江蘇大學(xué)現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)論文-多電平逆變器的工作原理和控制、仿真(編輯修改稿)
2025-07-12 17:33 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓 Vref 處于這一區(qū)域時(shí)，矢量 Vc 必須被選取，因?yàn)樗罱咏搮⒖贾怠? 圖 8（ a）示出一個(gè)十一電平多單元逆變器中的一個(gè)單元產(chǎn)生的電壓，該逆變器每相有 5 個(gè)單元，輸出頻率為 50 Hz。同樣頻率、調(diào)制因數(shù)為 的逆變器的負(fù)載電壓波形如圖 8（ b）所示 。 圖 9 示出參考矢量和應(yīng)用于 SVC 的逆變器產(chǎn)生的矢量。在電平數(shù)較多時(shí)，這種方式既簡(jiǎn)單又具有吸引力。當(dāng)電平數(shù)減少時(shí)，逆變器所產(chǎn)生的矢量與參考矢量之間的誤差將會(huì)較大，這將使負(fù)載電流紋波增加。 9 直接轉(zhuǎn)矩控制 為了有效地控制交流傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩和磁通，作為取代磁場(chǎng)定向控制方式的另一種選擇，在低壓二電平逆變器中發(fā)展了直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）技術(shù)。同樣， D T C 和磁滯電流控制技術(shù)也在多電平逆變器中得到了應(yīng)用。特別需要提出的是， ABB 公司已出售用 DTC 控制的中壓三電平二極管箝位逆變器產(chǎn)品。 2. 多 電平逆變器中的電壓平衡技術(shù) 所謂中點(diǎn)電壓平衡問(wèn)題，是指在多電平逆變器中，由于直流分壓電容充放電不均衡造成中點(diǎn)電壓不平衡。中點(diǎn)電壓的增減取決于開(kāi)關(guān)模式的選擇、負(fù)載電流方向、脈沖持續(xù)時(shí)間及所選用的電容等，這一電壓不平衡會(huì)引起直流側(cè)電容電壓過(guò)高和輸出電壓的畸變等。文獻(xiàn)討論了二極管箝位多電平逆變器電壓不平衡問(wèn)題和機(jī)理。該文指出二極管箝位多電平逆變器在不犧牲輸出電壓性能的情況下，用于有功功率變換不可能平衡電壓。因此提出二極管箝位多電平逆變器用于無(wú)功和諧波補(bǔ)償時(shí)沒(méi)有電壓平衡問(wèn)題。 文獻(xiàn)認(rèn)為通過(guò)應(yīng)用背靠背整流器 / 逆變器 系統(tǒng)和采取適當(dāng)?shù)碾妷浩胶饪刂?，電壓不平衡?wèn)題可以得到解決。 文獻(xiàn)則提出附加電壓平衡電路，如直流斬波器等，可以解決電壓不平衡問(wèn)題。最近，我們進(jìn)一步拓展了二極管箝位多電平整流 /逆變系統(tǒng)的電壓平衡理論。圖 10 示出一個(gè)三相五電平整流 / 逆變系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)相同的共用直流母線的五電平變流器組成。左半部分作為整流器連接在電網(wǎng)上，右半部分作為逆變器與負(fù)載相連。該多電平變流器用最簡(jiǎn)單的基頻開(kāi)關(guān)控制法，通過(guò)這種控制，我們可以在每個(gè)周期內(nèi)得到一個(gè)五電平的階梯波。對(duì)于三相變流器，我們可以得到一個(gè)九電 10 平的線電壓。 圖 11 示出逆變器側(cè)輸出的相電壓和電流波形，其中，假定該電流是正弦的。圖 11（ a）示出電壓與電流同相時(shí)的情況。當(dāng)變流器分別輸出 V2， V3 或 V4 電平時(shí)，線電流將分別流入或從內(nèi)部電平 V2， V3 或 V4 流出。 圖 11（ a）中不同的陰影部分表示一個(gè)時(shí)間段內(nèi)流入每一個(gè)電平的電荷。顯然，由于總是有正電流從電平 V4 流出，因此電平 V4 將降低。而由于負(fù)電流流入電平 V2，因此該電平將升高。電平 V3 將保持穩(wěn)定，因?yàn)榱魅胨钠骄娏鳛榱?。圖 11（ b）示出線電流超前輸出相電壓 90176。時(shí)的情況。顯然，由于每時(shí)段流過(guò)的平均電流為 零，所有電平均保持穩(wěn)定，這說(shuō)明無(wú)功電流分量不會(huì)影響到每個(gè)電平的平均電壓。在背對(duì)背結(jié)構(gòu)中，由于系統(tǒng)的對(duì)稱性，兩側(cè)的電壓不平衡趨勢(shì)可以互相補(bǔ)償，只要控制合理，可以使流入每一個(gè)電平的純電流為零。因?yàn)闊o(wú)論整流器還是逆變器的無(wú)功電流都不會(huì)影響電壓均衡，所以我們只需要著重考慮有功電流。電壓和有功電流的波形如圖 12 所示。圖 12（ a）示出整流器的波形。 VR 和 VR1 是輸出電壓的階梯波電壓波形及其基波分量。 IR 是有功電流波形。圖 12（ b）示出逆變器的波形。 11 為了平衡直流電容器電壓，輸入和從直流鏈電容器上輸出的有功功 率和電荷必須平衡，也就是說(shuō)：功率平衡 和電荷平衡 假設(shè)三相電流是平衡的，且是正弦的，我們只需要考慮式（ 4）和式（ 5）式中的基波成分，從而我們可以得到： VR1IR1＝ VI1II1 ??????????????（ 6） 和 式中的 VR1， VI1， IR1 和 II1 是基波分量。另一方面，電壓基波可以從圖 12 得到，并表示成開(kāi)關(guān)角和直流鏈電壓的函數(shù)： 從式（ 6）和式（ 7）中消去電流（ IR1 和 II1），我們可以得到平衡功率和電荷的下列 4 個(gè)開(kāi)關(guān)角的限制條件： 除此之外，最佳開(kāi)關(guān)角可以由最低總諧波畸變或 最低的 5 次、 7 次諧波分量求得，也就是說(shuō)： 12 其中，每個(gè)諧波成分可以從圖 12 得到，并通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)形式表示為開(kāi)關(guān)角和直流鏈電壓的函數(shù)。在整流側(cè)和逆變側(cè)，對(duì)于給定的調(diào)制指數(shù)， 4 個(gè)開(kāi)關(guān)角都可以通過(guò)迭代的方法得到。圖 13 示出調(diào)制指數(shù) MIR ＝ 時(shí)的結(jié)果。 利用上述計(jì)算所得的最佳開(kāi)關(guān)角，以及通過(guò)仿真驗(yàn)證了直流鏈電壓平衡的狀況。圖 14 示出每個(gè)電平的電壓波形的仿真結(jié)果。從圖中可見(jiàn)，各個(gè)電壓都從零開(kāi)始，相當(dāng)平衡。我們完成了一臺(tái)五電平背對(duì)背結(jié)構(gòu)的 10 kW 變流器 / 逆變器的樣機(jī)。圖 15 和圖 16 分 別示出整流器和逆變器的調(diào)制指數(shù)分別為 和 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 圖 15 示出各個(gè)電平的實(shí)驗(yàn)電壓波形，其縱軸坐標(biāo)為 0~800 V。從圖可見(jiàn)，所有電平均平衡得相當(dāng)好。圖 16 示出電壓和電流波形，其中
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