專利名稱：一種多目標的大功率逆變器共模電壓抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多目標的大功率逆變器共模電壓抑制方法，屬多電平逆變器相關(guān) 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著高壓大功率交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的大量應(yīng)用以及電力系統(tǒng)中直流輸電、 無功功率補償、電力有源濾波器等應(yīng)用發(fā)展的需要，多電平逆變器已經(jīng)成為當前電力電子 技術(shù)中備受人們關(guān)注的重要研究熱點。但是隨著高壓大功率多電平逆變器的廣泛應(yīng)用，也 發(fā)現(xiàn)了一些問題。多電平逆變器會產(chǎn)生很大的共模電壓。共模電壓會破壞電機繞組絕緣系 統(tǒng)、產(chǎn)生電磁干擾(EMI)、產(chǎn)生軸承電流加快軸承損壞、威脅傳輸電纜等，它的危害已經(jīng)變得 不容忽視。根據(jù)資料顯示，高壓大容量多電平逆變器在變頻調(diào)速領(lǐng)域中的應(yīng)用分布現(xiàn)狀是 用于泵類的占40% ；用于風機的占30% ；用于壓縮機、擠壓機、傳送帶的占15% ；用于其他 負載的占15%。在我國，要想使高壓變頻調(diào)速器得到廣泛的應(yīng)用，除了要解決消除對電網(wǎng)和 電動機的諧波污染、還要解決如何減小電動機的絕緣應(yīng)力等，這都關(guān)系到共模電壓的問題。 共模電壓的消除對電機的絕緣系統(tǒng)，輸出電壓的性能都有明顯的改善，系統(tǒng)可以達到很高 的性能，并且占地面積少，維護工作量少，對市電電網(wǎng)諧波污染小，自動化程度較高。另外，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負載大量增加，各種非線性和 時變性電力電子裝置如逆變器、整流器及各種開關(guān)電源大量應(yīng)用，其負面效應(yīng)也日益嚴重。 電力電子裝置的開關(guān)轉(zhuǎn)換給市電電網(wǎng)造成了嚴重的諧波污染，使交流電網(wǎng)的電壓和電流波 形嚴重畸變，從而代替了傳統(tǒng)的變壓器等鐵磁材料的非線性引起的諧波，成為諧波的主要 諧波源。國內(nèi)外眾多學(xué)者對于解決傳動系統(tǒng)共模電壓問題展開大量的研究，并提出了許多 有效方案，主要有隔離變壓器阻斷法、無源共模電壓濾波器、有源共模電壓濾波器；改進 控制策略，但這些方法均有其不足之處。如隔離變壓器阻斷法具有造價大、效率低、體積大 和重量高的缺點，并不是一種經(jīng)濟可行的方法。無源共模電壓濾波器的差模等效電路和共 模等效電路相同，當對差模濾波和共模濾波提出不同頻率特性時，該濾波器便難于滿足要 求。有源共模電壓濾波器多采用射極跟隨器結(jié)構(gòu)，限制了其在高壓領(lǐng)域中的應(yīng)用。公開號 CN101573865公開了一種用于對開關(guān)放大器的共模電壓進行控制的裝置及方法所述系統(tǒng)包 括調(diào)制器，其用于接收輸入信號，對所接收到的輸入信號進行調(diào)制，并生成數(shù)字信號；H橋 控制器，其用于接收數(shù)字信號，并生成用于對H橋電路的操作進行控制的控制信號；公告號 CN2794029公開了一種帶有能濾除共模電壓的反饋有源低通濾波裝置的變頻器。相比之下，基于控制策略改進的共模電壓抑制方法有著簡單、靈活、無需額外硬件 的優(yōu)勢，必將成為未來最有競爭力的方法。在基于控制策略改進的共模電壓抑制方法研究 中，由于SPWM控制策略的固有特性，必然產(chǎn)生共模電壓，故大多數(shù)學(xué)者重點針對SVPWM控制 策略進行共模電壓抑制研究，其方法是選擇共模電壓較小或為零的冗余矢量來合成矢量，
3使得變流器輸出共模電壓得到抑制或者消除。然而，該方法在獲得較好共模電壓特性的同 時卻使直流電壓利用率降低和諧波含量增加。本發(fā)明解決了 SVPWM控制策略進行共模電壓 抑制中出現(xiàn)的問題，使得抑制共模電壓的同時系統(tǒng)性能不會受到影響
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，為了解決大功率變流器自身共模電壓的危害，解決SVPWM控制 策略進行共模電壓抑制中出現(xiàn)的問題，使得抑制共模電壓的同時系統(tǒng)性能不會受到影響。本發(fā)明的技術(shù)方案是，在傳統(tǒng)對稱正弦調(diào)制信號上疊加一個直流分量來提高直流 電壓利用率，再利用共模電壓定義，在疊加直流分量的基礎(chǔ)上構(gòu)造一種新型的調(diào)制信號，使 得共模電壓為零，從而既能完全消除共模電壓，又能降低諧波含量和提高直流電壓利用率。首先，獲取傳統(tǒng)兩電平對稱SPWM正弦調(diào)制信號V/ ,V2' ,V3'，表達式為 為提高直流電壓利用率，在傳統(tǒng)正弦調(diào)制信號上疊加一個交流偏置，交流偏置的 表達式如式(2)所示 從而構(gòu)成一種中間調(diào)制信號V2，V3，表達式為 將式(3)中的兩相調(diào)制信號和三角載波信號相比較得到兩個中間的脈沖信號，然 后將這兩個中間脈沖信號相減，作為三相中其中一相的脈沖控制信號。其他兩相的脈沖信 號，也用類似的方法得到。此脈沖信號調(diào)制下的變流器輸出電壓表達如下 由上，根據(jù)共模電壓定義，可以得到V。。m = 0。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的有益效果是，采用本發(fā)明的方法，對多電平變流器進行 控制，其開關(guān)狀態(tài)限制在零共模電壓中，從而使逆變器的共模電壓為零，可以完全消除共模 電壓，同時諧波含量也降低了，直流電壓利用率的性能也得到了提高。該方法無需外加硬件 電路，省去以往算法中煩瑣的區(qū)間劃分以及冗余狀態(tài)的選擇，具有簡單易實現(xiàn)，占用內(nèi)存少 和通用性的特點。本發(fā)明所提出的控制方法比采用隔離變壓器，系統(tǒng)造價減少，系統(tǒng)效率提 高，運行成本降低，尤其是節(jié)省了隔離變壓器的體積空間和重量；相比有源濾波器，擴大了 使用范圍；相對傳統(tǒng)的PWM調(diào)制，該發(fā)明不僅從根本上消除了共模電壓的危害，而且降低了 THD的數(shù)值。本發(fā)明的方法適用于任何應(yīng)用大功率多電平變流器的場合，如大功率變頻傳動系 統(tǒng)以及電力系統(tǒng)中的FACTS裝置。


圖1是三電平二極管箝位型逆變器的主電路圖；圖2是傳統(tǒng)的三電平逆變器A相的SPWM調(diào)制控制原理圖；圖3是降低CMV的SPWM調(diào)制控制原理4
圖4是本發(fā)明的消除共模電壓的SPWM控制原理圖；圖5是本發(fā)明消除共模電壓方法的仿真模型圖；圖6是三電平二極管箝位型逆變器在傳統(tǒng)SPWM控制下的共模電壓波形(仿真條 件相同)；圖7是三電平二極管箝位型逆變器在傳統(tǒng)SPWM控制下的輸出電壓波形及諧波特 性；圖8是三電平二極管箝位型逆變器在降低CMV的SPWM控制下的共模電壓波形；圖9是三電平二極管箝位型逆變器在降低CMV的SPWM控制下相電壓的輸出波形 及諧波特性；圖10是三電平二極管箝位型逆變器在本發(fā)明所述方法控制下的共模電壓波形；圖11是三電平二極管箝位型逆變器在本發(fā)明的完全消除共模電壓的方法下相電 壓的輸出波形及諧波特性。
具體實施例方式本發(fā)明以二極管箝位型三電平逆變器為例說明
具體實施例方式二極管箝位型三電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢钥闯?，三電平逆變器每 一相均由兩個直流分壓電容CpCjCi = C2)、4個主開關(guān)管、4個反并聯(lián)的續(xù)流二極管和兩個 箝位二級管組成。與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，二極管箝位三電平逆變器具有降低電磁干擾 (EMI)和du/dt、減少開關(guān)損耗、提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點。假設(shè)電路中器件均為理想器件，不 計其導(dǎo)通壓降。由圖1知，每相橋臂共有三種開關(guān)狀態(tài)，每相輸出的電壓相對于中性點來說 也有三個不同的電平。以A相為例，其工作原理為①當開關(guān)管Sal、Sa2同時導(dǎo)通Sa3、Sa4同 時關(guān)斷時若負載電流為正方向(設(shè)負載電流由逆變器流入負載的方向為正，反之為負)， 電流流過Sal、Sa2，輸出端A電壓等同于P點電位，為Ud。/2 ；若負載電流為負方向，電流流過 VDn、VD12對電容(^充電，則A相輸出端電壓也等同于P點電位，為Ud。/2。②當Sa2、Sa3同時 導(dǎo)通Sal、Sa4同時關(guān)斷時若負載電流為正方向，則電源對Q充電，電流流過箝位二極管VD” 主開關(guān)管Sa2，此時，A相輸出端等同于0點電位，為0 ；若負載電流為負方向，電流流過主開 關(guān)管Sa3，箝位二極管VD12，此時，A相輸出端電壓也等同于0點電位，為0。③當開關(guān)Sa3、Sa4 同時導(dǎo)通Sal、Sa2同時關(guān)斷時若負載電流正方向，電流流過主開關(guān)管Sa3、Sa4，A相輸出端電 壓等同于N點電位，為-Ud。/2 ；若負載電流負方向，電流流過與主開關(guān)管Sa3、Sa4并聯(lián)的續(xù)流 二極管對電容C2充電，則A相輸出端電壓也等同于N點電位。圖2為傳統(tǒng)的三電平逆變器A相的SPWM調(diào)制原理。A相正弦波和相位相同、幅值 相等、位置相差一個幅值的兩個三角載波比較。在一個開關(guān)周期內(nèi)，參考0軸以上，調(diào)制波 幅值若大于載波幅值，則為1，否則為0 ；參考0軸以下，調(diào)制波幅值若大于在波幅值則為0， 否則為-1。其中正弦調(diào)制波為50HZ，載波比為60，調(diào)制比為0.9。B相、C相調(diào)制信號就是 將圖2中的A相正弦波前后移動120°，就可以得到其他兩相的開關(guān)信號。用這些開關(guān)信號 就可以控制三電平逆變器進行工作。圖3是降低CMV的SPWM調(diào)制原理圖。圖中，正弦波與兩個幅值相等、相位相反、位 置相差一個幅值的三角載波信號比較得到開關(guān)控制信號。在一個開關(guān)周期內(nèi)，參考0軸以 上，調(diào)制波幅值若大于載波幅值，則為1，否則為0 ；參考0軸以下，調(diào)制波幅值若大于在波幅
5
值則為0，否則為-1。其中正弦調(diào)制波為50Hz，載波比為60，調(diào)制比為0. 9。B相、C相調(diào)制 信號就是將圖3中的A相正弦波前后移動120°就可以得到。本發(fā)明提出了一種新型的SPWM控制算法，這種算法既可以降低諧波含量，又可 以從根本上消除共模電壓，滿足了要求。在傳統(tǒng)的三相正弦波調(diào)制波的基礎(chǔ)上疊加一個 V_ = -[minO^&O + maxM^W)^交流偏置以提高直流電壓利用率。然后用其中 兩相的馬鞍形調(diào)制波與一個三角載波進行比較，得到兩個PWM中間信號，將他們相減就可 計算出三電平逆變器一相的電壓波形，其他兩相也同理可得。圖4所示為本發(fā)明的消除共 模電壓的SPWM控制原理圖。本發(fā)明的調(diào)制方法仿真模型如圖5所示，其中Vd。= 900V，負載為50KW。直流電壓 經(jīng)過三電平逆變器逆變。圖6為傳統(tǒng)SPWM控制策略的共模電壓波形，SPWM載波比為60，調(diào)制比為0.9。根 據(jù)共模電壓的定義，三電平逆變器產(chǎn)生的共模電壓幅值為士Vd。/3、士Vd。/6和0。圖中所示 電機端共模電壓與理論計算值是相符的，分別為300V、150V和0V。圖7為三電平二極管箝位型逆變器在傳統(tǒng)SPWM控制下的輸出電壓波形及諧波特 性；中可以看出，傳統(tǒng)SPWM控制下的輸出電壓基波幅值為718. 6V，諧波為0.56%。圖8為三電平二極管箝位型逆變器在降低CMV的SPWM調(diào)制下，逆變器輸出端的 共模電壓波形，仿真條件與圖6相同。由圖8可知在此調(diào)制策略下共模電壓的幅值變?yōu)?士Vd。/6和0，即共模電壓的絕對值比傳統(tǒng)SPWM調(diào)制下的Vd。/3下降到Vd。/6，幅值為150V和 0V。這種調(diào)制方法降低了共模電壓的有效值，從而減小共模電壓的負面效應(yīng)。圖9為三電平二極管箝位型逆變器在降低CMV的SPWM控制下相電壓的輸出波形 及諧波特性，圖9表明，在降低CMV的SPWM調(diào)制下，逆變器的輸出電壓基波幅值為606. 4V， 諧波含量為0. 56%。說明在降低CMV的SPWM調(diào)制策略下，雖然共模電壓的最大幅值為傳統(tǒng) 調(diào)制下的一半，但逆變器輸出電壓的基波幅值有所降低，而且諧波也略有升高。圖10為三電平二極管箝位型逆變器在本發(fā)明所述方法控制下的共模電壓波形； 由圖10可知共模電壓已經(jīng)幾乎完全消除，幅值約為0V，剩余的毛刺是由于開關(guān)管的導(dǎo)通 和關(guān)斷過程所造成的?？偟膩碚f，這種調(diào)制方法達到了完全消除共模電壓的目的。圖11為三電平二極管箝位型逆變器在本發(fā)明的完全消除共模電壓的方法下相電 壓的輸出波形及諧波特性；在本發(fā)明的方法下，共模電壓的有效值幾乎為零，即采用這種方 法幾乎可以完全抑制共模電壓，消除了共模電壓的危害。除此之外，諧波率也相對有所減少 為0. 50%，相電壓基波幅值為691. 4V，相比較其他兩種調(diào)制方式下相電壓的基波幅值，這 種方法略有下降，相比較共模電壓來說，這點微小的代價是值得的，因為在多電平逆變器領(lǐng) 域，降低共模電壓對逆變器驅(qū)動電機系統(tǒng)的負面效應(yīng)是至關(guān)重要的。所以本發(fā)明的方法綜 合性是最好的。
權(quán)利要求
一種多目標的大功率逆變器共模電壓抑制方法，其特征是，所述方法在傳統(tǒng)對稱正弦調(diào)制信號上疊加一個直流分量來提高直流電壓利用率，再在疊加直流分量的基礎(chǔ)上構(gòu)造一種新型的調(diào)制信號，使得共模電壓為零，從而既能完全消除共模電壓，又能降低諧波含量和提高直流電壓利用率。
2.根據(jù)權(quán)利要求職所述的一種多目標的大功率逆變器共模電壓抑制方法，其特征是， 所述方法的步驟為(1)獲取傳統(tǒng)兩電平對稱SPWM正弦調(diào)制信號V/，V2'，V3'；，表達式為(2)在傳統(tǒng)正弦調(diào)制信號上疊加一個交流偏置，交流偏置的表達式為 (3)從而構(gòu)成一種中間調(diào)制信號V2，V3，表達式為 ；(4)將(3)中的兩相調(diào)制信號和三角載波信號相比較得到兩個中間的脈沖信號，然后 將這兩個中間脈沖信號相減，作為三相中其中一相的脈沖控制信號；此脈沖信號調(diào)制下的 變流器輸出電壓表達如下:Va = (VrV2)/2 ;Vb = (V2-V3)/2 ；V。=作3、)/2 ；其他兩相的脈 沖信號，也用類似的方法得到；(5)共模電壓為:Vcom
全文摘要
一種多目標的大功率逆變器共模電壓抑制方法，該方法在傳統(tǒng)對稱正弦調(diào)制信號上疊加一個直流分量來提高直流電壓利用率，再在疊加直流分量的基礎(chǔ)上構(gòu)造一種新型的調(diào)制信號，使得共模電壓為零，從而既能完全消除共模電壓，又能降低諧波含量和提高直流電壓利用率。采用本發(fā)明的方法，對多電平變流器進行控制，其開關(guān)狀態(tài)限制在零共模電壓中，從而使逆變器的共模電壓為零，可以完全消除共模電壓，同時諧波含量也降低了，直流電壓利用率的性能也得到了提高。該方法無需外加硬件電路，具有簡單易實現(xiàn)，占用內(nèi)存少和通用性的特點。本發(fā)明的方法適用于任何應(yīng)用大功率多電平變流器的場合，如大功率變頻傳動系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)中的FACTS裝置。
文檔編號H02P27/08GK101860319SQ201010188788
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者李銀玲, 章勇高 申請人:華東交通大學(xué)