NPC三电平逆变器直流母线电容可靠性与中点电位平衡的研究

摘要

中点箝位(Neutral Point Clamped，NPC)型三电平逆变器与两电平逆变器相比，能够降低电压/电流谐波失真，有着较低的电磁干扰和更高的效率，从而可以满足对电能质量日益升高的要求，其适合于中高压工业应用。考虑到这些优势，NPC三电平逆变器在国内外各大高校及科研机构引起了极大的研究兴趣，甚至应用在新能源电动汽车及高速铁路机车驱动中。但是在NPC三电平VSI逆变器中，电容是故障率较高的元件之一，其可靠性低的特点严重地制约了逆变器的安全性能。 本文以NPC三电平逆变器为研究对象，对逆变器直流母线电容的可靠性与中点电位平衡进行分析研究。首先分析了流经直流母线的纹波电流对电容可靠性的影响，然后由纹波电流的有效值推导了纹波电压的表达式。最后针对中点电位的平衡采用了两种新颖的调制方式，并就两种调制方式对中点电位平衡的影响进行比较分析。论文的主要工作内容如下: 1.分析了NPC三电平逆变器的工作原理，同时介绍了载波层叠PWM调制(CBPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)和选择性谐波消除脉宽调制(SHEPWM)的调制策略的具体实现; 2.对NPC三电平逆变器直流母线电解电容损耗进行研究，并重点对铝电解电容的可靠性进行研究分析; 3.对流经NPC三电平逆变器电容的纹波电流和纹波电压进行分析，并对影响纹波电流与纹波电压的因素进行研究与验证; 4.针对影响NPC三电平逆变器中点电位不平衡的因素进行分析，采用两种新颖的调制方式（单调制波载波CBPWM和双调制波载波）抑制中点电位的不平衡。所采用的两种调制方式均可以抑制中点电位波动，提高电容的可靠性。并且基于双调制波载波的中点电位的平衡方式可以消除中点电位低频波动，对减少直流母线并联电容的数量和提高电容的可靠性有着积极意义; 5.搭建NPC三电平逆变器硬件实验平台，其中包括对电源电路、驱动电路、主电路和信号采样电路的设计与调试，对基于DSP28335的控制系统进行设计并在Code Compose Studio6.0中进行软件编程。并就研究内容在所设计的实验平台上进行测试。