 的计算公式为C =I NP max 2X NP U NPR(1式中:I NP max 为流经中点的电流最大值;X NP 为中点电位波动频率;U NPR 为中点电压变化的最大值.若设三电平逆变器三相输出电压电流的相位角为H 、调制深度为M 、输出角频率为X 、输出电流有效值为I ,则中点电位的偏移值U NP 可以计算出来,中点电压变化的最大值U NPR 也就很容易确定了.前已叙述,中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流,因此流经中点的电流最大值I NP max 为I NP max =2I(2一般说,中点电位波动频率X NP 为逆变器输出频率X 的3倍,即X NP =3X(3结合式(1,(2,(3,容易计算出电容C 的内压.可以看出:电容的大小不仅与中点电流的最大值有关,还与中点电压波纹大小及中点电压频率有关.3.3 储能电感的设计在Buck 变换模式中,流过储能电感L 1的电流不能发生突变,只能近似线性地上升或下降.设开关周期为T ,开关管T 1导通时间为t on ,截止时间为t off ,占空比为k =t on /T .在开关管T 1导通时,忽略其饱和导通管压降,则L 1两端电压为U L1=U dc -U C2(4又U L1=L 1$I L1max /t on(5式中:$I L1max 为T 1导通期间储能电感L 1中流过电流增加量的最大值.由式(1,(2可解得L 1=U L1t on /$I L1max =(U dc -U C2t on /$I L1max(6T 1关断时,U C2=L 1$I c L1max /t off(7式中:$I c L1max 为T 1关断期间L 1中流过电流减小量的最大值.由$I L1max =$I c L1max ,可得397 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真U C2=kU dc(8将式(5代入式(3得L 1=1-kk U C2t on $I L1ma x =(U dc -U C2U C2T /U dc $I L1max =(U dc -U C1U C1T /U dc $I L1max(9在Boost 变换模式中,根据同样的道理.可得L 2的计算公式.为方便起见,同样可以将L 1,L 2设计为相同标称值的电感.3.4 开关频率及占空比的设计平衡电路的开关频率不能低于逆变器主电路开关频率,否则抑制中点电位偏移的效果将不明显.但是若平衡电路开关频率过高,则不仅使器件损耗增大,而且还会对主电路产生不利影响,干扰主电路的正常工作.一般取平衡电路的开关频率为逆变器主电路开关频率的2~4倍.占空比的设计应当满足使得在T 1动作的Buck 模式中,储能电感L 1中的能量完全转换到C 1中;在T 2动作的Boost 模式中,L 2中的能量完全转换到C 1中,因此占空比一般可以设计为40%~60%.4 建模仿真及其分析笔者在Matlab/Simulink 环境下建立了系统仿真模型,其中主要包括三电平逆变器和中点电位平衡电路的数字化仿真模型,分别如图5a 和b 所示.仿真模型中引入了时钟(Clock、正弦波(Sin Wave等信号源模块以及增益(K 、积分运算1/s 和微分d u /d t 等运算模块.数字仿真模型更多地使用了数字逻辑模块,完成诸如或(OR、非(NOT 和异或(NOR等逻辑运算.>=模块是一个关系运算模块,Selector 为一个选路器模块,eps 模块是一个设定值误差.大量复杂的运算是通过函数计算模块(Fcn来完成的.在图a 中,由信号源组合产生的控制信号通过一系列函数运算最终输出三电平逆变器的三相电压U A ,U B ,U C .在图b 中,输入为中性点电流和开关控制信号Sw1,Sw2,输出为U C1,U C2. 仿真参数为:三电平逆变器直流侧输入电压为530V,输出频率为10H z,采用双三角波(SPWM调制.控制电路中分压电容值为3300L F,储能电感值为3mH,开关频率为2kH z,占空比为50%.三相对称负载等效为58的纯阻性负载.图6给出了仿真波形.从仿真结果来看,应用该硬件电路来抑制2个串联电容中点电位偏移,能获得良好的效果.5 结论(1在多电平逆变器中,该方案为电容电压分配均匀提供了很好的参考方案.(2对低电压系统的性能改进是可加以考虑的方案,对高压大容量场合,要从系统出发,仔细核算其性价比.398同济大学学报(自然科学版第33卷图5 基于Matla b/Simulink 的仿真模型Fig.5 Simula tion models based on Matla b/Simulink图6 仿真波形Fig.6 Simulation waveforms参考文献:[1] Jouanne A,Shaoan Dai,H aoran Zhang.A multilevel inverter ap 2proach providi ng DC 2link balancing,ride 2through enhanment,and common 2mode voltage elimination [J ].IEEE Transactions on In 2dustrial Electronics,2002,8(4:739-745.[2] 邵丙衡.电力电子技术[M ].北京:中国铁道出版社,1997.SHAO Bing 2h eng.Power electronics technology[M].B eiji ng:Ch i 2nese Railway Publication,1997.[3] Pressman A I.Swi tching power supply desi gn [M ].New York: McGraw 2Hill,1998.(编辑:杨家琪399 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真。
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收稿日期:2004-02-24作者简介:陶生桂(1940-,男,江苏常熟人,教授,博士生导师.E2mail:hb9139@三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真陶生桂,龚熙国,袁登科(同济大学沪西校区电气工程系,上海 200331摘要:多电平逆变器在中高压大功率场合得到了广泛的研究和应用.二极管中点箝位三电平逆变器是一种简单实用的多电平逆变器,但是三电平逆变器直流侧中点电位偏移问题影响着逆变器及其电机调速系统的可靠性.为此提出了一种用于三电平逆变器中点电位平衡的硬件电路,详细介绍了其工作原理以及参数设定,并用Matlab/Simulink 仿真工具对系统进行了研究,给出了较好的仿真结果.关键词:三电平逆变器;中点电位平衡;二极管箝位中图分类号:TM 464 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(200503-0395-05Design and Simulation of Nove l Circuit for Neutral 2PointVoltage Balance in Three 2Level InverterTAO Sheng 2gui,GON G Xi 2guo,YUAN Deng 2ke(Department of Electrical Engineering,Tong ji University West Campu s,Shanghai 200331,ChinaA bstract :The multilevel inverter has been studied and used widely in high power applications for medium or high voltage.Diode 2clamped three 2level inverter is a simple and practical kind of inverter.But the deviation of neutral point voltage is one of the keyaspects that affects the reliability of the three 2level inverter and its electric drive system.T his paper presents a novel circuit for neutral 2point voltage balance in the three 2level inverter.The operation principle and parameters setting are analyzed indetail.Simulation results based on Matlab/Simulink are supplied to confirm the validity of the pro 2posed circuit.Key words :three 2level inverter;neutral 2point voltage balancing;diode 2clamped近几年来,多电平逆变器成为人们研究的热点课题.三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路.三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较,主要优点是:器件具有2倍的正向阻断电压能力,并能减少谐波和降低开关频率,从而使系统损耗减小,使低压开关器件可以应用于高压变换器中[1].但是三电平逆变器控制策略复杂,并要考虑中点电位平衡的问题.若逆变器直流母线上串联的2个电容的中点电压出现偏移,将引起三电平逆变器输出电压波形发生畸变而增大谐波及损耗[2].抑制三电平逆变器中点电位偏移的方法有硬件和软件两类.从软件出发将会增加控制的复杂性.笔者提出了一种抑制三电平逆变器中点电位偏移的硬件电路的实现方法.详细介绍了其工作原理和电路设计,第33卷第3期2005年3月同济大学学报(自然科学版JO U RNAL O F TONGJI U NIV ERS ITY(N ATURAL SCIENCEVol.33No.3 Mar.2005并用美国MATH Works 公司推出的交互式仿真软件Matlab/Simulink 进行了研究,给出了较好的仿真结果.1 三电平逆变器及中点电位偏移原理三电平逆变器主电路结构如图1所示.其中V X1~V X4分别为X(X=A,B,C相上的电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT;D X1~D X4为与其反并联的续流二极管;D X 5,D X 6为相应各相的箝位二极管;P,N 为直流侧正、负电压母线;O 为中性点;C 1,C 2为直流侧的分压电容;U A ~U C 为逆变器的三相输出电压;U dc 为直流侧电压;i C1和i C2分别为流经C 1和C 2的电流;i NP 为流经中性点的电流.以X 相为例说明三电平逆变器的工作原理为:V X1和V X2导通时X 相输出正电平;V X3和V X 4导通时,X 相输出负电平;V X 2和V X3导通时,X 相输出零电平.因此,逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有三种取值的可能,这正是三电平逆变器名称的由来.图1 绝缘栅双极型晶体管IGBT 三电平逆变器主电路原理图Fig.1 Main cir cuit schematic of insulated gate bipolartransistor thr ee 2level inverter三电平逆变器运行中会存在一个问题,即中点电位偏移,这是由于在直流侧中性点存在着流入或流出的中点电流i NP ,如图1所示.当某一相上输出为零电压时(V X2,V X 3管导通,中点电流使得直流侧电容分压产生失衡:当i NP 流出中点时,对C 1充电;当i NP 流入中点时,对C 2充电,若C 1,C 2的充放电过程不均衡,则中点电位就要发生偏移.由此可见,i C1X i C2或i NP X 0是产生中点电位偏移的必要条件,而零电压在此过程中起了重要影响.2 中点电位平衡电路设计及其工作原理笔者提出的中点电位平衡电路的主电路如图2所示.电路中T 1,T 2,T 3为IGBT 管,D 1,D 2为续流二极管,L 1,L 2为储能电感,C 1,C 2为分压电容.与普通抑制电路相比,该电路增加了一个IGBT 管T 3,通过控制T 3管的导通与关断,可以抑制直流侧电压U dc 不变情况下C 1,C 2端的电压变化,即使U dc 降低,该电路也能有效抑制中点电位的偏移.图2 中点电位平衡电路主电路Fig.2 Main cir cuit schematic of the neutr al 2pointvoltage ba lancing2.1 U dc 保持不变情形下的中点电位的平衡若U dc 保持不变,则U dc =U C1+U C2为常数,U C1增加必然导致U C2下降,同样U C1下降必然使U C2增加,因此可以通过调整直流侧两个分立电容的电压来平衡中点电位.为实现这一目标,使T 3始终处于导通状态,此时的等效电路如图3所示.图3 T 3导通时的等效电路图Fig .3 Equiv a lent cir cuit when T 3turns on这一电路由Boost 和Buck 变换器组成.T 1,D 1,L 1和C 2构成Buck 变换器;T 2,D 2,L 2和C 1构成Boost 变换器.电路的工作模式相应地分为Buck 变换模式和Boost 变换模式.这两种变换模式的工作状态应当互补.当U C1>U C2时,Buck 变换电路(T 1,D 1,L 1,C 2开始工作,与此同时,Boost 变换电路停止工作.Buck 变换模式中,是通过调整C 2两端的电压实现抑制中点电位偏移的.当T 1导通时,一方面在U dc 作用下,电流流经T 1,L 1,C 2,另一方面396同济大学学报(自然科学版第33卷电容C 1上的电压U C1经T 1与L 1构成回路,均使电感L 1储能;当T 1关断时,经C 2,D 1,L 1的回路将储存在L 1中的电能转换到C 2中,电容C 2充电,其上电压增大,直到C 1与C 2上的电压平衡.当U C2>U C1时,Buck 变换器不再工作,Boost 变换电路开始工作.由于U C2>U C1,C 2中的能量将间接转移到C 1中.当T 2导通时,一方面C 2上的电压U C2经L 2,T 2放电,能量存储在L 2中,另一方面U dc 经C 1和C 2重新分配电压;当T 2关断时,二极管D 2导通,存储在L 2中的能量通过D 2转移到C 1中.这样,在Boost 变换模式中,通过调整C 1两端的电压就可以抑制中点电位的偏移,直到U C1=U C2.2.2 直流侧电压U dc 降低情形下的中点电位的平衡当输入电源发生脉动导致U dc 减小至低于电压保护设定值时,图2所示电路中的T 3管关断,此时的等效电路如图4所示.Boost 和Buck 变换器同时工作,不仅使C 1,C 2上的电压平衡,而且使它们的电压之和等于所设定的U dc 值.Buck 变换器调整电容C 2两端的电压.T 1导通时,从U dc 流出的电流流经T 1,L 1,C 2,使L 1储能;T 1关断时,L 1中的能量转换到C 2中.与此同时,Boost 变换器将能量从C 2转换到C 1中,调整C 1两端的电压,其工作过程与上述Boost 变换模式相同.图4 T 3关断时的等效电路图Fig.4 Equivalent cir cuit when T 3tur ns off3 电路参数的设计3.1 开关功率管的设计文献[3]中已经证明:中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流.笔者提出的平衡电路,中点电流最大值出现在T 1导通、储能电感L 1中电流线性增加过程中或出现在T 2导通、电流流经C 2对L 2储能的过程中.因此即使在中点电位偏移最大情形即中点电流最大时,流经T 1,T 2的电流应当与流过三电平逆变器中开关器件的电流值是相等的.另外不难看出,T 1,T 2的耐压值应当是三电平逆变器中开关器件耐压值的2倍.3.2 分压电容的设计每个分压电容承受直流侧电压的一半,因此对电容要求应当是电容的内压大于U dc /2的电解电容.为简单起见,完全可以将C 1,C 2设计为标称值相等的电容C ,由三电平逆变器的工作过程容易推出电容C 的计算公式为C =I NP max 2X NP U NPR(1式中:I NP max 为流经中点的电流最大值;X NP 为中点电位波动频率;U NPR 为中点电压变化的最大值.若设三电平逆变器三相输出电压电流的相位角为H 、调制深度为M 、输出角频率为X 、输出电流有效值为I ,则中点电位的偏移值U NP 可以计算出来,中点电压变化的最大值U NPR 也就很容易确定了.前已叙述,中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流,因此流经中点的电流最大值I NP max 为I NP max =2I(2一般说,中点电位波动频率X NP 为逆变器输出频率X 的3倍,即X NP =3X(3结合式(1,(2,(3,容易计算出电容C 的内压.可以看出:电容的大小不仅与中点电流的最大值有关,还与中点电压波纹大小及中点电压频率有关.3.3 储能电感的设计在Buck 变换模式中,流过储能电感L 1的电流不能发生突变,只能近似线性地上升或下降.设开关周期为T ,开关管T 1导通时间为t on ,截止时间为t off ,占空比为k =t on /T .在开关管T 1导通时,忽略其饱和导通管压降,则L 1两端电压为U L1=U dc -U C2(4又U L1=L 1$I L1max /t on(5式中:$I L1max 为T 1导通期间储能电感L 1中流过电流增加量的最大值.由式(1,(2可解得L 1=U L1t on /$I L1max =(U dc -U C2t on /$I L1max(6T 1关断时,U C2=L 1$I c L1max /t off(7式中:$I c L1max 为T 1关断期间L 1中流过电流减小量的最大值.由$I L1max =$I c L1max ,可得397 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真U C2=kU dc(8将式(5代入式(3得L 1=1-kk U C2t on $I L1ma x =(U dc -U C2U C2T /U dc $I L1max =(U dc -U C1U C1T /U dc $I L1max(9在Boost 变换模式中,根据同样的道理.可得L 2的计算公式.为方便起见,同样可以将L 1,L 2设计为相同标称值的电感.3.4 开关频率及占空比的设计平衡电路的开关频率不能低于逆变器主电路开关频率,否则抑制中点电位偏移的效果将不明显.但是若平衡电路开关频率过高,则不仅使器件损耗增大,而且还会对主电路产生不利影响,干扰主电路的正常工作.一般取平衡电路的开关频率为逆变器主电路开关频率的2~4倍.占空比的设计应当满足使得在T 1动作的Buck 模式中,储能电感L 1中的能量完全转换到C 1中;在T 2动作的Boost 模式中,L 2中的能量完全转换到C 1中,因此占空比一般可以设计为40%~60%.4 建模仿真及其分析笔者在Matlab/Simulink 环境下建立了系统仿真模型,其中主要包括三电平逆变器和中点电位平衡电路的数字化仿真模型,分别如图5a 和b 所示.仿真模型中引入了时钟(Clock、正弦波(Sin Wave等信号源模块以及增益(K 、积分运算1/s 和微分d u /d t 等运算模块.数字仿真模型更多地使用了数字逻辑模块,完成诸如或(OR、非(NOT 和异或(NOR等逻辑运算.>=模块是一个关系运算模块,Selector 为一个选路器模块,eps 模块是一个设定值误差.大量复杂的运算是通过函数计算模块(Fcn来完成的.在图a 中,由信号源组合产生的控制信号通过一系列函数运算最终输出三电平逆变器的三相电压U A ,U B ,U C .在图b 中,输入为中性点电流和开关控制信号Sw1,Sw2,输出为U C1,U C2. 仿真参数为:三电平逆变器直流侧输入电压为530V,输出频率为10H z,采用双三角波(SPWM调制.控制电路中分压电容值为3300L F,储能电感值为3mH,开关频率为2kH z,占空比为50%.三相对称负载等效为58的纯阻性负载.图6给出了仿真波形.从仿真结果来看,应用该硬件电路来抑制2个串联电容中点电位偏移,能获得良好的效果.5 结论(1在多电平逆变器中,该方案为电容电压分配均匀提供了很好的参考方案.(2对低电压系统的性能改进是可加以考虑的方案,对高压大容量场合,要从系统出发,仔细核算其性价比.398同济大学学报(自然科学版第33卷图5 基于Matla b/Simulink 的仿真模型Fig.5 Simula tion models based on Matla b/Simulink图6 仿真波形Fig.6 Simulation waveforms参考文献:[1] Jouanne A,Shaoan Dai,H aoran Zhang.A multilevel inverter ap 2proach providi ng DC 2link balancing,ride 2through enhanment,and common 2mode voltage elimination [J ].IEEE Transactions on In 2dustrial Electronics,2002,8(4:739-745.[2] 邵丙衡.电力电子技术[M ].北京:中国铁道出版社,1997.SHAO Bing 2h eng.Power electronics technology[M].B eiji ng:Ch i 2nese Railway Publication,1997.[3] Pressman A I.Swi tching power supply desi gn [M ].New York: McGraw 2Hill,1998.(编辑:杨家琪399 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真。