中性點(diǎn)移位在級(jí)聯(lián)型逆變器單元

1、.PAGE ：.；PAGE 133中性點(diǎn)移位在級(jí)聯(lián)型逆變器單元缺點(diǎn)處置中的運(yùn)用及優(yōu)化王旭 徐彬 臧義 東北大學(xué)摘要：引見(jiàn)了基于中性點(diǎn)移位原理的級(jí)聯(lián)H橋型逆變器缺點(diǎn)處置方式，與傳統(tǒng)的缺點(diǎn)處置方式相比，這種處置方法可以利用一切的非缺點(diǎn)單元，添加輸出電壓幅值。但是僅進(jìn)展中性點(diǎn)移位處置，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓低次諧波成分添加；提出了適宜中性點(diǎn)移位原理的載波相移參數(shù)調(diào)整方法，分別對(duì)三相輸出進(jìn)展優(yōu)化處置，輸出電壓的諧波含量與缺點(diǎn)前一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性。關(guān)鍵詞：級(jí)聯(lián)H橋 多電平逆變器 單元缺點(diǎn) 中性點(diǎn)移位 諧波分析Application and Optimization of Neutral Shif

2、ting in Cell-fault Treatment for Cascaded H-bridge Inverter Wang Xu Xu Bin Zang YiAbstract: Based on neutral shifting control method for cell-fault treatment of cascaded H-bridge inverter, the output voltage is increased than traditional control method. The voltages are balanced but distorted with s

3、ome low order harmonic if some parameters are not adjusted properly. An optimized method suitable for harmonic cancellation is proposed for neutral shifting based control method under cell-fault conditions. The experimental results verify the validity of the proposed method.Keywords: cascaded H-brid

4、ges multilevel inverter cell fault neutral shift harmonic analysis1 引言級(jí)聯(lián)H橋型多電平逆變器可以采用缺點(diǎn)單元旁路的方法來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，因此在重要的中高壓大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用1-2。當(dāng)逆變器某缺點(diǎn)單元被旁路時(shí)，需求采取特殊的控制戰(zhàn)略，以保證電機(jī)獲得三相對(duì)稱的電壓。傳統(tǒng)的控制方法是把另外兩相上與缺點(diǎn)單元相對(duì)應(yīng)的非缺點(diǎn)單元也進(jìn)展旁路處置，主電路每相堅(jiān)持一樣的單元數(shù)，從而保證三相輸出相電壓幅值一樣，對(duì)稱降容運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方法是可行的，但是部分非缺點(diǎn)單元的輸出才干沒(méi)能得到充分利用2-3。文獻(xiàn)4中提出了基于中性點(diǎn)移位

5、原理的缺點(diǎn)處置方法，可以在僅旁路缺點(diǎn)單元的情況下獲得最大的對(duì)稱線電壓。但是缺點(diǎn)后僅進(jìn)展中性點(diǎn)移位而不對(duì)其它調(diào)制參數(shù)進(jìn)展優(yōu)化的話，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電壓的低次諧波成分大幅添加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，本文提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，在中性點(diǎn)移位的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整相關(guān)的調(diào)制參數(shù)，優(yōu)化缺點(diǎn)后級(jí)聯(lián)絡(luò)統(tǒng)的輸出，使其諧波特性與缺點(diǎn)前堅(jiān)持一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種優(yōu)化方式在缺點(diǎn)處置中的正確性。2 中性點(diǎn)移位原理在級(jí)聯(lián)型逆變器缺點(diǎn)處置中的運(yùn)用中性點(diǎn)移位是利用逆變器的中性點(diǎn)是浮動(dòng)的，且不銜接到負(fù)載中點(diǎn)例如三相電機(jī)，因此逆變器中性點(diǎn)可以偏離負(fù)載中點(diǎn)。雖然逆變器輸出三相相電壓不平衡，但經(jīng)過(guò)調(diào)整相電壓的相位可以得到三相平

6、衡的負(fù)載線電壓。這樣的調(diào)整方式，相當(dāng)于缺點(diǎn)后在各相剩余單元輸出的不對(duì)稱電壓上共同疊加一個(gè)零序分量，以合成三相對(duì)稱的線電壓。由于兩個(gè)中點(diǎn)不直接銜接，因此該線電壓在負(fù)載上可以產(chǎn)生對(duì)稱的負(fù)載相電壓，從而保證負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。圖1為中性點(diǎn)移位任務(wù)原理表示圖。圖1 中性點(diǎn)移位原理表示圖圖1中的虛線三角形表示缺點(diǎn)前相、線電壓間關(guān)系；在發(fā)生缺點(diǎn)后，各相剩余的單元數(shù)用NA、NB、NC表示，該值正比于各相可以提供的電壓值，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整這三相電壓中性點(diǎn)O的位置，即可得到三相對(duì)稱的線電壓，此時(shí)逆變器電壓的中點(diǎn)位置為O，O相對(duì)于O點(diǎn)的移位電壓為vn。A相與另外兩相的相位角不再是120，分別為b和c，此時(shí)相、線電壓間的關(guān)

7、系以實(shí)線表示。設(shè)R為圖中三角形外接圓的半徑，表示中性點(diǎn)移位后等效相電壓的幅值。用NA，NB，NC與等邊三角形三邊可以構(gòu)造出3個(gè)不規(guī)那么的小三角形，這3個(gè)三角形面積之和與等邊三角形面積一樣，因此可以求出R值。經(jīng)過(guò)運(yùn)算，即可得到各種缺點(diǎn)形狀下中性點(diǎn)移位參數(shù)的表達(dá)式(1)(2)(3)(4)(5)(6)這些參數(shù)可用在缺點(diǎn)后的控制戰(zhàn)略中，如參數(shù)n和vn適用于載波調(diào)制。6單元級(jí)聯(lián)絡(luò)統(tǒng)采用中性點(diǎn)移位在Nf個(gè)單元缺點(diǎn)后的相關(guān)參數(shù)如表1所示。表中列出了缺點(diǎn)后輸出電壓可以維持在額定電壓80%以上的各種容錯(cuò)情況，NABC/3N表示剩余的非缺點(diǎn)單元總數(shù)占一切單元的比例。Vn和Vc分別表示缺點(diǎn)后采用中性點(diǎn)移位法和傳統(tǒng)方

8、法的最大輸出才干。表1 不同缺點(diǎn)形狀下的中性點(diǎn)移位參數(shù)NfNA, NB, NC(NABC/3N)/%b/()c/()Vn /%Vc /%06,6,610012012010010015,6,694.4125.4125.494.283.326,5,588.9113.1113.188.566.74,6,6130.5130.587.835,5,583.312012083.3504,5,6142.8115.882.13,6,6.5.580.9可見(jiàn)缺點(diǎn)單元總數(shù)為3時(shí)，中性點(diǎn)移位法仍可以得到與傳統(tǒng)方式初次容錯(cuò)類似的效果。3 中性點(diǎn)移位缺點(diǎn)處置方式的優(yōu)化在單元發(fā)生缺點(diǎn)被旁路后，實(shí)際上經(jīng)過(guò)改動(dòng)差補(bǔ)調(diào)制方法中各相

9、參考波的相位角，即可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)逆變器的中性點(diǎn)偏移，得到對(duì)稱的線電壓。但是詳細(xì)實(shí)現(xiàn)中，針對(duì)不同的調(diào)制方式，假設(shè)其它參數(shù)不進(jìn)展適當(dāng)調(diào)整的話，得到的線電壓只是幅值上相等，輸出諧波將會(huì)添加，甚至電壓幅值也不可以到達(dá)完全平衡。當(dāng)采用載波相移調(diào)制時(shí)，假設(shè)缺點(diǎn)單元旁路后不調(diào)整缺點(diǎn)相非缺點(diǎn)單元間載波相移角度，會(huì)導(dǎo)致輸出波形有效值減少，低次諧波添加。因此該參數(shù)必需進(jìn)展調(diào)整。在傳統(tǒng)缺點(diǎn)處置中由于三相對(duì)稱，缺點(diǎn)后可以不用調(diào)整載頻比。但中性點(diǎn)移位后三相構(gòu)造上不對(duì)稱，載頻比不調(diào)整的話，三相相電壓雖然均不含低次諧波，但高次諧波頻帶出現(xiàn)的位置不同，會(huì)導(dǎo)致線電壓中出現(xiàn)兩處高次諧波頻帶，諧波含量添加。因此，必需對(duì)載頻比進(jìn)展調(diào)整，

10、堅(jiān)持三相線電壓高次諧波頻帶位置一致。因此，對(duì)基于中性點(diǎn)移位原理進(jìn)展缺點(diǎn)處置的方法，在處置單元缺點(diǎn)后，為了得到較為理想的輸出，需求進(jìn)展調(diào)整的參數(shù)如下：1)調(diào)整正弦參考波相位。調(diào)整的原那么參照第2節(jié)的公式；對(duì)于6單元級(jí)聯(lián)絡(luò)統(tǒng)，可參考表1。調(diào)整的目的是為了得到對(duì)稱的線電壓輸出。2)調(diào)整載波相移角度。在缺點(diǎn)后每相串聯(lián)的(NNf)個(gè)H橋載波相位依次相移的角度應(yīng)調(diào)整為 (7)當(dāng)每相缺點(diǎn)單元數(shù)目不同時(shí)，各相載波相移的角度也各不一樣。f表示缺點(diǎn)相載波相移角度。3)添加缺點(diǎn)相載頻比或減少非缺點(diǎn)相載頻比。缺點(diǎn)后調(diào)整載頻比的目的是維持三相輸出電壓的高次諧波頻帶位置盡量都與缺點(diǎn)前一致。由于會(huì)出現(xiàn)三相缺點(diǎn)數(shù)目不同的情況

11、，因此調(diào)整的最終目的是要使各相的高次諧波頻帶k=2Nkc0堅(jiān)持一致，即： (8) (9)實(shí)現(xiàn)這一目的需求添加缺點(diǎn)數(shù)較多相的載頻比，其中kcfA，kcfB，kcfC分別表示A，B，C相缺點(diǎn)后的載頻比。按照以上原那么，結(jié)合中性點(diǎn)移位原理，用調(diào)整后的參數(shù)控制缺點(diǎn)后的級(jí)聯(lián)絡(luò)統(tǒng)，可以消除輸出電壓中的低次諧波，維持良好的輸出特性。4 實(shí)驗(yàn)分析為了驗(yàn)證前面提出的調(diào)整原那么，對(duì)A相一單元缺點(diǎn)后的6單元級(jí)聯(lián)絡(luò)統(tǒng)進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)分析。系統(tǒng)正常任務(wù)時(shí)采用載波相移差補(bǔ)調(diào)制方式，缺點(diǎn)后利用中性點(diǎn)移位原理進(jìn)展缺點(diǎn)處置，下面分別對(duì)采用優(yōu)化措施前后進(jìn)展比較分析。A相一單元缺點(diǎn)后測(cè)得的三相相電壓波形如圖2a所示，由于一個(gè)單元缺點(diǎn)后最

12、大輸出才干為缺點(diǎn)前的94%，采用恒壓頻比控制，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為47 Hz，kc=15。缺點(diǎn)后僅參考波相位按照中性點(diǎn)移位原理進(jìn)展了適當(dāng)調(diào)整，參考波相位變化參數(shù)在表1中曾經(jīng)給出，B，C相與A相的相位差b和c從缺點(diǎn)前的120調(diào)整為125.4；可以看出缺點(diǎn)相輸出波形質(zhì)量不理想。對(duì)應(yīng)的線電壓波形如圖2c所示，三相幅值根本平衡。受A相缺點(diǎn)的影響，線電壓VCA與VAB波形質(zhì)量較差。與之相應(yīng)的諧波分析如圖2e 所示。從諧波分析結(jié)果可以看出，由于缺點(diǎn)后A相輸出未優(yōu)化，導(dǎo)致線電壓中與A相相關(guān)的AB相線電壓低次諧波含量添加，而BC相的線電壓輸出未遭到影響。按照本文提出的優(yōu)化原那么對(duì)這一缺點(diǎn)情況進(jìn)展優(yōu)化處置。A相一個(gè)

13、單元缺點(diǎn)后，該單元被旁路，調(diào)整A相和其它兩相間的相位角度來(lái)實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)的偏移，得到三相對(duì)稱的線電壓。為了消除A相的低次諧波，載波間相移角度從缺點(diǎn)前的/6調(diào)整至/5即36，那么該相電壓10以內(nèi)的諧波幾乎均被消除。此時(shí)只需相應(yīng)增大A相的kcA至12/10kc就可以使A相電壓的高頻帶10A和B，C相的12堅(jiān)持不斷，所以取kcA=18，從而線電壓中不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)高頻帶。從相電壓波形圖2b可以看出，A相輸出電壓波形比優(yōu)化前有所改善。優(yōu)化后帶缺點(diǎn)系統(tǒng)輸出的線電壓波形根本一致，幅值平衡，如圖2d所示。從圖2f所示的諧波分析結(jié)果可以看出，由A相單元缺點(diǎn)呵斥的低次諧波均被消除。系統(tǒng)輸出電壓的諧波帶與缺點(diǎn)前一致，仍維

14、持在較高的頻帶，對(duì)負(fù)載的影響很小。 (a) 未優(yōu)化時(shí)的相電壓波形 (b) 優(yōu)化后的相電壓波形 (c) 未優(yōu)化時(shí)的線電壓波形(其中兩相) (d) 優(yōu)化后的線電壓波形(其中兩相) (e) 未優(yōu)化時(shí)的線電壓波形諧波分析 (f) 優(yōu)化后的線電壓波形諧波分析圖2 一個(gè)單元缺點(diǎn)優(yōu)化前后的系統(tǒng)輸出對(duì)比 5 結(jié)論對(duì)于級(jí)聯(lián)H橋型逆變系統(tǒng)而言，基于中性點(diǎn)移位原理的缺點(diǎn)處置方式是一種高效的處置方式，結(jié)合文中提到的優(yōu)化原那么，可以得到理想的輸出結(jié)果。參考文獻(xiàn)1 竺偉，陳伯時(shí)單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器的來(lái)源、現(xiàn)狀和展望J. 電氣傳動(dòng)，2006，36(06):372 Hammond P W. Enhancing the Reliability of Modular Medium-voltage DrivesJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(5): 94