三電平逆變器

大功率多電平逆變器近年來在實際工業生產中得到越來越廣泛的套用。多電平逆變器由於結構複雜，採用元器件較多，因此在設計和實驗中，實現各個工作狀態下運行參數的同步監測和分析較為困難。本文針對大功率三電平逆變器，實現開關動態特性的線上測試，在此基礎上，進一步研究三電平逆變器在開關狀態變化時理論與實際負載運行工件狀態的實時監測， 發現在三電平逆變器非正常運行狀態下開關轉換時額外電應力，同時，深入研究在實際工況運行條件非正常狀態下該額外電應力出現的機理和原因， 為三電平逆變器的故障診斷提供了參考， 對於設計高可靠性的多電平逆變器系統有一定的理論和現實意義。

基本介紹

• 中文名：三電平逆變器
• 外文名：Three-levelInverter

背景

三電平拓撲結構具有輸出容量大、 輸出電壓高、電流諧波含量小等優點， 使得三電平結構在高壓大功率 交 流 電 機 變 頻 調 速 領 域 得 到 了 廣 泛 的套用。為防止逆變器橋臂直通， 必須在同一橋臂互補的觸發信號中加入死區 以保證同橋臂上開關管可靠關斷後， 與之互補的開關管才能導通。但由於死區時間的引入，導致系統控制性能變差，輸出電壓與電流發生畸變， 特別是低速時可能會導致電動機發生機械諧振。為了克服上述缺點， 需要對死區進行補償。研究中提出了一種套用在兩電平逆變器裝置中較好的死區補償的方法， 將死區時間、 IGBT 開通和關斷時間、 IGBT 及續流二極體的管壓降等都考慮到。研究給出了一種基於 FPGA 的三電平逆變器死區補償方法， 但沒有考慮 IGBT 管壓降及開關時間對死區補償的影響。研究基於空間矢量調製，提出一種三電平死區補償策略，但沒有考慮到開關器件的導通壓降。研究所給出的三電平死區補償策略沒有考慮功率器件的開關延時。

電平逆變器屬於電壓型逆變器,它是多電平逆變器中比較有實用意義的一種電路。多電平逆變器的思想提出至今,經過多年的研究發展出現了許多電路拓撲,但歸納起來主要有三種拓撲結構:(1)中點鉗位型(Neural-Point-elamped簡稱NPc)多電平逆變器或二極體鉗位(Diod-eclmaPed)多電平逆變器,(2)電容鉗位式(Flying-Capaeitor),(3)具有獨立直流電壓源的級聯型逆變器(caseaded-InvertersWithSeparatedDesourees).近年來,從不同的套用領域研發出了多種基於多電平逆變電路的基本結構,但研究其拓撲結構理論特點的論述還很少。多電平逆變電路的核心問題是電平鉗位(voltageclamPed)。除了電平鉗位問題外,電路單元間的動、靜態均壓,簡化開關控制邏輯,在相同電平數輸出下減少使用的功率器件,功率能否雙向流動等也是分析多電平電路必須要考慮的問題。

發展

近來,隨著高電壓技術的飛速發展和它在工業控制領域中套用範圍的日趨擴大,高電壓IGBT(HVIGBT)器件和IGCT器件都擴大了它們的套用領域.兩電平逆變器輸出的電壓僅有(一V、+V)兩級。對於這種逆變器結構,人們通常是靠提高逆變器中的開關器件的開關頻率來減少逆變器輸出電流中的諧波成份的。但是在高電壓、大功率的工業實際套用場合中,所採用的功率器件的開關頻率必須限制在IKHz以下,即使採用的是HYIGBT或GICT器件。這是因為,隨著器件開關頻率的增高,開關器件損耗的速度也會隨之以更快的速度增大。因此,在這種環境中,人們期望通過採用控制兩電平逆變器的常規控制策略一一不斷提高系統中開關器件的開關頻率,來改善逆變器的輸出性能,使得輸出電流中的諧波成份得到減少是十分困難的,有時甚至是不可能實現的。這就要求人們通過研究和採用其它的控制方法來控制這種實用的工業系統。

針對大功率逆變器中的開關器件速度低的缺點,A.Nabae等人於1980年提出了多電平逆變器概念,主要是指三電平逆變器。以三電平逆變器為例,逆變器的輸出電壓分為(一V、0、+V)三級。多電平逆變技術的出發點是通過對逆變器的主電路結構進行改進,使得所有逆變器的開關器件都工作在基頻或者低頻狀態,以達到減小開關應力、改善逆變器輸出波形的目的。

三電平逆變器自從1980年由D.A.Nbaea等人提出之後,在高電壓、大功率變頻調速系統中得到了廣泛的套用。三電平逆變器(或多電平逆變器)的結構不僅使系統對功率器件的耐壓等級的要求有所降低,而且使得逆變器輸出波形的諧波含量大為減少。隨著高電壓、大電流IGBT器件的出現,採用這種結構的逆變器的套用也就越來越廣泛。目前,三電平逆變器己經成為了高電壓、大功率逆變器的一個發展方向。

三電平逆變器的基本原理

三電平逆變器主電路現在採用的是比較實用的二極體中點嵌位電路,通過一對中點箱位二極體分別與上下橋臂串聯的二極體相聯,將功率開關器件GIBTQ:~Ql:分別串聯,二極體D:~D.用於嵌位電平,C:,C:均衡直流側電壓(C=IC:),並按一定的開關順序邏輯控制產生三種相電壓電平E二/2、O、一E二/2,在輸出端合成正弦波。相比原來兩電平電路優點顯著:每個開關器件承受的電壓值相當與原來直流電壓的一半,波形質量得到了改普。

根據三電平逆變器的定義,這種逆變器結構的輸出為三個電平或者說是三個狀態,即(一E/2、0、+E/2),用符號相應地表示為(N、0、P)。因此,對於三相電壓型逆變器一共就存在著27種輸出狀態。在圖3.1所示的三電平逆變器主迴路結構中,a、b、c三相均由四個開關共同組合構成,每一相的輸出狀態也就是由這四個開關的不同狀態組合決定的。

三電平逆變器的pWM控制結構

三電平逆變器自產生以來很快就得到了廣泛套用,改善它的輸出波形一直是國內外學者研究的主要方向,而電壓源型逆變器的輸出特性與逆變器所採用器件的開關頻率有關,其中脈寬調製PWM技術就可以改變開關頻率獲得很好的正弦輸出波形,PWM調製技術輸出開關頻率恆定,輸出的電流諧波小,限定的諧波電流頻譜特性等優點,可以說直到目前為止,PWM在各種套用場合仍占主導地位,並一直是人們研究的熱點。在近二十年中,人們對二電平逆變器研究出了多種WPM調製控制方案。PWM技術不僅適應於常規的兩電平逆變器,對三電平而言,仍然行之有效。本文的重點內容是研究三電平逆變器的調製策略。目前,三電平逆變器的P翎控制技術概括起來主要有兩類:一是基於開環控制的三電平逆變器WPM控制技術,其中套用廣泛的有正弦SP翎、空間矢tSVP雙開環控制等。

基於開環控制的三電平逆變器PWM調製策略

由於開環PWM調製具有很多優點:開關頻率恆定、限定的諧波頻譜、最佳化的開關模式、實用化的直流環節等,可以同時實現變頻變壓反抑制諧波等作用,因此三電平逆變器使用開環控制的WPM調製策略比較普遍,如正弦SPWM、空間矢量SVPWM開環控制。

正弦波PWM是最通俗易懂的一種調製方式,又稱為相電壓控制法,給定的標準正弦信號波U’和三角載波玲進行比較,在兩波形相交時進行脈寬切換,經過正弦SwPM開環調製後,產生一定頻率且具有一定脈寬的開關信號(S。、.bss。),再驅動三電平逆變器的開關器件,產生輸出信號。該方法具有簡單,直觀等優點,此外,由於輸出波形由方波改進為PWM波,減少了低次諧波,從而解決了電動機在低頻區的轉矩脈動問題,也降低了電動機的諧波損耗和噪聲。

和三電平逆變器的正弦SwPM調製方法不一樣的是,空間矢量SvWPM(又叫磁鏈跟蹤wPM)調製策略是從電機的角度出發,把逆變器和電動機視為一體,以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機理想的圓形磁場為基準,用逆變器不同開關模式所產生的實際磁鏈矢t來跟蹤基準磁鏈園,由跟蹤結果決定逆變器的開關模式,形成P雙波基於開環控制的三電平逆變器的空間矢量SPy烈控制器結構圖。空間矢量PWM技術以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點在交流調速系統中得到了越來越多的套用。

基於電流閉環的三電平逆變器WM控制結構

交流電機的控制性能主要取決於轉矩或者電流的控制質量(在磁通恆定的條件下,為了滿足電機控制良好的動態回響,並在極低轉速下亦能平穩運轉這一要求,經常採用電流的閉環控制,即基於電流閉環的三電平逆變器wPM控制策略,以提高動態負載下的電壓控制精度和穩定度,同時也一定程度上求得電流波形的改善。它具有的特點:控制方式簡單、動態回響快、具有內在的電流限制能力以及電壓利用率高。可以說它同時具有電壓和電流控制型逆變器的優點。目前實現電流閉環PWM調製的方法很多,大致有滯環電流PWM控制、線性電流PWM控制、預測電流PWM控制幾種。

滯環電流控制器的主要任務是控制負載端的實際電流,讓它能以最小的誤差跟蹤參考電流指令信號。設滯環比較器的環寬為h2。滯環控制方案是基於三電平滯環比較器的非線性、閉環控制方法。當輸入到滯環比較器的信號超過了規定的滯環環寬時,直接產生變換器開關的動作信號。由於該控制器結構簡單、算法簡單、實現簡單,特別重要的一點是它對負載參數的魯棒性好,不需要知道參數的任何信息,因此,它是最常見、也是套用最為廣泛的一種電流控制方法。滯環電流控制經常在逆變器、無功補償裝置等需要控制電流的場合中套用。

三電平逆變器線性電流PWM控制器可以分離成誤差補償和PWM調製兩大部分。線上性電流PWM控制器中,斜波比較器是最基本、最常見的一種控制結構。這種控制器採用的是線性、閉環控制方法。

控制器中有3個獨立的補償電流誤差的PI調節器,電流誤差通過PI控制器產生電壓控制信號。經wPM調製器處理後得到驅動開關動作的開關信號。在該方案中輸出電流的脈動經反饋回到了輸入端,並對開關的後續驅動信號產生直接的影響。PI調節器的比例參數凡的增大可以減小電流脈動,而積分參數石的改變能控制輸出電流的低頻特性。P份M調製算法可採用SPWM、SVPWM等調製方法。若採用的是SPWM方法,加入載波信號的斜率一定不能小於PI調節器的輸出信號的斜率,這時開關頻率即為恆定的載頻。

極管中點鉗位型簡介

三電平逆變器是現有多電平逆變器中套用較為廣泛的一種，其套用已有許多實例。其中，二極體中點鉗位型(neutral point clamped， NPC)逆變器多套用在以靜止同步補償器、有源電力濾波器為代表的柔性交流輸電技術和以中高壓變頻為代表的大電機拖動、風力發電等領域。但是二極體鉗位型三電平逆變器的研製、工程化和套用仍存在著許多問題， 尤其是高性能、 高可靠性的系統並不多見，其主要原因有：

1）二極體鉗位型逆變器的實際性能分析困難。二極體鉗位型逆變器結構複雜，每一相橋臂都由多個功率開關管和二極體組成；複雜的調製策略，令功率開關管不斷的開通和關斷，使逆變器工作在多種工作模式下。此外，工作迴路中寄生電感的存在也會給器件的開關特性產生影響。

2）實時線上狀態未知。對大功率開關半導體器件的測試多為離線測試和準線上測試。這兩種方法都無法同時、準確地測量出大功率逆變器實際工況下各器件之間“牽一髮而動全身”的動態特性，無法得知器件的實時線上狀態。

3）故障預防和裕量設計不合適。由於無法監測到大功率開關半導體器件在故障時異常的動態特性，因此無法給故障的預防提供參考。且在大功率開關半導體器件選型時，裕量的選擇往往是憑經驗，常導致裕量設計不合適。