孟祥偉，李 征

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

在電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)用當(dāng)中，已經(jīng)越來越多的使用多電平電路，大容量高壓的電池儲能并網(wǎng)系統(tǒng)中，多電平比兩電平電路有顯著的優(yōu)勢，三電平電路會越來越多的使用在儲能PCS中。當(dāng)前，三電平電路已經(jīng)被越來越多的投入到實際應(yīng)用當(dāng)中了，所以對它的研究是一個非常重要的課題。三電平變流器比傳統(tǒng)的兩電平變流器有很多的優(yōu)點，比如較小的開關(guān)損耗，還有如果輸出電流滿足相同的諧波條件，在三相三電平變流器中，我們可以選用較小的濾波電感，這將在很大程度上減小空間和成本。

當(dāng)前，在三電平變流器中，三相二極管箝位型有著很廣泛的應(yīng)用，并且在某些場合可以達(dá)到很好的效果，但三相T型三電平[1]比三相二極管箝位型3電平變流器導(dǎo)通損耗更小，并且如果在大電流、低電壓和較低開關(guān)頻率的情況下，三相T型三電平變流器的效率會更高，損耗會更小，所以研究三相T型三電平電路有很大的實用價值。

中點電壓的不平衡，在T型三電平電路之中存在已久[2]，自出現(xiàn)以來國內(nèi)外學(xué)者就紛紛進行研究。T型3電平變流器的固有問題是不平衡的上下兩端電容電壓，兩個串聯(lián)的電容對變流器的直流側(cè)進行分壓，所以產(chǎn)生了3個電平PON。如果上下兩端的電容電壓不同，將產(chǎn)生很大的問題，輕則對變流器的性能造成影響，更甚會損壞開關(guān)器件。中點電位不平衡的影響有：1）電容壽命會受長期不正常的電容電壓影響。2）產(chǎn)生不正常的輸出電壓電流波形和較大的諧波污染。3）在中點電壓出現(xiàn)不平衡時，三電平變流器在傳遞有功功率時將轉(zhuǎn)化為兩電平。4）功率開關(guān)管在某些管壓較大時使用壽命會大大減少，當(dāng)不平衡嚴(yán)重時開關(guān)管可能會造成損壞，嚴(yán)重影響變流器的性能。

三電平變流器工作時，輸出電壓波形正常的要求是中點電壓平衡，變流器的安全運行也受中點電壓平衡影響，變流器的輸出波形質(zhì)量也跟它有很大關(guān)系，所以在進行三電平變流器的控制研究時，重要課題之一就是研究如何控制中點電壓平衡。

1 產(chǎn)生原理

中點電壓不平衡的原因可以從兩個方面來說，一是中點電壓會在三電平變流器轉(zhuǎn)換能量時傳輸能量，這時串聯(lián)的上下兩個電容電壓分壓會產(chǎn)生不均衡，這是內(nèi)因[3]；二是是電容的參數(shù)不可能一模一樣，電容電壓會在其容量值偏小時產(chǎn)生一定的波動，這時在其硬件上就會造成不平衡，這是外因。

但是，總的來說有以下幾點[4]：

1）中點電流的相位和大小同負(fù)載的功率因數(shù)和大小有著相當(dāng)程度的聯(lián)系，這將會在一定程度上影響中點電壓。

2）中線電流可以由中、小矢量產(chǎn)生，中點電位也會由此產(chǎn)生偏移。

3）在輸出電壓影響的情況下，越大的輸出電壓就會有越大的調(diào)制比，越少的小矢量參與，我們就越難控制中點電位。

4）考慮到電容的工藝，不會有一模一樣的電容參數(shù)，這樣必然會產(chǎn)生中點電壓偏移。

5）電容容值不能太多的受成本和工藝的影響，中點電壓不平衡會隨容值的減小而變大。

不平衡的中點電壓會造成許多危害，例如在變流器中，一些功率開關(guān)管的電壓變大，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性減??；低次諧波會從變流器側(cè)輸出，這樣變流器輸出的效率將大大減??；直流側(cè)母線端的上下電容使用期限也會降低，因此在三電平電路中，為保障電路穩(wěn)定運行，必須要解決中點電壓不平衡問題。

對于中點電位不平衡問題，我們只討論其內(nèi)因，根據(jù)三相T型三電平變流器的工作原理，我們建立其開關(guān)模型[5]，如圖1所示。

圖1 等效開關(guān)模型Fig.1 Equivalent switching model

由電路原理知：

綜上得：

所以，在單相的情況下，當(dāng)輸出是高電平時，sap為1，否則取0；saN當(dāng)輸出為低電平時，為1，否則取0；當(dāng)輸出是零電平時，sa0為 1，否則取 0；

可見中點電流的方向?qū)χ悬c電位的偏移方向可以造成直接的影響，i0在流出中點O時，上電容會被充電，這時Vdc2電壓會減小，Vdc1電壓會升高；i0在流入中點O時，下電容會被充電，這時Vdc1電壓會減小，Vdc2電壓會升高。

2 控制方法

針對前文討論的中點電壓不平衡的內(nèi)因，將采用在原有的T型三電平并網(wǎng)變流器的調(diào)制策略中加入均壓算法[6]來解決這一問題。

具體策略如下：

在主電路當(dāng)中，我們讓直流端上下電容電壓Vdc1和Vdc2的容量都為CD，如果產(chǎn)生ΔVo=Vdc1-Vdc2的直流電壓偏移，并且也是一個PWM周期，中點電流則必須滿足式（5）時，這時才會產(chǎn)生平衡的電容中點，輸出電流還有開關(guān)組合可以由中點電流產(chǎn)生，例如在C區(qū)（第Ⅲ大扇區(qū)）中，公式（6）即為中點電流。

已知ta1+ta2=ta。

在該開關(guān)周期里，小矢量的分配在C區(qū)中表達(dá)如下式（7）：

其中

負(fù)開關(guān)狀態(tài)組合（如0NN）的持續(xù)時間為ta2，正開關(guān)狀態(tài)組合（如P00）的作用時間為ta1。

這種中點電壓進行補償?shù)拈_環(huán)策略，可以很好的控制中點電壓的不平衡，但有個前提條件，就是要準(zhǔn)確的檢測直流母線上下電容的電壓、容量和各相電流等參數(shù)，有一定的難度。但使用閉環(huán)控制就可以較好的避過這個問題，因此對于Δt有：

這里取符號函數(shù)為sgn，比例常數(shù)為kp。

以此類推，我們也能得到在第Ⅲ扇區(qū)中Δt的值如表1，這樣我們也能通過線性變換和旋轉(zhuǎn)，把其他扇區(qū)變換到到第Ⅲ扇區(qū)，并通過表2來找到相應(yīng)的電流，再由具體的小區(qū)域由表1替換相應(yīng)的電流，以此來得到Δt。

表1 第Ⅲ扇區(qū)在閉環(huán)時Δt的值Fig.1 Δt values ofⅢ sector under closed loop

表2 選擇各扇區(qū)的輸出電流Tab.2 Selection of the output current of each sector

3 實驗結(jié)果

本文對T型三電平變流器的中點電位不平衡進行了研究和分析，為了驗證上述均壓算法的理論正確性和實際應(yīng)用效果，我們設(shè)計了一套基于DSP的三相T型三電平功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這套系統(tǒng)額定100 kW，采用SVPWM調(diào)制算法，我們的芯片采用的是TI的TMS320F28335。實驗中采用的參數(shù)為：0.26 mH的濾波主電感取值，0.087 mH的隔離變壓器漏感，fs=10 kHz的開關(guān)頻率，380 V的網(wǎng)側(cè)線電壓有效值，650 V的直流側(cè)電壓。

當(dāng)加入中點電壓平衡算法后，可以看到在充電30 kW時，圖2是T型三電平變流器運行時的波形。其中下側(cè)電容電壓值是Vdc2，上側(cè)電容電壓值是Vdc1，a相的交流電流是ia。因此我們可以得到，在充電30 kW下加入中點電位平衡算法后，T型三電平變流器工作時有著穩(wěn)定的上下側(cè)電容電壓，并可以持續(xù)保持平衡。

圖2 上下電容電壓（有中點電壓不平衡控制）圖Fig.2 The upper and lower capacitors'voltage with the control of midpoint potential unbalanced

因為如果去掉中點電壓平衡控制算法后，直流端上下電容的電壓可能會不相等，隨著功率不斷升高會越來越危險，因此當(dāng)不用中點電位平衡算法的時候，只能讓變流器工作在充電20 kW。

圖3是不用中點電壓平衡算法的時候，變流器工作在充電20 kW時的波形。其中下側(cè)電容電壓值是Vdc2，上側(cè)電容電壓值是Vdc1，a相的交流電流是ia。

圖3 上下電容電壓（充電20 kW時不加中點電壓不平衡控制）圖Fig.3 The upper and lower capacitors'voltage without the control of midpoint potential unbalanced under 20 kW charge state

綜上所述，在去掉中點電壓平衡算法的時候，讓變流器工作在充電20 kW，我們可以看到直流側(cè)上下電容的電壓出現(xiàn)了偏移，偏移會隨著功率的升高而越變越大。因此得出我們所用的中點電位平衡控制算法通過實驗的檢測是可行和有效的。

4 結(jié) 論

本文對T型三電平中點電壓不平衡的產(chǎn)生原理和控制方法進行了深入的研究和分析，然后為了解決固有的T型三電平中點電壓不平衡，設(shè)計了一種均壓算法，為了驗證該算法，設(shè)計了一套基于DSP的三相T型三電平并網(wǎng)變流器系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，加入中點電位平衡算法后，T型三電平變流器工作時有著穩(wěn)定的上下側(cè)電容電壓，并可以持續(xù)保持平衡，因此文中提出的中點電位平衡算法是可行和正確的。

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