二极管钳位三电平变频器中点电压平衡相关问题研究

摘要

在能源日益紧张的时代背景下，节能成为学者研究的热点和社会普遍关注的问题。截至2007年，我国电动机总装机容量约5.8亿千瓦，占全国总耗电量的60％～70％，其中，交流电动机占90％左右。目前各类电机的运行效率加权平均比国外低3～5个百分点，整体在用的电机驱动系统运行效率比国外低近20％。交流电动机的调速问题是自其诞生以来学者一直致力于解决的问题，尤其是高压交流电动机调速问题。 高压变频调速装置通过改变大中型异步电动机输入电源的频率可以达到无极调节转速的目的。同时改变主驱动电源的电压或频率能改善控制性能，使机组安全稳定地运行，减少日常维护工作量。应用高压变频器对大功率交流电机进行控制，可以显著提高运行效率，减少电力消耗，同时还能实现电机的软启动，减少机器设备的耗损，延长电机的使用寿命；此外，高压变频调速技术还可以外延到高压直流输电（HVDC）、有源电力滤波器（APF）、静止无功补偿（SVG）等领域。 本文首先介绍了高压变频器的几种应用广泛的拓扑结构，比较了几种拓扑结构的优缺点，之后对二极管钳位三电平高压变频器的工况进行了分析，重点是直流环节的作用机理和逆变器的状态转换过程分析。研究了SVPWM算法，包括参考矢量所在扇区及三角形的判断、七段法SVPWM脉冲波生成的原理及实现，提出了更为简易的判断参考矢量所在区域的方法，对三电平逆变器中点电压偏移的原因进行了分析，并在此基础上提出了通过检测电动机电流方向和中点电压来平衡中点电位的方法。之后本文提出通过硬件电路来平衡中点电压的方法，并在此基础上给出了一种简化的拓扑结构，对电路的状态进行了详细分析并给出了中点电压平衡电路参数的设计方法， 最后，本文对三电平变频器共模电压的产生机理进行了研究，推导了中点电压偏移对共模电压的影响，提出抑制中点电压偏移可以有效地抑制共模电压。