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1、电力电子与电力传动 957 基于零序电压注入的三电平变流器 窄脉冲补偿方法研究 冉 旺 林 飞 郑琼林 北京交通大学电气工程学院 北京 100044 【摘 要】 高压大容量三电平逆变器中，由于使用开关速度较慢的器件如 IGCT、GTO 等，窄脉冲的 影响不可忽略。本文基于载波 PWM，对产生的窄脉冲根据其大小进行滤除或展宽，并将 这一作用引起的调制波变化量作为零序电压注入各相调制波，从而保证线电压波形不受影 响。本文研究了该补偿方法的适用范围，得出了不产生新的窄脉冲条件下的调制度、控制 周期和最小脉宽时间之间的定量关系。仿真与实验结果表明，该方法可有效补偿窄脉冲问 题对三电平逆变器输出线电压的
2、影响。 【关键词】 三电平逆变器 载波 PWM 窄脉冲 零序电压 Narrow pulse compensation Method for three-level converter based on zero-sequence voltage injection Ran Wang Lin Fei Zheng Qionglin School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China Abstract：Narrow pulses are not ignorable in the high-
3、voltage high-power converters，because of the use of switches just like IGCT and GTO. This paper presented an algorithm to compensate the influence of narrow pulses based on SPWM. Zero-sequence voltages are calculated by broadening or eliminating the narrow pulses according to their width，which are i
4、njected to three-phase modulation waves，without changing phase-to-phase voltages. Effective range of the method is analyzed，and the quantitative relationship between modulation index，switching period，minimum pulse width is obtained. Within this range，new narrow pulses will be not appeared after comp
5、ensation. Simulation and experimental results show that the effect of narrow pulses to output voltage can be compensated effectively by this method. Key words：Three-level inverters；SPWM；Narrow pulse；Zero sequence Voltage 近年来，多电平逆变器越来越多的应用于高压大容量电力电子装置中，如高压变频器和静止无功 发生器等，其中以二极管钳位式三电平电路（NPC）最为常用1，2。高压大容
6、量装置常使用大功率等 级的器件，如 IGCT、GTO 等 3，这些器件的开关速度比较慢。用于三电平逆变器的载波调制 （SPWM） ，和空间矢量调制（SVPWM）在本质上是一致的4，而 SPWM 更易推广到具有更高电平数 基金项目： “十一五”国家科技支撑计划（11504-QY-006） ；台达电力电子科教发展基金（DRE2007008） 作者简介：冉旺（1985） ，男，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。电话：010-51683498-605，E-mail： 07117315bjtu.E 通信作者：郑琼林（1964） ，男，博士，教授，研究方向为电力电子与电力传动。电话：010-516
7、88281，E-mail： qlzheng 958 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 的变流器上。通过改变 SPWM 中调制波的自由度5，在调制波中注入零序电压6，可取得良好的控制 效果。 电力电子器件存在最小开通时间和最小关断时间的限制，这就要求 PWM 输出的脉冲宽度不能无 限窄。对于脉宽小于器件最小开关时间的 PWM 脉冲称为窄脉冲，此时器件将不能正常开通或关断。 因此必须对窄脉冲进行处理，通常将其直接滤除或展宽为最小脉宽。这将对逆变器的输出电压产生不 利影响7。在高压大容量变流器中，常采用 GTO 或者 IGCT 等器件。目前，IGCT 的最小开关时间在 10 微秒左右，而
8、GTO 可达几十微秒甚至上百微秒，因此窄脉冲问题更加突出。 文献8提出了非最近三矢量（N2TC）选择法，通过调整 SVPWM 发脉冲的方式，避免窄脉冲的 出现，但输出电压的谐波含量会增大。文献9将 SVPWM 中的大三角形区域再划分为 14 个小区，研 究了每个小区内的矢量作用顺序，计算过程十分繁琐。文献10提出了先滤除窄脉冲再对其余各相进 行补偿的方法，为这一问题的解决提供了新的思路。但未深入研究该补偿方式在不同工况下的适用范 围，某些情况下补偿后会产生新的窄脉冲，影响补偿效果。 本文基于载波 PWM 调制方案，通过零序电压注入方法进行三电平逆变器的窄脉冲补偿，并定量 分析了补偿后不产生新的
9、窄脉冲的范围。仿真和实验结果证明了该方法的有效性。 1 三电平逆变器窄脉冲补偿方法 1.1 三电平逆变器的窄脉冲 二极管钳位式三电平逆变器主电路如图 1 所示，通常采用图 2 所示的载波同相层叠方式进行 PWM 调制的波形，其中 ua、ub和 uc为三相调制波，uc1和 uc2分别为上层和下层三角载波。 图 1 二极管钳位式三电平逆变器主电路 Fig.1 Main circuit of three-level NPC converter 以 A 相为例，若 uauc1则 Ta1和 Ta2导通、Ta3和 Ta4关断，输出电平为 P；若 uc2uauc1则 Ta2和 Ta3导通、Ta1和 Ta4关
10、断，输出电平为 O；若 ua uc2则 Ta3和 Ta4导通、Ta1和 Ta2关断，输出电平为 N。NPC 的一个桥臂上总存在互补的一对开关管，因此可将器件最小开通时间 tonmin和最小关断时间 toffmin统一考虑，确定一个最小脉宽时间 tmin，所有宽度小于 tmin的脉冲都要进行补偿。 电力电子与电力传动 959 采用 DSP 等数字化芯片产生 PWM 的机理如图 3 所示，其中 uc为幅值为 1 的三角载波，um为归 一化后的调制波在开关周期内的采样值，ug1和 ug2为比较产生的互补脉冲。为防止短路故障，还需加 入死区时间 td。可见，最小脉宽时间 tmin与 tonmin、to
11、ffmin及 td的关系为 tminmaxtoffmintd，tonmintd （1） 图 2 载波同相层叠方式 图 3 PWM 脉冲的产生及最小脉宽的设置 Fig.2 Phase disposition（PD） Fig.3 SPWM and pulses produced by DSP 传统的处理窄脉冲的方法有两种，一是直接将小于最小脉宽的脉冲滤除（将小于 tmin的脉宽都置 为 0 或都置为 tmin） ；二是将脉宽小于 tmin/2 的脉冲滤除（置为 0） ，而将脉宽大于 tmin/2 但小于 tmin的脉 冲展宽到 tmin。这两种方法虽可避免出现窄脉冲，但由于只改变了一相的脉冲宽度，
12、必然会影响输出 的线电压波形，造成电压畸变。 1.2 窄脉冲补偿方法 在某一相发生窄脉冲时，可按上述第二种方案改变该相的脉宽，等价于对其调制波进行了相应调 整。若能同时对另两相的调制波作相同的调整，即在三相调制波中注入零序电压，便可保证三相平 衡，避免输出线电压受到消除窄脉冲的影响。 窄脉冲主要出现在调制波过零点和调制波接近 1 的时候，为此可定义如下 4 个调制波电压阈值 downminS V/Tt=， upminS V1/Tt= ， down_2down VV/2=， up_2up V(1V )/2=+ （2） 通常最小脉宽tmin远小于载波周期Ts，因此Vdown为接近于0的正数，而Vu
13、p为接近于1的正数。 图4是实现窄脉冲补偿方法的流程图，该流程应在中点电位平衡算法之后进行。 图 4 窄脉冲补偿流程图 Fig. 4 Flow chart of narrow pulse compensation 960 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 其中 10 sign() 10 a a a u u u = 。 以A相大于0时为例，当a相电压调制波小于Vdown或者大于Vup时，则发出的PWM脉宽会小于 tmin。零序电压分为以下几种情况： （1）若uaVdown_2，零序电压u0ua； （2）若Vdown_2uaVdown，零序电压u0Vdownua； （3）若Vdownua
14、Vup，零序电压u00； （4）若VupuaVup_2，零序电压u0Vupua； （5）若Vup_2ua1，零序电压u01ua； 若有多相同时发生窄脉冲，总的零序电压为各相计算出的零序电压之和。经计算可知，若调制度 m和Vdown满足式（3）的条件，则不会发生多相同时产生窄脉冲的现象 2 2V3V3V4/3 downdowndown m+ （3） 图 5 为进行窄脉冲补偿后的调制波和载波，和图 2 对比可以看到窄脉冲补偿改变了每一相相电压 的调制波。虽然补偿后相电压的调制波发生了变化，但由于所有相电压在同一时刻注入了相同的零序 分量，因此线电压不受影响。 图 5 窄脉冲补偿后的调制波 Fig.
15、5 Modulation waves after compensation 2 窄脉冲补偿适用条件的分析 进行窄脉冲补偿时，应该在补偿了某一相的窄脉冲后，保证其他两相不因此产生新的窄脉冲，否 则上述补偿方法失效。本文仅讨论调制度大于 Vdown 的情况。窄脉冲主要发生于如下两种情况：调制 波在过零点附件可能会出现窄脉冲；调制度较大时，在调制波峰值附近可能出现窄脉冲。 令补偿前的三相调制波为 sin( ) sin(2 /3) sin(2 /3) a b c um um um = = =+ （4） 补偿后的调制波为（u0为注入的零序电压） 电力电子与电力传动 961 0 0 0 aa bb cc uuu uuu uuu = + = + = + （5） 由于三相对称且周期重复，故在下面的分析中以A相为例并不影响分析结果。 （1）A相在峰值附近产生窄脉冲，Vupua1， （以峰值的左边部分为例） ，同时其他两相都没有 窄脉冲产生。 由图5可知，此时只需满足 VV VV upbdown upcd
