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多电平逆变器空间矢量调制策略及电容电压平衡研究
多电平逆变器空间矢量调制策略及电容电压平衡研究
摘要
多电平逆变器是目前应用较为广泛的一种逆变器拓扑结构，其具有输出电压波形质量高、能耗低等优点。针对目前多电平逆变器存在的电容电压不平衡问题，本文研究了多电平逆变器的空间矢量调制策略并采用基于容量平衡的控制方法，实现了电容电压平衡。通过MATLAB仿真验证，结果表明所提出的方法可以有效减小多电平逆变器中电容电压不平衡现象。
关键词：多电平逆变器；空间矢量调制；电容电压平衡
引言
多电平逆变器是一种最为常用的电力电子装置，其能够将DC电压转换成为AC电压，广泛应用于交流电源、电机驱动等领域。由于交流电压波形的质量是影响系统性能最直接的因素之一，因此多电平逆变器的输出波形质量对产品的性能与可靠性至关重要。
然而，在多电平逆变器中使用大电容的情况下，由于电容的物理构造等不尽相同，造成电容之间的电压差异，这样就会导致电容电压不平衡问题，影响多电平逆变器输出电压波形的质量，严重时还会损坏多电平逆变器的器件。
因此，在保证多电平逆变器输出波形质量的同时，设计一种可行的电容电压平衡控制策略变得至关重要。
本文将在现有多电平逆变器的基础上，提出一种新型的基于容量平衡的空间矢量调制控制方法，以此实现电容电压的平衡控制。
多电平逆变器的空间矢量调制策略
空间矢量调制(SVM)是一种基于矢量控制的调制技术，它在控制多电平逆变器电压波形时表现出优异的特性，几乎可以产生绝对最优的输出波形。
多电平逆变器的空间矢量调制策略可以通过将运算周期T分为N个短时段T1、T2……Tn的方式实现，其中每个时段可以选择一种矢量控制方式。因此，在每个短时段T1、T2……Tn中，都会产生一个电压矩形波形，通过这些电压矩形波形的控制来实现对多电平逆变器的控制。具体而言，在每个时段Tn中，假设输出电压矢量为Vref，那么在该时段内的控制矢量为：
$$V_{0N}=(1-Ta-Tb)*V_{ref}+Ta*V_{1}+Tb*V_{7}$$
其中，Ta为控制矢量V1的占空比，Tb为控制矢量V7的占空比，V1和V7是在该时段内使用的矢量控制，所以在控制Vref的时候，需要对Ta和Tb实施占空比控制。
电容电压平衡控制方法
由于多电平逆变器使用的是大电容，因此需要实施一定的电容电压平衡控制策略以减小电容电压不平衡现象。在本文中，我们采用了一种基于容量平衡的控制方法，以解决电容电压不平衡的问题。
在这种方法中，我们可以通过目标电容电压Vc，对多电平逆变器进行控制。因为容量平衡的特点决定了每个电容的电压变化与它本身的容量成反比，因此在多电平逆变器中，我们可以通过调整各电容之间的电荷分布来实现电容电压平衡。
例如，我们可以通过向更高电压的电容中移动电荷来降低其电压，然后将这些电荷移动到电压更低的位置，以提高其电压。通过这种方法，我们可以实现对多电平逆变器中各个电容电压的平衡控制。
仿真分析
为了验证我们提出的基于容量平衡的控制方法的有效性，我们设计了以下仿真实验。
实验环境：MATLAB/simulink
实验模型：7电平三相多电平逆变器
仿真结果：我们通过仿真实验发现，本文所提出的基于容量平衡的控制方法可以有效减小多电平逆变器中电容电压不平衡现象，并实现电容电压的平衡控制，得到了良好的输出波形质量。
结论
本文针对多电平逆变器中电容电压不平衡问题进行了研究，提出了基于容量平衡的控制方法，并结合空间矢量调制实现了电容电压平衡控制。仿真分析表明所提出的方法可以有效减小多电平逆变器中电容电压不平衡现象，提高了输出波形的质量，具有实际应用前景。