高電壓穿越下的三電平逆變器中點(diǎn)電壓控制方法研究

摘要：在電網(wǎng)運(yùn)行中，電壓暫時(shí)性升高現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如雷擊、系統(tǒng)故障解除等都會(huì)引起電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)升高。為了確保接入電網(wǎng)的電力電子設(shè)備在電壓異常時(shí)能夠繼續(xù)運(yùn)行而不至于脫網(wǎng)，高電壓穿越（HighVoltageRide-Through，HVRT）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)要求逆變器等電力電子設(shè)備能夠在短時(shí)間內(nèi)承受高于額定值的電壓，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過分析基于三電平逆變器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述高電壓穿越下中點(diǎn)電壓偏移的原因，提出了一種適用于高電壓穿越條件下的中點(diǎn)電壓控制方法，希望能夠?yàn)槿娖侥孀兤髟趯?shí)際應(yīng)用中的高效運(yùn)行提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：高電壓穿越三電平逆變器中點(diǎn)電壓電容電壓

ResearchonMidpointVoltageControlMethodforThree-LevelInverterUnderHighVoltageRide-Through

LIUYan

SkillsTrainingCenterofStateGridSichuanElectricPower Company，Chengdu，SichuanProvince，610072China

Abstract：InIntheoperationofpowergrid，thephenomenonoftemporaryvoltagerisesometimesoccurs，suchaslightningstrike，systemfaultrelief，etc.，willcausetheinstantaneousriseofpowergridvoltage.Inordertoensurethatpowerelectronicdevicesconnectedtothegridcancontinuetooperatewithoutdisconnectingfromthegridincaseofvoltageanomalies，HighVoltageRide-Through（HVRT）cameintobeing.Thistechnologyrequiresthatpowerelectronicequipmentsuchasinverterscanwithstandhigher thantheratedvoltageinashortperiodoftimeandensurethestableoperationofthesystem.Byanalyzingtheworkingprincipleandstructuralcharacteristicsofthree-levelinverters，thecausesofmidpointvoltagedeviationunderHVRTareexpounded，andamidpointvoltagecontrolmethodsuitableforHVRTisproposed.Itishopedtoprovidetechnicalsupportfortheefficientoperationofthree-levelinverterinpracticalapplications.

KeyWords：HVRT;Three-levelinverter;Midpointvoltage;Capacitorvoltage

在眾多電力電子裝置中，三電平逆變器因其輸出波形質(zhì)量高、電壓應(yīng)力小、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于中高壓大功率場合。然而，在高電壓穿越條件下，三電平逆變器的中點(diǎn)電壓控制成為一個(gè)關(guān)鍵問題。中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性直接影響到逆變器的正常工作。如果中點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，不僅會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真，影響電能質(zhì)量，還可能導(dǎo)致電力電子器件的損壞，縮短設(shè)備壽命。現(xiàn)有的中點(diǎn)電壓控制方法主要集中在正常工作條件下的電容電壓平衡策略，然而，在高電壓穿越情況下，由于電網(wǎng)電壓的急劇變化，傳統(tǒng)的控制方法往往難以應(yīng)對(duì)這種突發(fā)的非線性變化，導(dǎo)致中點(diǎn)電壓的不穩(wěn)定。因此，研究在高電壓穿越條件下的三電平逆變器中點(diǎn)電壓控制方法具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1三電平逆變器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三電平逆變器是一種用于高壓和大功率應(yīng)用的電力電子設(shè)備，在電力系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，三電平逆變器在結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠提供更高的輸出電壓質(zhì)量和更高的效率。三電平逆變器的基本工作原理是通過3個(gè)電平的電壓輸出，形成更接近正弦波形的輸出電壓。這3個(gè)電平分別是+Vdc、0和-Vdc，其中，Vdc是直流側(cè)的電壓。通過精確控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓的精確調(diào)制。這種三電平輸出可以有效減少輸出電壓波形的諧波含量，降低電壓應(yīng)力，從而提高系統(tǒng)的整體效率和可靠性。

從結(jié)構(gòu)上看，三電平逆變器通常包括3個(gè)主要部分：直流側(cè)電源、逆變橋和控制系統(tǒng)。（1）直流側(cè)電源提供穩(wěn)定的直流電壓。（2）逆變橋由多個(gè)半橋單元組成，每個(gè)半橋單元包括兩個(gè)功率開關(guān)和一個(gè)中點(diǎn)電容，通過對(duì)這些開關(guān)的精確控制，逆變器可以在3個(gè)電壓水平之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)所需的交流電壓輸出。（3）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)逆變器的工作狀態(tài)，確保其按照預(yù)定的參數(shù)運(yùn)行，并進(jìn)行必要的反饋調(diào)整以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

三電平逆變器的設(shè)計(jì)和操作需要特別關(guān)注中點(diǎn)電容的電壓平衡。在正常工作條件下，中點(diǎn)電容的電壓應(yīng)保持穩(wěn)定，但在電網(wǎng)電壓異常或高電壓穿越的情況下，這一平衡可能會(huì)受到擾動(dòng)[1]。因此，確保中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性是三電平逆變器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

總體而言，三電平逆變器憑借其優(yōu)越的電壓調(diào)制能力和低諧波特性在高壓、大功率的應(yīng)用中展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì)，然而，在面對(duì)電網(wǎng)電壓異常的高電壓穿越條件時(shí)，其中點(diǎn)電壓控制仍然是一個(gè)需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化的重要領(lǐng)域。

2三電平逆變器的中點(diǎn)電壓偏移的原因分析

三電平逆變器的中點(diǎn)電壓問題是指中點(diǎn)電容電壓的不穩(wěn)定或偏移，這一問題在高電壓穿越（HighVoltageRide-Through，HVRT）條件下尤為突出。中點(diǎn)電壓偏移主要由多個(gè)因素引起，這些因素共同作用，導(dǎo)致逆變器的中點(diǎn)電容電壓無法維持在理想的水平，從而影響逆變器的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

首先，電容電壓不平衡是導(dǎo)致中點(diǎn)電壓偏移的主要原因之一。在三電平逆變器中，直流側(cè)的電壓被分配到兩個(gè)中點(diǎn)電容上，這些電容應(yīng)當(dāng)在理想情況下保持電壓對(duì)稱。然而，由于電流波動(dòng)、負(fù)載不平衡、逆變器開關(guān)的不對(duì)稱操作等原因，電容的充放電過程會(huì)受到影響，導(dǎo)致中點(diǎn)電壓偏移[2]。例如：當(dāng)一個(gè)中點(diǎn)電容的電壓過高時(shí)，另一個(gè)電容的電壓可能相應(yīng)降低，從而引起中點(diǎn)電壓的不穩(wěn)定。

其次，負(fù)載不對(duì)稱性也是中點(diǎn)電壓偏移的重要原因。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載往往不是完全對(duì)稱的，這種不對(duì)稱性會(huì)導(dǎo)致電流流經(jīng)中點(diǎn)電容時(shí)的不均勻性，從而引發(fā)電容電壓的不平衡。在這種情況下，中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性會(huì)受到很大影響，尤其是在負(fù)載快速變化或大功率應(yīng)用中，這一問題更加明顯。

最后，逆變器的開關(guān)操作也可能導(dǎo)致中點(diǎn)電壓的偏移。在三電平逆變器中，開關(guān)的切換直接影響到中點(diǎn)電容的電壓。如果開關(guān)操作不均勻或者控制策略不合理，會(huì)導(dǎo)致電容電壓的不平衡，進(jìn)而引起中點(diǎn)電壓的偏移。特別是在高電壓穿越情況下，逆變器需要迅速響應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化，這種快速切換可能會(huì)加劇中點(diǎn)電壓的不穩(wěn)定。

3高電壓穿越下的中點(diǎn)電壓控制方法

3.1電容電壓平衡策略

電容電壓平衡策略的核心是通過合理的控制手段，確保三電平逆變器中的中點(diǎn)電容電壓在電網(wǎng)電壓發(fā)生異常時(shí)依然保持對(duì)稱，從而避免中點(diǎn)電壓的偏移。

通過優(yōu)化空間矢量脈寬調(diào)制（SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM）方法，可以實(shí)現(xiàn)電容電壓的平衡控制。在三電平逆變器中，SVPWM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而產(chǎn)生所需的交流輸出電壓。為了實(shí)現(xiàn)電容電壓的平衡，可以對(duì)SVPWM進(jìn)行改進(jìn)，采用非對(duì)稱的矢量分配方式，即在選擇和分配矢量時(shí)，優(yōu)先選擇有助于中點(diǎn)電壓平衡的矢量。這種方法能夠在逆變器的每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電容的充放電，從而保持中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定[3]。

另外，反饋控制策略也是電容電壓平衡的重要手段。在這一策略中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中點(diǎn)電容的電壓值，并將其與預(yù)設(shè)的參考電壓進(jìn)行比較，生成誤差信號(hào)，控制系統(tǒng)根據(jù)誤差信號(hào)調(diào)整逆變器的開關(guān)狀態(tài)，以糾正電容電壓的偏移。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，使系統(tǒng)能夠自適應(yīng)地應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓的突變，特別是在高電壓穿越情況下，這種反饋調(diào)節(jié)能夠顯著改善中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性。

此外，在電容電壓平衡策略中，還可以引入前饋控制機(jī)制，提前對(duì)電網(wǎng)電壓的變化做出響應(yīng)。例如：利用電網(wǎng)電壓預(yù)測(cè)技術(shù)，提前判斷可能發(fā)生的高電壓穿越事件，并預(yù)先調(diào)整逆變器的控制策略，以避免電容電壓的不平衡。這種前饋控制方法能夠在一定程度上緩解中點(diǎn)電壓的突變，特別是在應(yīng)對(duì)大幅度電壓波動(dòng)時(shí)，具有明顯的效果。

3.2SVPWM改進(jìn)策略

針對(duì)SVPWM的改進(jìn)策略中，非對(duì)稱矢量分配方法是一種有效的解決方案。這種方法的核心在于優(yōu)化矢量選擇和分配，以實(shí)現(xiàn)電容電壓的平衡，特別是在電網(wǎng)電壓發(fā)生異常時(shí)，能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。非對(duì)稱矢量分配方法在傳統(tǒng)的SVPWM基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，首先需要明確不同空間矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響。在標(biāo)準(zhǔn)的SVPWM中，逆變器的輸出電壓是通過選擇適當(dāng)?shù)目臻g矢量來實(shí)現(xiàn)的，這些空間矢量在一個(gè)周期內(nèi)的分布決定了輸出電壓的質(zhì)量和電容電壓的平衡。然而，在HVRT條件下，電網(wǎng)電壓的急劇變化會(huì)對(duì)電容電壓平衡產(chǎn)生顯著影響，因此需要調(diào)整矢量的分配策略，以減少這種影響。

具體來說，非對(duì)稱矢量分配方法通過重新配置空間矢量的分配比例，優(yōu)先選擇那些能夠有效平衡電容電壓的矢量。在實(shí)際應(yīng)用中，這通常涉及對(duì)每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的矢量組合進(jìn)行優(yōu)化，以確保中點(diǎn)電容的充放電過程不會(huì)導(dǎo)致電壓的不對(duì)稱[4]。例如：通過增加對(duì)某些特定矢量的使用頻率，或在某些階段減少這些矢量的使用，從而調(diào)整電容的電壓分布，使中點(diǎn)電壓保持在較為穩(wěn)定的水平。同時(shí)，非對(duì)稱矢量分配方法還可以結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整機(jī)制，通過在逆變器中安裝電壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中點(diǎn)電容的電壓值，并根據(jù)實(shí)際測(cè)得的電壓信息動(dòng)態(tài)調(diào)整矢量分配策略。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓變化的適應(yīng)能力，在高電壓穿越期間能夠迅速響應(yīng)電容電壓的變化，保持中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。這種改進(jìn)的SVPWM策略不僅能夠有效降低中點(diǎn)電壓的偏移，還可以改善系統(tǒng)的整體性能。

由于電容電壓的平衡對(duì)于逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，優(yōu)化矢量分配有助于減少因電壓不對(duì)稱帶來的波形失真和設(shè)備損耗。因此，在HVRT條件下，采用非對(duì)稱矢量分配方法的SVPWM策略，可以顯著提升三電平逆變器的運(yùn)行可靠性和電網(wǎng)適應(yīng)性。

3.3反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中保持預(yù)定的性能目標(biāo)。在三電平逆變器中，反饋控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是維持中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定，尤其是在HVRT條件下。這種系統(tǒng)通常包括傳感器、控制器和執(zhí)行器，它們協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電壓的有效控制。

反饋控制系統(tǒng)需要高精度的傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中點(diǎn)電容的電壓，這些傳感器通常安裝在中點(diǎn)電容的兩端，能夠精確測(cè)量電容的電壓值，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)。傳感器的精度和響應(yīng)速度對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，直接影響到反饋控制的效果。

控制器是反饋控制系統(tǒng)的核心組件。控制器的主要任務(wù)是根據(jù)傳感器反饋的信息計(jì)算出需要的調(diào)整信號(hào)，以維持中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。常見的控制器設(shè)計(jì)包括比例-積分-微分（Proportional-Integral-Differential，PID）控制器和狀態(tài)反饋控制器。PID控制器通過調(diào)整比例、積分和微分參數(shù)對(duì)誤差進(jìn)行修正，確保系統(tǒng)能夠快速且穩(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)電壓。狀態(tài)反饋控制器則通過對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的全面反饋進(jìn)行更為復(fù)雜的調(diào)整，以優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。在控制器確定了調(diào)整信號(hào)后，執(zhí)行器負(fù)責(zé)實(shí)施這些調(diào)整。

執(zhí)行器通常是逆變器中的開關(guān)器件，如絕緣柵雙極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT），其通過改變開關(guān)狀態(tài)來調(diào)節(jié)電流流過中點(diǎn)電容的方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)。控制器和執(zhí)行器之間的協(xié)調(diào)非常重要，確保調(diào)整信號(hào)能夠準(zhǔn)確無誤地轉(zhuǎn)化為物理操作[5]。

為了提高反饋控制系統(tǒng)的性能，可能還會(huì)加入一些附加的優(yōu)化措施。例如：前饋控制機(jī)制可以與反饋控制相結(jié)合，預(yù)先考慮系統(tǒng)可能的干擾，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)突發(fā)情況的響應(yīng)能力。此外，控制系統(tǒng)還需要進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)優(yōu)化，確保控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)的特性相匹配，從而實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。

4結(jié)語

本文研究了高電壓穿越條件下三電平逆變器中點(diǎn)電壓的控制方法，針對(duì)電容電壓不平衡和負(fù)載不對(duì)稱等問題，提出了改進(jìn)的SVPWM策略和反饋控制系統(tǒng)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這些方法有效提高了中點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性，確保了逆變器在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的可靠運(yùn)行。這一研究為三電平逆變器在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化控制算法，以提高三電平逆變器在更復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境中的適應(yīng)能力。此外，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)分析的控制策略也有望進(jìn)一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

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