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近年来,随着电力电子技术的飞速发展,高压大功率多电平变频器日益成为研究热点。尤其是三电平中点箝位式(NPC)逆变器己广泛应用于中高压变频调速、电力系统有源滤波、柔性输电系统等领域。相对于两电平逆变器,三电平NPC逆变器具有器件耐压要求低、谐波畸变率小、输出波形好等优点。
本文首先介绍了三电平NPC逆变器的拓扑结构及工作原理,然后对现有的正弦波脉宽调制法(SPWM)和空间矢量脉宽调制法(SVPWM)进行阐述。分析了三电平NPC逆变器中性点电压不平衡这一固有问题,总结了中性点电压不平衡的原因,对系统产生的危害,以及现在一些常用硬件和软件抑制方法。并基于这一问题,提出了一种改进的九段法SVPWM控制策略。
很多因素会导致三电平中点箝位式逆变器中性点电压偏移,传统的七段法空间矢量调制算法,在高调制度的情况下存在不能平衡的区域,利用九段法空间矢量调制方法能实现对中性点电压的完全控制。九段法SVPWM控制将空间矢量重新划分,每个扇区划分为五个小区间,将传统的中矢量由小矢量进行合成,使得在高调制度时,小矢量参与增加。每个采样周期分成九段,开关时序完全对称,在每个大区全部采用相同的正小矢量首发,满足三电平NPC逆变器开关顺序设计的全部要求。设计了一个PI调节器,通过闭环控制输出一个调制因子,基于正负小矢量对中点电位作用效果相反这一原理,将调制因子与开关时序结合起来,实时调节冗余小矢量,使中性点电压平衡。
在Matlab7.11/SIMULNK环境中搭建三电平NPC逆变器仿真系统。针对中性点电压不平衡这一问题进行仿真研究,通过对传统七段法SVPWM和九段法SVPWM仿真结果的对比,验证了改进算法的有效性。为了验证实际效果,搭建了三电平NPC逆变器的实验平台,对中性点电压进行检测,利用DSP2812来实现控制算法的设计。从实验波形对比分析中可以看出,在调制度比较高的情况下,九段法SVPWM仍然可以实现中点电压的平衡控制,并且输出谐波含量相对于传统算法较少,进一步验证了算法的有效性。