[发明专利]一种逆变装置的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种逆变装置的控制方法。

背景技术

自从日本学者南波江章（A.Nabae）等人于1980年提出中点钳位型三电平逆变器以来，这种拓扑结构引起了越来越多的重视，其成熟的产品正逐渐应用于电力工业的各个领域。中点钳位型三电平逆变器，是多电平逆变电路拓扑结构中发展最早的一种结构，由于每个功率开关管上承受的电压仅为直流侧电压的一半，因而有利于提高装置的电压等级，同时，由于相电压有三种电平状态，比传统的二电平逆变器多了一个电平，三电平可以输出阶梯波，在同样的开关频率及控制方式下，三电平逆变器输出电压和电流谐波显著小于两电平逆变器。因此，三电平逆变器在中高压变频调速、有源电力滤波器和电力系统无功补偿等领域有着广阔的应用前景。虽然三电平逆变器相比传统两电平逆变器有许多优点。但是中点钳位型三电平逆变器也存在中点电位不平衡(Neutral Point Potential Unbalance)这样的缺点，这是它的致命弱点。中点钳位型三电平逆变器采用两个电容串联来产生三个电平，而实际上，由于开关器件本身特性的不一致和变换器能量转换时中点电位参与能量的传输，加之电容值不可能到无穷大，三电平逆变器直流侧的两个电容电压并不能完全相等，而是存在一定的波动，因此会产生两个电容电压分压不均的问题，即中点电位不平衡问题。在中点电位不平衡因素中，中点电位波动是造成输出电压含有大量低次谐波的主要原因。中点电位偏移的变化在短时间范围内并不明显，但若长时间运行则会偏移的越来越明显，造成直流侧上下电容的严重不均压。直流电压的不均衡会直接导致输出电压波形的严重畸变，当直流电压严重不均衡时甚至会将三电平输出蜕变为两电平波形。此外，由于总的直流电压是一定的，所以中点电位不平衡会在造成一侧电容电压偏低的同时造成另一侧电容电压偏高，在严重不平衡情况下过高一侧的自流电压会损坏电容器件和功率开关管。在单相三电平逆变器中，除小矢量会影响直流母线电容的中点电压外，电容的不平衡、开关特性的不一致等也会影响电容中点电压。但是，在小矢量作用情况下负载会与直流侧的某一单侧电容形成充放电回路，这是造成中点电位不平衡的主要因素。中点电压过分的偏移会产生电容电压分布的不均匀，从而会导致逆变器输出电压总谐波THD（total harmonic distortion）的增加和开关器件的损坏。

现阶段针对中点钳位型三电平逆变器的中点电位不平衡问题提出的控制方法颇多，现有的通过硬件来实现中点电位平衡控制的方案，其主要思想是在三电平变换器的前级加入辅助平衡电路，通过这一辅助平衡电路来控制中点电位。由于硬件控制方案存在系统复杂、制造成本较高、损耗较大等缺点，所以目前该方案的应用还未被普及。目前常见的是通过调整正负小矢量的作用时间来控制中点电压平衡。在保证逆变器输出电压(负载电压)不变的前提下，各桥臂的开关根据直流电容电压和负载电流方向的实际情况，通过工作在两电平状态，减小小矢量的作用时间，使中性点电位向靠近电源中点方向变化的原则进行动作。但是在高调制系数和低功率因数的条件下，由于小矢量的控制能力有限，该方法不能在全范围内实现中点电压平衡控制。而且，当三电平变换器工作在两电平状态时，由于功率器件自身寄生电容的影响，会导致三电平电路中开关管承压不均，严重时可能引起功率器件过压损坏，对人身安全造成威胁。为了解决开关管承压不均问题，现有技术中通常采用硬件技术来实现。但电路结构复杂，电路参数难以确定。

鉴于上述已有技术，为了解决开关管承压不均问题，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种逆变装置的控制方法，其结构简单、成本低、损耗小，且能解决三电平逆变器的IGBT开关管承受直流母线电压不均的问题，简化了电路参数修改方式，减少了硬件电路复杂度。