三电平逆变器

1第5部分：三电平逆变器25.2三电平逆变器5.3空间矢量调制5.4中点电压控制5.5多电平二极管箝位式逆变器5.6应用实例5.1简介35.1简介中点箝位式（NPC）逆变器:通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三种电平。三电平逆变器特点:•输出电压比两电平逆变器具有更小的du/dt和THD。•无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。45.2三电平逆变器1.拓扑结构D1~D4:反并联二极管S1~S4:功率器件GCT/IGBTDZ1，DZ2:钳位二极管逆变器直流侧的两个电容给出了中点Z，S2和S3导通时。A点通过一个箝位二极管连接到中点,每个直流电容上的电压E，通常为总直流电压Vd的一半。VdE+-Cd1E-+Cd2Dz1Dz2S1S2S3S4D1D2D3D4iAiBiC负载OABCZiZ52.开关状态对A桥臂：•开关状态[P]：桥臂上端的两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的端电压为：VAZ=+E。•开关状态[N]：桥臂下端两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的端电压为：VAZ=-E。•开关状态[O]：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将VAZ箝位在零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。例如，正向负载电流（IA0）强迫DZ1导通，则A端通过导通的DZ1和S2连接到中点Z。6开关状态的定义:开关状态器件开关状态（A相）逆变器端电压VAZS1S2S3S4[P]通通断断E[O]断通通断0[N]断断通通-E7开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压VAZVg1~Vg4:开关S1~S4的相应门极驱动信号。Vg1,Vg3:互补。Vg2,Vg4:互补。VAZ有三个电平：+E、0、-E三电平逆变器由此命名。8三电平逆变器端电压和线电压波形线电压VAB=VAZ-VBZ包括五个电平:+2E、+E、0、-E、-2E93.换相过程以开关状态从[O]变到[P](S3关断、S1开通）的情况为例：S1到S3的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间。10换相过程假设：•由于是感性负载，负载电流iA在换相期间固定不变；•直流电容Cd1和Cd2的电容足够大，能够保持电容两端的电压为E；•所有的有源开关都为理想开关。11工况1：iA0时换相开关状态：由[O]到[P]变换•开关状态为[O]时，S2、S3导通，S1、S4关断。此时，由iA0，DZ1导通，S2、S3上电压VS2=VS3=0,S1、S4上的电压为E；•在时间段内，S3开始关断，iA流过路径保持不变，S3完全关断后，由分压电阻R3、R4作用，S3、S4上的电压为VS3=VS4=E/2；•开关状态为[P]，S1导通，DZ1承受反压关断，负载电流从DZ1换相到S1，VS3=VS4=E。12工况2：iA0时换相开关状态：由[O]到[P]变换•开关状态为[O]时，S2、S3导通，S1、S4关断。此时，由iA0，DZ2导通，S1、S4上的电压为E；•在时间段开始关断S3，由于感性负载电流iA不能立刻改变方向，iA从S3换相到二极管上，使D1、D2导通，VS1=VS2=0,S3关断期间，由于DZ2的存在，VS4不会低于E；由于S3关断时的等效电阻小于S4的断态电阻，VS4不会低于E。所以VS3从零上升到E，VS4保持为E•开关状态为[P]，S1导通不会影响电路运行，因为D1、D2已经导通。所以负载电流不会流过S1、S2。13注意：禁止在开关状态[P]和[N]之间进行切换145.3空间矢量调制三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，所以一共有27种可能的开关状态组合。1.静止空间矢量18V15零矢量(V0)，幅值为零，表示[PPP]，[OOO]和[NNN]三种开关状态；•小矢量(V1~V6)，幅值为每个小矢量包括两种开关状态，一种为开关状态[P]，另外一种为[N]，因此可以进一步分为P型和N型小矢量；•中矢量（V7~V12）幅值为：•大矢量（V13~V18）。幅值为：33dV23dV3dV162.作用时间计算•将空间矢量图分为六个三角形扇区（Ⅰ~Ⅵ）•每个扇区双分为四个三角形区域（1~4）17三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理：172abcrefsabcsVTVTVTVTTTTT当Vref落入扇区Ⅰ的2区时，最近的三个静态矢量为V1、V2和V7则有：式中，Ta、Tb、Tc分别为静态矢量V1、V7和V2的作用时间。18作用时间推导：113dVV3213jdVVe6733jdVVejrefrefVVe63131333jjjdadbdcrefsVTVeTVeTVeT131cossincossincossin3366333dadbdcrefsVTVjTVjTVjT由得得19作用时间推导：将式上式分为实部（Re）和虚部（Im），得到313(cossin)2233:3(sin)22refabcsdrefbcsdVTTTjTVVTTTV实部:虚部又因为：sabcTTTT所以有：[12sin]2sin1312sin3asabsacsaTTmTTmTTm式中的取值范围为：03am为调制因数3refadVmV01am20213.Vref位置与保持时间之间的关系•Vref指向区域4的中点Q。•Q和最近三个矢量V2、V7和V14之间的距离一样，因此作用时间相同。•当Vref沿着虚线从Q点向V2移动时，V2对Vref的影响增强，使得V2的保持时间变长。•当Vref和V2完全重合时，V2的保持时间Tc达到最大值（Tc=Ts），V7和V14的保持时间减小到零。224.开关顺序设计原则：•从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅影响同一桥臂上的两个开关器件：一个导通，另一个关断：•Vref从一个扇区（或区域）转移到另一个扇区（或区域）时，无需开关器件动作或只需最少的开关动作；•开关状态对中点电压偏移的影响最小。23（1）开关状态对中点电压偏移的影响a)所示为逆变器工作在零矢量V0状态,其开关状态为[PPP]。每个桥臂的上面两个开关导通，A、B、C三相输出端连接到直流母线上。由于中性点Z悬空，此开关状态不会影响VZ。类似，其他两个零矢量[OOO]、[NNN]，也不会造成VZ偏移。b)逆变器工作于P型小矢量开关状态[POO]时的拓扑结构。因为三相负载连接在正直流母线和中点Z之间，流入中点Z的中点电流iZ使得VZ上升。24c)与b中正好相反，V1的N型开关状态[ONN]使VZ减小。d)工作于开关状态[PON]的中矢量V7，负载端子A、B和C分别连接到正母线、中点和负母线上。在逆变器不同运行条件下，中点电压VZ可能上升也可能下降。25e)所示为工作于开关状态[PNN]的大矢量V13，负载端连接在正负直流母线之间，此时中点Z悬空，因此中点不受影响。26结论：•零矢量V0不会影响中点电压；•小矢量V1~V6对有明显的影响。P型小矢量会使得升高，而N型小矢量会导致降低；•中矢量V7~V12也会影响，但电压偏移的方向不定；•大矢量V13~V18对中点电压偏移没有影响。27（2）最小中点电压偏移的开关序列工况1：选定的三个矢量中有一个小矢量1)7段作用时间之和为采样周期2)满足最少开关动作要求例如从[OON]~[PON]，通过开通S1和关断S3就可实现3)V2的作用时间Tc在P型和N型开关状态之间平均分配。使得中点电压偏移最小。4)每个采样周期时，逆变器一个桥臂只有两个开关器件开通或关断。28工况2：选定的三个矢量中有两个小矢量将区域1、2进一步分割。当Vref位于图中所示时，则Vref可以用V1，V2，V7近似合成，因为V1比V2更接近Vref，所以V1为主要小矢量它的作用时间平分为V1P和V1N。29开关顺序安排30扇区1和扇区2的全部开关顺序31当Vref从区域a移动到区域b时，会产生额外的开关动作325.逆变器输出波形和谐波含量三电平NPC逆变器运行在f1=60Hz,Ts=1/1080s,Fsw,dev=1080/2+60/2=570HzMa=0.8条件下的仿真波形。负载为PF=0.9的感性负载.vg1,vg4分别为S1和S4的驱动信号，S2，S3分别与S4和S1以互补方式运行。33VAB的谐波分量和THD与ma的关系曲线34运行在:f1=60Hz,Ts=1/1080sFsw,dev=570Hz工况下，三电平NPC逆变器在调制因数分别为0.8,0.9时的实测波形。35A型开关顺序:以N型小矢量开始6.消除偶次谐波B型开关顺序:以P型小矢量开始36交替使用A型和B型开关顺序以消除偶次谐波37消除偶次谐波的改进型SVM实测波型385.4中点电压控制1.中点电压偏移的原因除了小电压矢量和中电压矢量的影响外,其它因素有:1）由于制造误差造成的电容不平衡；2）开关器件的特性不一致；3）三相不对称运行。392.电动和再生运行模式的影响a)为电动模式，直流电流id从直流电源流向逆变器。此时，小矢量V1的P型开关状态[POO]导致中点电压Vz上升，而N型开关状态[ONN]则使Vz减小。b)为再生运行模式，直流电流反向流动，结果与a)正好相反。403.中点电压的反馈控制通过调整小电压矢量P型和N型开关状态的作用时间,可以控制中点电压VZ。将作用时间Ta重新分配为：aaPaNTTT(1)2(1)2aaPaaNTTtTTt11t式中：其中：41根据检测得到的直流电容电压Vd1和Vd2来调整式中的时间增量△t，可以使中点电压偏移最小。下表列出了电容电压和时间增量△t之间的关系中点电压偏移程度电动模式再生模式12()dddvvV0t0t0t0t0t0t21()dddvvV12||dddvvV42电容电压Vd1和Vd2的仿真波形仿真实验：设每个电容电压的初始值均为2800V。为使Vd1、Vd2不平衡，下端电容通过并联一电阻，使下边的电容放电，从而使Vd2降低，Vd1上升。435.5多电平二极管箝位式逆变器1.四、五电平二极管箝位式逆变器a)为四电平逆变器主电路拓扑图b)为五电平逆变器主电路拓扑图44四电平开关状态和逆变器端电压VAN1S2S3S'1S'2S'3SANv开关状态四电平逆变器1110003E0111002E001110E000111045五电平开关状态和逆变器端电压VAN1S2S3S4S'1S'2S'3S'4SANv五电平逆变器111100004E011110003E001111002E00011110E00001111046二极管箝位式多电平逆变器的器件数量m6(1)m3(1)(2)mm(1)m电平数目有源开关箝位二极管直流电容3126241818352436463060547采用同相层叠（IPD）调制方式的四电平逆变器的仿真波形：2.基于载波的PWM48IPD法VAB的谐波成分49交替反相层叠(APOD)调制方式的四电平逆变器输出波形50APOD法四电平逆变器输出电压VAB的谐波含量GeschäftsgebietDrehzahlveränderbareAntriebeA&DDS51SIEMENS三电平四象限中压逆变器M3~+-直流环节网侧整流器03电平逆变器DC100Hz1Hz50/60Hz3-ph.2.3-36kVAC50/60Hz52ABBACS1000中压变频器53ABBACS1000中压变频器ACS1000中压变频传动整流直流母线和保护IGCT逆变输出正弦变压器中压交流感应电机中压电源IProt主断路保护器变频器输入变压器54ABBACS1000中压变频器12Inv.IGCTs+2Pro.IGCTs标准的交流感应电动机DCLink3-电平电压源型逆变器(VSI)正弦波滤波器IGCT集