二極管箝位式多電平逆變器直流側(cè)電容電壓不平衡機(jī)理的研究

1、二極管箝位式多電平逆變器直流側(cè)電容電壓不平衡機(jī)理的研究             二極管箝位式多電平逆變器直流側(cè)電容電壓不平衡機(jī)理的研究王廣柱(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061)    摘  要：多電平逆變器能產(chǎn)生多階梯、低失真電壓波形，特別適合于大功率高電壓場合。其中二極管箝位式多電平逆變器（DCMLI）因無需獨(dú)立的直流電源來維持每級電壓而備受關(guān)注。但由于該逆變器存在直流側(cè)電容電壓的不平衡問題，因而還未能在有功功率變換中

2、得到廣泛應(yīng)用。文中采用空間矢量法研究了負(fù)載功率因數(shù)對二極管箝位式多電平逆變器(DCMLI)直流側(cè)電容電壓不平衡的影響，建立了功率因數(shù)與電容電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。利用DCMLI的電容電流模型計(jì)算出了各開關(guān)狀態(tài)下的電容電流大小和方向，并引入不平衡空間矢量的概念，從而揭示了產(chǎn)生DCMLI電容電壓不平衡的機(jī)理。認(rèn)為只有舍去不平衡矢量，才能通過選擇合適的冗余開關(guān)狀態(tài)使DCMLI電容電壓達(dá)到平衡。仿真驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。    關(guān)鍵詞：二極管箝位式多電平逆變器；多電平變換器；多電平逆變器；空間矢量；脈寬調(diào)制1  引言    在高電壓功率變

3、換系統(tǒng)中，如高壓交流調(diào)速以及電力系統(tǒng)靜止無功發(fā)生器、電力有源濾波器以及新型直流輸電等FACTS裝置，多電平逆變器由于有許多優(yōu)點(diǎn)而成為了國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，多電平逆變器具有以下特點(diǎn)：可使用耐壓較低功率開關(guān)器件輸出較高的電壓；輸出電壓波形由多個(gè)臺階組成，通過提高電平數(shù)目能產(chǎn)生近似正弦的輸出電壓；輸出電壓dv/dt相對較低，降低了器件封裝絕緣和負(fù)載絕緣，并且具有較小的電磁干擾。多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目前主要有三種：飛電容(flying capacitors)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；級聯(lián)式H橋(cascaded H bridges)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)已成功的用于高壓交流調(diào)速1和靜止無功發(fā)

4、生器2；二極管箝位式(diode clamp)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由A.Nabae、H.Akagi等人于80年代初提出的中性點(diǎn)箝位式逆變器3的擴(kuò)展，由于該逆變器結(jié)構(gòu)不要求相互獨(dú)立的直流電源來維持每個(gè)電平電壓，不需要變壓器而可以與電網(wǎng)直接相連，因此比級聯(lián)式具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。    然而，二極管箝位式多電平逆變器(下簡為DCMLI)利用多個(gè)電容器串聯(lián)跨接在直流側(cè)(整流器輸出)兩端，逆變器通過二極管連接在每個(gè)電容器上，從電容器上輸出不相等的功率將導(dǎo)致電容器上的電壓不相等，即出現(xiàn)所謂的電容電壓不平衡問題。F. Z. Peng等人用簡單的圖式法4解釋了DCMLI的電容電

5、壓不平衡現(xiàn)象，并得出了只有當(dāng)輸出電壓與電流相差90°時(shí)電容電壓才平衡的結(jié)論。T. A. Lipo等對四電平DCMLI進(jìn)行了大量的研究5,6，利用空間電壓矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)基本解決了四電平DCMLI的電容電壓平衡問題。Takashi等對五電平DCMLI的電容電壓平衡問題也進(jìn)行了研究7。    目前大多數(shù)學(xué)者僅對某個(gè)具體的DCMLI電容電壓平衡問題進(jìn)行研究，研究方法不便于推廣和擴(kuò)展。本文采用空間矢量法對DCMLI產(chǎn)生電容電壓不平衡的機(jī)理進(jìn)行了理論研究，并在此基礎(chǔ)上，對利用空間電壓矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)解決電容電壓平衡問題的方法，進(jìn)行了一般意義上的分析和探討，并得

6、出了該方法的適用范圍，對進(jìn)一步研究電容電壓平衡控制方法具有一定指導(dǎo)意義。2  二極管箝位式多電平逆變器及空間電壓矢量法    五電平DCMLI主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，直流側(cè)由四個(gè)串聯(lián)電容組成，設(shè)電容容量和電容電壓都相等，即 ， ，設(shè) 、 、 分別代表A、B、C三相的開關(guān)狀態(tài)。因此A相輸出電壓對直流側(cè)負(fù)端電壓為式中  ，表示 、 、 、 或其反并聯(lián)二極管同時(shí)導(dǎo)通； ，表示 、 、 同時(shí)導(dǎo)通或 導(dǎo)通； ，表示 、 同時(shí)導(dǎo)通或 、 同時(shí)導(dǎo)通； ，表示 導(dǎo)通或 、 、 同時(shí)導(dǎo)通； ，表示 、 、 、 或其反并聯(lián)二極管同時(shí)導(dǎo)通。  &

7、#160; 同理，B、C相輸出電壓對直流側(cè)負(fù)端電壓為： ， ，式中 、Sc=0, 1, 2, 3, 4。    同樣，上述關(guān)系也適合于M電平DCMLI，此時(shí) 、 、 。    負(fù)載中性點(diǎn)N電壓為    其負(fù)載相電壓(各相輸出電壓對中性點(diǎn)N之間的電壓)為       (1)根據(jù)空間矢量的定義，以A相為參考軸的合成空間電壓矢量和合成電流空間矢量為      (2) 

8、60;      (3)式中 、 、 為負(fù)載電流。將式(1)代入式(2)，得    (4)    式(4)有下列重要性質(zhì)：    當(dāng) 、 、 同時(shí)增加或減少整數(shù) 時(shí)，使 時(shí)，其合成空間    電壓矢量保持不變。即    因此，一個(gè)合成空間相量可能對應(yīng)幾個(gè)不同的開關(guān)狀態(tài)，即對應(yīng)不同的 、 、 ，也就是所謂的冗余狀態(tài)。    將 、 、 的取值代入式(4)，就可得到DCMLI的合成電壓空間矢

9、量圖。不失一般性，圖2給出了六電平（M=6）DCMLI的合成空間電壓矢量圖。    圖中，星號（）表示空間矢量頂點(diǎn)，對應(yīng)的三位數(shù)字為相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，例如,（411）代表開關(guān)狀態(tài) 、 、 、 、 為扇區(qū)內(nèi)的非零矢量。除去最外層六邊形的矢量，就可得到五電平DCMLI的合成空間電壓矢量圖，除去最外兩層六邊形的矢量，就可得到四電平的，依此類推可得到三電平、二電平的空間電壓矢量圖。    對于M電平DCMLI共有M3個(gè)開關(guān)狀態(tài)，其合成電壓空間矢量中有一個(gè)零矢量（對應(yīng)M個(gè)開關(guān)狀態(tài)）和3M(M-1)個(gè)非零矢量。除最外面六邊形上的矢量外，其它矢量都對

10、應(yīng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的開關(guān)狀態(tài)?？臻g矢量均勻分布在六個(gè)對稱的扇區(qū)（、）內(nèi)。設(shè)在扇區(qū)內(nèi) 、 、 時(shí)，則 、 、 的變化規(guī)律如表1所示。3  負(fù)載功率因數(shù)對電容電壓平衡問題的影響    設(shè)負(fù)載阻抗為Z，功率因數(shù)角為 ，即合成矢量Vs與Is的交角為 ，如圖3所示。    圖中 、 分別為Vs在 軸和 軸上的投影，Ip、Iq分別為合成電流矢量Is的有功分量和無功分量， 、 、 、 分別為 、 在 軸和 軸上的投影。設(shè) 、 、 分別為負(fù)載電流 、 、 有功分量， 、 、 分別為其無功分量，即矢量Ip、Iq分別在A、B、C軸上的投影（圖中沒

11、有標(biāo)出）。經(jīng)過坐標(biāo)變換可推出有功電流分量和無功電流分量與 、 、 的關(guān)系為    (5)             (6)    圖4給出了DCMLI的電流模型，其多路開關(guān)模型可由下式表示：(7)    式中 。例如，當(dāng) 、 、 時(shí)，即開關(guān)狀態(tài)（321），多路開關(guān)為： 與 接通， 與 接通， 與 接通，即 ，其它皆不接通。    設(shè) 、 分別為 的有功電流分量和無功電流

12、分量，則有(8) (9)    當(dāng) 、 、 按表1的規(guī)律變化時(shí)，通過對 、 變化的研究可以看出其對電容電壓平衡的影響。    （1） 的變化規(guī)律    將式(5)代入式(8)得:    按表1將 、 、 的取值代入上式，可以發(fā)現(xiàn)在六個(gè)扇區(qū)內(nèi)對應(yīng)的 相等，也就是說當(dāng) 在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)不為零時(shí)，就會影響電容電壓不平衡（ 和 除外）， 為直流量。    （2） 的變化規(guī)律    將式(6)代入式(9)得 &

13、#160;  設(shè) 不全相等(全相等為零矢量)，并分下列兩種情況：    令 或 ，則    可以看出，兩相鄰扇區(qū)內(nèi)的 之和為零，即均值為零。這說明 是一頻率為六倍于輸出電流頻率的正負(fù)對稱的交流電流，因此不影響電容電壓的平衡。    ，    令 ，有     令 ，有     顯然此時(shí) 不影響電容電壓的平衡。    綜上所述， 為六個(gè)扇區(qū)內(nèi)對稱的直流量，而 為正負(fù)對稱的交流量，

14、因此 不影響電容電壓的平衡， 會影響電容電壓的平衡。這就說明：只要負(fù)載功率因數(shù)不為零，就存在電容電壓不平衡現(xiàn)象。而功率因數(shù)為零時(shí)，就不存在電容電壓不平衡現(xiàn)象。4  有功電流分量對電容電壓的影響程度    由圖4可知，          (12)    因逆變器直流側(cè)為恒壓源，且電容容量相等，故有：(13)    綜合(12)和(13)可得：              (14)式中  ， 是 矩陣。因 和 不影響電容電壓的平衡，這里不予考慮。    根據(jù)前面的分析，由于無功電流分量不影響電容電壓平衡，因此可假設(shè)負(fù)載功率因數(shù)為1，并且，由于六個(gè)扇區(qū)內(nèi)的電流 對稱，因此僅對扇區(qū)內(nèi)的電流矢量或狀態(tài)進(jìn)行研究即可。將在扇區(qū)內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)組合， 、 、 的取值代入式(10)和(14)即可得出各開