0    引言

    二極管中點箝位型逆變器[1]是最近研究的一個熱點,。這種拓撲結(jié)構(gòu),，每個功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，另外,，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個電平,，因此輸出波形質(zhì)量高,。因而這種結(jié)構(gòu)變換器在高性能、中高電壓的變頻調(diào)速,，有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無功補償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。但是，這種變換器采用兩個電容串聯(lián)來產(chǎn)生三個電平,，由于開關(guān)器件本身特性的不一致和變換器能量轉(zhuǎn)換時中點電位參與能量的傳輸,，因此，會產(chǎn)生兩個電容電壓分壓不均的問題,，即中點平衡問題,。如果中點電位不平衡，在交流輸出側(cè)會產(chǎn)生低次諧波,，使逆變器的輸出效率變低,，同時諧波還會對電機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機的調(diào)速性能,；另外,，逆變器某些開關(guān)管承受的電壓增高，降低了系統(tǒng)的可靠性；最后,，中點電位波動降低了直流側(cè)電容的壽命,。

    國內(nèi)外學(xué)者對三電平逆變器中點問題作了不少的研究，提出了不少的方法,。載波SPWM方法中平衡中點電位一般都是在調(diào)制波中注入適當(dāng)零序分量,。文獻[2]中注入三次零序分量來平衡中點電位，文獻[3]中提出了一種注入零序電壓的分析算法,。空間矢量方法中平衡中點電位的方法[4]歸納起來主要有以下幾種：

    1）開環(huán)被動控制    在每一個新開關(guān)周期,，小矢量的P，N狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換,，這種方法只有在平衡負載的情況下能夠較好控制中點電位,，其動態(tài)調(diào)整特性不好；

    2）滯環(huán)型控制    是目前應(yīng)用最多的一種閉環(huán)控制方法,，在檢測每相電流方向基礎(chǔ)之上,，通過選擇小矢量P，N狀態(tài)使中點電位朝不平衡方向的相反方向來選擇,，這種方法的缺點就是電流中有1/2開關(guān)頻率的紋波,；

    3）有源控制    這種方法通過控制電流的調(diào)制因子，需要檢測中點電位不平衡的大小和相電流的幅度,，好處就是沒有1/2開關(guān)頻率的紋波,，但是，由于增加了其他的開關(guān)狀態(tài)從而增加了開關(guān)損耗,，這種方法一般沒有滯環(huán)控制那么可靠,。

    本文首先對三電平逆變器建模，分析造成三電平逆變器中點電位不平衡的本質(zhì)原因,。詳細地分析了整流和逆變兩種狀態(tài)下各類電壓矢量對中點電位的影響,。討論了一種基于檢測中點電流方向和直流側(cè)電容電壓大小，來調(diào)整小矢量P,，N狀態(tài)作用時間進而平衡中點電位滯環(huán)控制方法,。最后實驗研究了該方法的效果，實驗結(jié)果驗證了滯環(huán)控制方法的有效性和可靠性,。

1    三電平變換器的數(shù)學(xué)模型

    為建立三電平變換器的數(shù)學(xué)模型,，作如下理想假設(shè)：

    1）直流側(cè)的輸入電源E_d是理想的恒定的直流電壓源；

    2）所有開關(guān)器件都是理想的開關(guān),，即所有開關(guān)器件沒有慣性和損耗,；

    3）直流側(cè)電容也是理想元件，即無內(nèi)阻,、無電感且C_dc1=C_dc2,；

    4）變換器的開關(guān)頻率遠大于基波頻率,；

    5）變換器的負載是三相對稱感性負載。

    引入開關(guān)函數(shù)S_ij,，其中i表示第i相(i=a,，b，c),，j表示i相的開關(guān)接到哪個點（j=P,，N，O）,，對中點箝位型的變換器建立等效模型如圖1所示,。

圖1    三電平變換器等效開關(guān)模型

    對于直流側(cè)的節(jié)點0列電流關(guān)系方程得

    i_o=i_c1＋i_c2（1）

    i_c2=－C_dc2（2）

    i_c1=C_dc1（3）

    i_o=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（4）

    v_dc1＋v_dc2=E_d（5）

    由式（1）—式（5）可以得出

    i_o=2C_dc1=S_aoi_a＋S_boi_b＋S_coi_c（6）

    由式（6）不難看出，只要中點有電流,，即只要三相中的三個開關(guān)有連接到中點0的時候就可能會影響中點的電位,。而且從式（6）中也不難看出，中點電流的方向決定了中點電位漂移方向,。

2    電壓空間矢量對直流電壓平衡的影響

    三相三電平逆變器有27種開關(guān)狀態(tài),，其中有效的電壓矢量為19種。圖2是開關(guān)狀態(tài)和電壓空間矢量對應(yīng)關(guān)系,。按照電壓矢量幅值從小到大的原則,，可以把這些向量分為4組,即零電壓矢量、小電壓矢量,、中電壓矢量和大電壓矢量,。其中零矢量V₀有3種開關(guān)狀態(tài)（－1－1－1）、（000）和（111）,。小矢量V₁,，V₄，V₇,，V₁₀，V₁₃,，V₁₆都有兩種不同的開關(guān)狀態(tài),。根據(jù)開關(guān)是接到P還是N把這種小矢量分為兩種不同的狀態(tài)：開關(guān)連接P和地的開關(guān)狀態(tài)為P狀態(tài)，如V_1p的開關(guān)狀態(tài)為（100）,；開關(guān)連接地和N的狀態(tài)為N狀態(tài),，如V_1n的開關(guān)狀態(tài)為(0－1－1)。由此可知,，只要中點電流i₀不為0,，直流側(cè)的電容就會充放電，從而影響中點電位,。在4類矢量中的零矢量,，由于三相電位相等,，所以中點不會有電流通過，因此不會影響中點電位,。大矢量,，由于中點根本就沒有參與能量的傳輸，因此也不會產(chǎn)生影響,。中矢量和小矢量,，中點會參與能量的傳輸，也即中點電流i_o不為零,，所以都會影響中點電位,。圖3是中點電流灌入和抽出兩種工作狀態(tài)下，中矢量對中點電位的影響,；圖4是中點電流灌入和抽出兩種狀態(tài)下小矢量P狀態(tài)對中點電位的影響,；圖5是中點灌入和抽出兩種不同狀態(tài)下N狀態(tài)對中點電位的影響；圖6是同一小矢量P狀態(tài)情況下,，在某相電流方向確定情況下對中點電位的影響,。(圖中→及←表示中點電流的方向。↑及↓表示中點電位的上升和下降),。從圖3,、圖4、圖5可以看出無論是小矢量還是中矢量,，中點電流灌入的時候,，中點電位上升，中點電流抽出的時候,，中點電位下降,。從圖6可以看出當(dāng)某相電流方向確定的時候，小矢量P,，N狀態(tài)對中點電位的影響是相反的,，這也是為什么可以通過選擇小矢量P，N狀態(tài)作用時間調(diào)節(jié)中點電位平衡的原因,。

圖2    三電平變換器的電壓空間矢量圖

(a)    電流灌入    (b)    電流抽出

圖3    中矢量對中點電位的影響

(a)    電流灌入    (b)    電流抽出

圖4    小矢量P狀態(tài)對中點電位影響的示意圖

(a)    電流灌入    (b)    電流抽出

圖5    小矢量N狀態(tài)對中點電位影響的示意圖

(a)    V₁的P狀態(tài)    (b)    V₁的N狀態(tài)

圖6    同一小矢量PN狀態(tài)對中點電位的影響

3    滯環(huán)控制空間矢量控制方法[5]

    從前面的分析可知,，根據(jù)中點電流的方向合理選擇小矢量P，N狀態(tài)可以平衡中點電位,。假設(shè)中點電流抽出的時候為正,，則當(dāng)v_dc1－v_dc2>h，i_o<0或v_dc1－v_dc2<h,，i_o>0時,，合成參考電壓矢量的小矢量選P狀態(tài)；當(dāng)v_dc1－v_dc2>h,，i_o>0或v_dc1－v_dc2i_o<0時,，合成參考電壓矢量的小矢量選N狀態(tài)（其中h為滯環(huán)的寬度）。

4    實驗結(jié)果

    為了研究滯環(huán)控制方法的特點,，建立了主電路如圖1的變換器，負載為2.2kW異步電動機,，開關(guān)管采用IRF840,反并二極管和箝位二極管采用MUR860,。圖7為通常SVPWM方法直流側(cè)兩電容電壓的波形；圖8為滯環(huán)控制SVPWM方法的中點電位波形,；圖9為滯環(huán)控制SVPWM方法輸出線電壓波形,。

圖7    通常SVPWM方法的直流側(cè)兩電容電壓

5    結(jié)語

    中點箝位型的三電平變換器，雖然存在中點電位的不平衡問題,，但是,，通過適當(dāng)?shù)姆椒ǎ悬c電位的不平衡問題可以很好地得到抑制,。因此,，中點電位的不平衡問題不會影響這種拓撲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。滯環(huán)控制的SVPWM方法,，控制簡單,，平衡中點電位的效果好，是目前廣泛采用的一種控制方法,。