[发明专利]一种二极管箝位三电平逆变器共模电压抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于二极管箝位三电平逆变器的共模电压抑制方法。

背景技术

随着能源和环境问题的突出，世界各国正在把更多目光投向可再生能源，其中风力发电已经成为目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式。在风力发电中，需要PWM变频器对电能进行处理，其中由二极管箝位三电平逆变器组成的四象限变流器具有能量转换效率高、控制相对简单、du/dt低等优点被广泛采用，但是在其应用过程中存在一些负面效应，典型问题为逆变器产生的高频共模电压。

高频共模电压会在发电机转轴上感应出高频轴电压，进而形成轴电流，腐蚀发电机轴承。高频共模电压与发电机绕组寄生电容相互作用，降低绕组对地绝缘；同时高频共模电压产生很强的电磁干扰，影响其它控制系统和电子设备的正常运行。随着电压的升高，电力设备可供设计的电压裕量越来越小，考虑到多电平结构是实现高电压的典型途径，研究多电平PWM逆变器输出共模电压抑制技术具有重要的理论意义和实用价值。

文献《多电平SPWM变频器中共模电压抑制技术的研究》姜艳姝,徐殿国等.、《多电平逆变器共模电压的抑制》赵莉,宋平岗等，提出采用软件方式抑制逆变器共模电压输出，但均未考虑中点电压平衡控制。而中点电压平衡是二极管箝位三电平逆变器稳定运行的基础。

发明内容

本发明的目的是克服现有共模电压抑制方法不能控制中点电压平衡的缺点，提出一种降低二极管箝位三电平逆变器输出共模电压的抑制方法，在达到共模电压抑制的同时能控制中点电压平衡。

本发明将二极管箝位三电平逆变器的矢量空间分为6个扇区，每个扇区细分为2个小区，根据小矢量作用时中点电流与对应相电流方向，将小矢量分为正小矢量和负小矢量，采用不含正小矢量的PWM(NPSVPWM)矢量合成策略，在输出电压合成的矢量中去除正小矢量，同时维持中点电压平衡；将参与输出电压合成的负小矢量按照矢量合成关系分为过渡小矢量、第一附加小矢量和第二附加小矢量，并根据不同小矢量作用时对中点电压的控制能力推导出最优工况选择标准，实现对中点电压有效控制。本发明可将逆变器输出共模电压幅值由原来的1/3直流母线电压降低到1/6直流母线电压。

对于二极管箝位三电平逆变器，由12个IGBT和6个箝位二极管组成。用开关变量S_a、S_b、S_c分别表示三电平逆变器各桥臂开关状态，0、1、2三个状态分别对应桥臂-0、三个电压输出。定义三电平逆变器的开关状态为S_aS_bS_c，则三电平逆变器共有27个开关状态，分别对应19个空间状态。

将整个矢量空间分成6个扇区，每个扇区分成2个小区，用(xy)表示，x代表扇区号，y代表小区号，比如(12)区表示第1扇区第2小区。矢量根据长短分为4类：零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，位于0点的为零矢量，长度位于小矢量圆的为小矢量，长度位于中矢量圆的为中矢量，长度位于大矢量圆的为大矢量。小矢量有1个冗余状态，零矢量有2个冗余状态。定义三相电流I_abc和中点电流I_m均以输出为正，如果小矢量作用时对应中点电流与相电流方向相同，称为正小矢量，如100,122；如果小矢量作用时对应中点电流与相电流相反，则称为负小矢量，如011、211。

不同矢量对应不同共模电压幅值|V_N0|，如表1所示。其中，U_dc为逆变器直流母线电压。

表1

其中，中矢量对应共模电压幅值|V_N0|＝0，大矢量对应共模电压幅值正小矢量对应共模电压幅值负小矢量对应共模电压幅值零矢量111对应共模电压幅值|V_N0|＝0，零矢量000、222对应共模电压幅值如果参与合成输出电压的矢量状态不包含000、222两个零矢量，逆变器输出共模电压幅值将从降低到如果再去掉正小矢量，则逆变器输出共模电压幅值将从降低到去除000、222两个零矢量，去除6个正小矢量，剩余的19个矢量位置唯一对应19个空间状态。

为了实现抑制共模电压输出的目的，参与输出电压合成的矢量去除两个零矢量000和222，去除6个正小矢量。对于各小区采用零矢量111，负小矢量、中矢量和大矢量4个基础矢量参与输出电压合成。各小区参与输出电压合成的基础矢量如表2所示。

表2