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三電平變換器中點電壓平衡問題的研究
摘要：為了全面分析中點電位平衡問題，建立了一個三電平變換器的數學模型，分析了三電平變換器中點電位不平衡的原因，詳細地討論了空間矢量控制方法中不同矢量對中點電位的影響。最后，實驗研究了一種基于檢測直流側中點電流的方向和直流側電容電壓的大小，來平衡中點電位的滯環控制方法。實驗結果驗證了該滯環控制方法平衡中點電位的有效性。關鍵詞：三電平變換器；中點電壓平衡；空間矢量PWM
引言
二極管中點箝位型逆變器[1]是最近研究的一個熱點。這種拓撲結構，每個功率開關管承受的最大電壓為直流側電壓的1/2，另外，由于相電壓有三種電平狀態，比傳統的二電平逆變器多了一個電平，因此輸出波形質量高。因而這種結構變換器在高性能、中高電壓的變頻調速，有源電力濾波裝置和電力系統無功補償等領域有著廣泛的應用。但是，這種變換器采用兩個電容串聯來產生三個電平，由于開關器件本身特性的不一致和變換器能量轉換時中點電位參與能量的傳輸，因此，會產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，在交流輸出側會產生低次諧波，使逆變器的輸出效率變低，同時諧波還會對電機產生脈動轉矩，影響電機的調速性能；另外，逆變器某些開關管承受的電壓增高，降低了系統的可靠性；最后，中點電位波動降低了直流側電容的壽命。
圖1
國內外學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制波中注入適當零序分量。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�？臻g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）開環被動控制在每一個新開關周期，小矢量的P，N狀態進行轉換，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，其動態調整特性不好；
2）滯環型控制是目前應用最多的一種閉環控制方法，在檢測每相電流方向基礎之上，通過選擇小矢量P，N狀態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開關頻率的紋波；
3）有源控制這種方法通過控制電流的調制因子，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開關頻率的紋波，但是，由于增加了其他的開關狀態從而增加了開關損耗，這種方法一般沒有滯環控制那么可靠。
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原因。詳細地分析了整流和逆變兩種狀態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電容電壓大小，來調整小矢量P，N狀態作用時間進而平衡中點電位滯環控制方法。最后實驗研究了該方法的效果，實驗結果驗證了滯環控制方法的有效性和可靠性。
圖2
1 三電平變換器的數學模型
為建立三電平變換器的數學模型，作如下理想假設：
[1] [2] [3]
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