基于双调制波载波PWM策略的中点电位平衡问题研究

中点电位平衡问题是三电平中点箝位(Neutral-point-clamped,NPC)逆变器的固有问题,也是限制三电平NPC逆变器广泛应用的瓶颈。中点电位不平衡会导致部分开关器件承受的关断电压增大,造成器件过压,还会增大逆变输出的交流谐波。传统载波PWM(Pulse width modulation,PWM)每相只有一个调制波,普遍采用零序电压注入的方法来进行中点电位平衡控制,但在部分调制度和功率因数下存在无法完全消除中点电位低频波动的问题。基于空间矢量PWM(Space vector PWM,SVPWM)的中点电位平衡方法也存在或者在部分条件下无法完全消除中点电位低频波动或者无法克服中点电位直流不平衡或者开关频率偏高等问题。另外,中点电位平衡控制往往与某些特殊PWM在开关序列上相冲突,导致这些PWM无法在三电平NPC逆变器中应用,或无法达到预定性能。 本文从双调制波和协调控制的角度深入研究了三电平NPC逆变器的中点电位平衡问题,提出了双调制波载波PWM方法、双组双调制波载波PWM方法和中点电位平衡协调控制方法,解决了所有调制度和功率因数下的中点电位直流不平衡和中点电位低频波动问题,以及开关序列相冲突的问题。 首先分析了三电平NPC逆变器的基本工作原理,建立了三电平NPC逆变器平均中点电流的数学模型。利用该模型分析了传统单调制波载波PWM在部分条件下无法完全消除中点电位低频波动的本质原因,提出了完全消除中点电位低频波动的充分条件。在此基础上,根据电压等效原则和中点平衡原则,提出了一种双调制波载波PWM方法,通过把每相的给定参考电压分解成正负两个调制波来进行调制,增加了“0”状态占空比分配的自由度,实现了在所有调制度和功率因数下完全消除中点电位直流不平衡和中点电位低频波动,解决了传统单调制波载波PWM在部分条件下无法克服的中点电位低频波动问题。 在双调制波载波PWM的基础上,进一步对双调制波的波形与开关频率的关系进行了研究,提出了一种降低了开关频率的双调制波载波PWM——双组双调制波载波PWM。双组双调制波载波PWM通过在双调制波载波PWM的调制波中注入零序电压来降低调制波调制产生的开关频率,并由此建立两组平均中点电流大小相等方向相反的双调制波,然后根据中点电位的情况进行切换调制。双组双调制波载波PWM不仅能完全消除中点电位直流不平衡和中点电位低频波动,与双调制波载波PWM相比,在相同载波频率下,还有效降低了开关频率。 为解决中点电位平衡控制与某些特殊PWM开关序列相冲突的问题,针对背靠背式三电平NPC逆变器,提出了中点电位平衡协调控制方法,通过在整流或逆变某一侧协调控制整个逆变器的中点电位,而另一侧实施对开关序列有特殊要求的PWM方法来解决开关序列冲突的问题。以中点电位平衡控制与谐波最优SVPWM开关序列冲突的问题为例,对基于双组双调制波载波PWM和SVPWM的4种中点电位平衡协调控制方法进行了研究,给出了相应的协调控制算法和中点电位低频波动可被完全消除的区域,为背靠背式三电平NPC逆变器的控制策略和PWM选择提供了理论指导。 最后,提出了一种利用单载波调制等效实现双调制波载波PWM和双组双调制波载波PWM双载波调制的方法,简化了调制算法且易于实现,建立了以DSP和CPLD为控制器的三电平NPC逆变器实验系统,对双调制波载波PWM和双组双调制波载波PWM进行了实验研究。实验结果验证了双调制波载波PWM和双组双调制波载波PWM的正确性和有效性。