[發明專利]三相二極管箝位三電平變流器的綜合矢量調制方法

無效

• 申請號: 201210421895.7
• 申請日: 2012-10-30
• 公開（公告）號: CN102904473A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 王灝雄
• 申請（專利權）人: 江蘇大全凱帆電器股份有限公司
• 主分類號: H02M7/487
• 分類號: H02M7/487
• 代理公司: 鎮江京科專利商標代理有限公司 32107
• 代理人: 夏哲華

技術領域

本發明涉及風力發電系統的運行控制技術，具體是一種三相二極管箝位三電平變流器的綜合矢量調制方法。

背景技術

現有的三相變流器的控制方法中，電壓空間矢量SVPWM調制技術相對于SPWM調制技術有著較高的直流電壓利用率，且產生的波形質量高、諧波含量小、便于數字信號處理器實時控制等優點，得到了廣泛的應用。不論兩電平變流器還是多電平變流器，其SVPWM的工作區均分為線性調制區與過調制區。在過調制區中必須采用過調制技術以實現更高的直流電壓利用率，即在同樣的直流電壓下輸出過大的交流電壓。

目前，兩電平的?SVPWM技術與過調制技術已得到了廣泛的研究，三電平的SVPWM技術近年來也得到了較多研究，但成熟的三電平過調制技術還在探索之中。在多電平變換器的控制中，SVPWM技術除按參考矢量生成輸出電壓外，還必須考慮抑制中點電壓偏移與波動問題。

在線性調制區，三電平變流器的SVPWM調制有兩種實現方式，一種是常規的SVPWM技術，另一種是基于虛擬矢量合成的SVPWM技術。后者對三電平變流器的中點電壓波動具有最好的抑制能力。

在過調制區域，三電平變流器的過調制技術不僅要實現三電平輸出，同時要保證較小的中點電壓偏移與波動。對這一問題之前尚無較好的解決方法。一般處理措施是盡量提高直流母線電壓避免變流器工作在過調制區域；或者以兩電平方式實現過調制技術，這是以犧牲三電平優勢為代價；或者增加硬件，當中點電壓不平衡時，采用制動電阻對電壓較高的電容進行放電，增加了系統成本。

圖1為二極管箝位（NPC）三電平變流器。該電路用兩個串聯的電容將直流母線電壓分為三個電平，每個橋臂用四個開關器件串聯。用一對串聯箝位二極管和內測開關管并聯，其中心抽頭和第三電平連接，實現中點箝位。

變流器每相的開關動作組合狀態可使該相輸出udc(2)、udc/2(1)、0(0)三種狀態，三相的三種狀態的組合共有27種，其中24個為非零矢量，三個零矢量，這24個非零矢量將圓周分為12個30°區域，如圖2；兩電平則分為6個60°區域，如圖3，每個區域被稱為扇區。多電平的特點之一就是將兩電平的一個扇區分為更多的子區域。

圖2中，在三相的24種組合狀態中，矢量200、220、020、022、002、202由于矢量幅值最大，被稱為大矢量；矢量210、120、021、012、102、201被稱為中矢量；其它矢量為小矢量。當大矢量作用時，由于流過直流電容中點的電流為零，故對中點電壓無影響，而短矢量與中矢量均對直流中點電壓有影響。

圖3中，大矢量構成的六邊形中，在六邊形內切圓內包括該內切圓上的參考矢量（即輸出電壓）均可無畸變產生，故內切圓以內為線性調制區；在內切圓與六邊形外接圓區域的參考矢量，變流器可以無相移但輸出值減小的方式生成，故該黃色區域為過調制1區；六邊形外接圓與外部圓之間為過調制2區。在對波形質量有較高要求的場合，變流器僅工作在線性調制區與過調制1區。

三電平SVPWM技術中，一般有兩種實現方式。以扇區Ⅰ為例，常規SVPWM調制技術的子區域劃分如圖4所示；虛擬矢量合成SVPWM調制技術的子區域劃分如圖5所示。

實現中點電壓平衡控制的原理是通過實時、動態地調制短矢量的作用時間，實現對直流電容充放電的控制，達到中點電壓平衡的目的。

在線性調制區，常用的方法有滯環控制、較精確的定量控制。其基本原理是：在保證短矢量在每個開關周期內總作用時間不變的前提下，根據檢測到的中點電壓和交流電流方向，實時調整正負短矢量的作用時間，實現中點電壓的平衡控制。

在虛擬矢量合成SVPWM技術中，由于中矢量用虛擬矢量代替，通過開關模式的合理選擇，可使SVPWM具有中點電壓的自平衡能力，即在理論上可使中點電壓波動為零。例如圖4中用虛擬矢量V'3取代圖3中的中矢量V3。

但當三電平變流器工作于過調制區間時，輸出矢量在六邊形上，故輸出矢量只能由大矢量與中矢量合成。此時，由于沒有短矢量存在，且中矢量作用時間較長，此時會產生較大的中點電壓波動。

三電平變流器過調制技術實現困難的原因在于，三相二極管箝位（NPC）三電平變流器實現過調制時，合成輸出矢量的基本矢量必然有一個是大矢量，一個是中矢量，大矢量對中點電壓波動無影響，但中矢量會引起中點電壓的偏移和波動，而且此時沒有其它可對中點電壓調節的控制矢量存在，使得過調制時中點電壓的波動難以控制。