多電平二極管鉗位型逆變器電容電壓平衡SVM算法及其應(yīng)用研究.pdf

1、在大功率電力電子裝置的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，多電平變換器因其比兩電平變換器具有更好的輸出電壓波形和可獲取更高的電壓等級(jí)等突出優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注，已成為一種代表性的解決方案。然而目前并沒有一種完美的多電平變換器拓?fù)?，現(xiàn)有的拓?fù)湓趯?shí)際應(yīng)用中均存在一定的局限性。二極管鉗位型逆變器既不需要多個(gè)獨(dú)立的直流電源，也不需要笨重的電容及其預(yù)充電系統(tǒng)，同時(shí)還具有開關(guān)控制易于實(shí)現(xiàn)、保護(hù)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)這一拓?fù)涞膽?yīng)用造成阻礙的是其直流側(cè)分壓電容在逆變器運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生電

2、壓偏移，使得逆變器性能下降甚至不能正常工作。本文的工作就致力于從調(diào)制方案這一硬件結(jié)構(gòu)最簡單同時(shí)也最節(jié)省系統(tǒng)成本的途徑來研究解決多電平二極管鉗位逆變器的直流電容電壓偏移問題。
　　論文分析了傳統(tǒng)SVM算法在多電平二極管鉗位逆變器中實(shí)現(xiàn)的原理和步驟，指出了傳統(tǒng)SVM算法需要進(jìn)行大量三角函數(shù)運(yùn)算或查表操作、因而運(yùn)算效率低的不足。通過引入基于Kohonen競爭性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類算法，提出了一種改進(jìn)的多電平二極管鉗位逆變器SVM算法。改進(jìn)的算

3、法并不需要對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，在整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程中不再需要任何三角函數(shù)計(jì)算或查表操作，而只需要進(jìn)行簡單的四則運(yùn)算，所節(jié)省的運(yùn)算時(shí)間可用于完成其他耗時(shí)的工作如實(shí)現(xiàn)電容電壓均壓等。對(duì)三電平和五電平的二極管鉗位逆變器進(jìn)行時(shí)域仿真，結(jié)果驗(yàn)證了文中數(shù)學(xué)分析的正確性和所提算法的可行性，同時(shí)表明改進(jìn)的算法是一種對(duì)多電平二極管鉗位逆變器通用的算法，將它應(yīng)用于不同電平數(shù)的逆變器時(shí)不需要進(jìn)行任何修改。
　　為了能夠利用調(diào)制算法消除多電平二極管鉗位逆變器直

4、流電容電壓的偏移，論文從理論上對(duì)這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入的分析。首先研究了三電平二極管鉗位逆變器的調(diào)制矢量的特點(diǎn)，通過具體的圖例分析了四類調(diào)制矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響，明確了三電平二極管鉗位逆變器能夠利用小矢量調(diào)節(jié)電容的電壓。其次以五電平二極管鉗位逆變器為例分析了電平數(shù)超過3時(shí)的多電平逆變器的電容電壓偏移問題，分析表明這類拓?fù)錈o法在全調(diào)制比范圍內(nèi)利用小矢量控制電容電壓。由于逆變器直流側(cè)電容電流平均值為零時(shí)，直流電容電壓才能保持平衡，因此

5、推導(dǎo)出在SPWM調(diào)制算法下五電平二極管鉗位逆變器直流側(cè)電容電流平均值與調(diào)制比和交流側(cè)功率因數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。分析結(jié)果說明在不采用輔助電路的情況下，傳統(tǒng)的SPWM技術(shù)不能維持直流電容電壓平衡;但SVM方法卻有可能利用冗余開關(guān)狀態(tài)、在不設(shè)置輔助硬件的前提下實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容均壓。在分析電容電壓偏移的本質(zhì)原因的基礎(chǔ)上，說明了無論采用哪種PWM算法來維持多電平二極管鉗位逆變器的電容電壓，都存在一個(gè)由調(diào)制比和交流側(cè)功率因數(shù)所限定的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，因而電

6、容電壓平衡SVM算法主要適合應(yīng)用于二極管鉗位逆變器進(jìn)行無功功率交換的場合。
　　根據(jù)多電平二極管鉗位逆變器的最小能量特性建立了五電平逆變器的能量函數(shù)，研究了通過能量函數(shù)來選擇恰當(dāng)?shù)娜哂嚅_關(guān)狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)電容均壓的方法。為了計(jì)算在不同開關(guān)狀態(tài)下的能量函數(shù)值，推導(dǎo)了逆變器中間支路電流平均值與各個(gè)扇區(qū)開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系，得到了五電平二極管鉗位逆變器的綜合電流數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上建立了多電平二極管鉗位逆變器的通用電流模型，從而得到了對(duì)任意電

7、平通用的電容電壓平衡SVM算法。仿真研究表明基于能量函數(shù)的電容電壓平衡算法能夠在對(duì)稱負(fù)載、不對(duì)稱負(fù)載和畸變負(fù)載等穩(wěn)態(tài)條件下使得偏離的電容電壓回歸到標(biāo)準(zhǔn)值。
　　基于能量函數(shù)的平衡算法計(jì)算量非常大，且未考慮對(duì)開關(guān)頻率的優(yōu)化，因而不可避免地造成逆變器運(yùn)行時(shí)開關(guān)頻率較大。針對(duì)該算法的不足，本文提出了一種新的基于有功電流的SVM算法。新算法利用有功電流來判斷二極管鉗位逆變器交流側(cè)的能量傳輸方向，通過分析能量傳輸方向與不同的開關(guān)序列對(duì)電容電

8、壓的影響，從一組預(yù)定義的開關(guān)序列中選取使得偏離標(biāo)準(zhǔn)值最多的電容電壓盡可能回歸標(biāo)準(zhǔn)值的開關(guān)序列。新算法使逆變器在運(yùn)行中擺脫了大量的乘法運(yùn)算，只需幾次比較運(yùn)算就能得出調(diào)制結(jié)果，大大降低了運(yùn)算量、提高了調(diào)制速度;同時(shí)算法對(duì)開關(guān)器件工作頻率進(jìn)行了優(yōu)化，使得在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的器件開關(guān)次數(shù)最少，能有效降低開關(guān)頻率從而降低開關(guān)損耗。大量不同工況下的仿真研究證明了基于有功電流算法的有效性以及它的性能優(yōu)勢。
　　為了進(jìn)一步考察電容電壓平衡算法的應(yīng)用

9、效果，本文研究了一個(gè)基于五電平二極管鉗位逆變器的STATCOM系統(tǒng)。該STATCOM的直流側(cè)電容沒有輔助平衡電路，它是完全依賴空間矢量調(diào)制算法來控制電容電壓的。建立了STATCOM的數(shù)學(xué)模型，在此模型的基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)STATCOM交流側(cè)電流控制器、直流端電壓控制器和公共連接點(diǎn)電壓控制器，再將控制器與電容電壓平衡算法相結(jié)合，構(gòu)成了完整的STATCOM控制系統(tǒng)。對(duì)STATCOM系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明STATCOM的控制器能有效的