NPC三电平整流器中点电位控制方法的研究

唐丽娜，倪帅，戴鹏，徐立华

（中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

NPC三电平整流器中点电位控制方法的研究

唐丽娜，倪帅，戴鹏，徐立华

（中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

为了解决三电平整流器中点电位不平衡问题，以NPC型三电平整流器为例，在介绍NPC型三电平整流器的主电路结构基础上，分析了中点电位不平衡问题。详细介绍了基于SVPWM控制的中点电位控制策略，通过合理地选择正负短矢量来使中点电位趋于平衡。提出了一种改进方法即基于电荷守恒的控制策略，以保持一个采样周期内流入中点的电荷等于零为原则，通过控制正负短矢量的作用时间来控制中点电位。通过计算机仿真分析验证了中点电位控制方法的有效性。

二极管钳位型三电平整流器；空间电压矢量脉宽调制；中点电位控制；电荷守恒

1 引言

随着功率半导体开关器件技术的高速发展，电力电子变流装置得到了迅猛发展，广泛地应用于国民经济的各领域中。在中压大功率系统中，多电平变频器由于其突出的优点得到了越来越多的关注。其中，二极管钳位型（NPC）三电平变频器因为其拓扑结构简洁，控制方法成熟，成为中压大功率多电平变频器的首选拓扑结构，受到了普遍重视。但在应用过程中出现的中点电位不平衡问题却影响了它的发展。NPC型三电平整流器通过在直流侧串联2个电容分压进而产生3个电平。由于电容容量的不完全相同、开关器件特性不一致、负载及控制算法等因素的影响，将造成中点电位不平衡。中点电位不平衡将引起输出电压波形畸变、三相输出电流不对称、开关器件承受的电压不均衡、电容寿命降低以及可能导致三电平退化为两电平等问题。针对上述问题，本文在NPC型三电平整流器主电路结构的基础上对中点电位不平衡问题进行了深入的讨论，并介绍了中点电位平衡控制策略。

2 NPC三电平整流器主电路结构

二极管钳位型三电平整流器主电路拓扑结构如图1所示。整流器交流侧每相输出电压相对于直流侧有3种取值，正端电压＋vdc／2、负端电压-vdc／2、中点电压0。以a相为例，三电平整流器的每个桥臂有4个功率开关器件Sa1，Sa2，Sa3和Sa4，Da5和Da6是2个辅助钳位二极管。当Sa1，Sa2导通，Sa3，Sa4关断时，a相交流侧相对于O点的电压为＋vdc／2；当Sa3，Sa4导通，Sa1，Sa2关断时，a相交流侧的电压为-vdc／2；当Sa2，Sa3导通，Sa1，Sa4关断时，a相交流侧的电压为0。三电平整流器的直流侧与两电平不一样，其直流电容由C1和C2组成，且这2个电容中间点O和钳位二极管的中点相连接。在这种连接方式下，中点O的电压受到电流变化和开关状态的影响而浮动。

图1 二极管钳位型三电平整流器主电路拓扑结构Fig.1 Main ciucuit topology of three-level NPC rectifier

3 三电平整流器中点电位不平衡问题分析

图2 三电平空间矢量图Fig.2 Three-level space vectors diagram

三电平电路的一个桥臂有＋vdc／2，-vdc／2，0 3种可能输出电压，即正（1）、负（-1）、零（0）3个电平。因此三相三电平整流器对应33＝27种开关状态，如图2所示。由于冗余矢量的存在，实际上27个开关状态只对应着19个基本矢量。根据矢量模的大小，将19个基本矢量分为长矢量（外六边形的顶点）、中矢量（外六边形边的中点）、短矢量（内六边形的顶点）和零矢量4类，其中零矢量和短矢量都有冗余开关状态，短矢量又可分为正短矢量和负短矢量。

流过中点的电流io引起的直流母线电容C1，C2充放电不均衡是引起中点电位不平衡的根本原因。零矢量和长矢量时没有电流流过中点，不会对电容进行充放电，因此不会引起中点电位的波动。中矢量和短矢量时，有电流流过中点，会对电容进行充放电造成中点电位不平衡。其中，对于成对出现的正短矢量和负短矢量，它们的输出电压相同但是对中点电位的影响却相反。

4 中点电位平衡控制策略

4.1 基于电压空间矢量的控制策略

三电平整流器通常采用中心对称7段式PWM调制方式。由于正负短矢量对中点电位的影响是相反的，可以在SVPWM调制过程中合理地选择正负短矢量来平衡中点电压。具体方法如下。

三电平基本空间矢量的划分如图3所示。先将矢量图分为6个大四边形S，再将每个四边形分为6个小扇区N，一共划分为36个小区域。因此，三电平空间矢量图可看作用6个两电平空间矢量图构成。定义io流入为正，中点电位upn为

36个区域可分为2种区域，即有2个短矢量作用的区域和有3个短矢量作用的区域。

图3 三电平空间矢量图区域划分Fig.3 Region division of three-level space vectors

1）有2个短矢量作用的区域。这种区域的短矢量是成对出现的正负短矢量。以图3中的S1N4区域为例，作用的是正短矢量1-10和负短矢量001。在采样周期内，只要正负短矢量的作用时间之和等于T1，正负短矢量各自的作用时间并不影响参考电压矢量的合成，但是却影响中点电压。可根据下列规则合理地选择正负短矢量，从而使中点电位趋于平衡。图4为Vref在S1N4内的开关波形。

图4 Vref在S1N4内的开关波形Fig.4 Switching waveforms of Vrefin S1N4

2）3个短矢量作用的区域。以S1N5区域为例，作用的短矢量为-1-10，001，-100。对于成对出现的正负短矢量-1-10和001的选择与上面相同。负短矢量-100对中点电位产生影响，需对它进行控制。若Δv·ia＜0，负短矢量-100对中点电位起平衡作用，按上面的方法进行选择。

若 Δv·ia＞0，Δv·ic＜0，由于S1N5与S4N6所使用的基本矢量相同，可用S4N6中的矢量作用顺序来合成S1N5中的参考电压矢量。在S4N6中要用到-100和011两个短矢量，此时应选正短矢量011。若Δv·ic＞0，Δv·ia＞0，Vref无论属于哪个区域，都会有一个短矢量对中点电位的平衡起反作用，则选择反作用较小的那个短矢量。

表1对Vref在S1N5区域内的调制方法进行了总结。根据这种方法，对36个区域分别进行了分析，计算实际开关切换时间，得到开关周期内的波形。

表1 Vref在S1N5区域内的中点电位控制方法Tab.1 Control method of Vrefneutral-point potential in S1N5

从以上分析也可以看出，当参考电压矢量在区域边界过渡时，此方法可能会导致两对开关状态同时切换，在一定程度上增加了开关损耗，但从表1可以看出，对中点电位进行控制后，降低了开关损耗。

4.2 基于电荷守恒的控制策略

上述控制方法虽然降低了开关损耗，但是直流母线电压却受到了影响，会有一定的波动。为了改善这种状况，文献［1］提出了一种基于电荷守恒的控制方法。但是这种方法的算法比较复杂，本文针对此问题，对这种方法进行了改进。采用此方法不需要考虑文献［1］中的不可控区段内的情况，因此简化了控制算法。

基于保持一个开关周期内流入或流出中点的电荷守恒的思想来控制中点电位平衡。定义控制因子γ，通过检测直流母线电容电压大小和三相交流电流，计算出正负短矢量的时间控制因子γ，使每个开关周期内流入中点的总电荷为零，从而实现中点电位的准确控制。

不同时刻流入中点的电流可表示为

式中，Si为函数i（i＝a，b，c），Si＝1（输出为1），Si＝0（输出为0），Si＝-1（输出为-1）。

检测电容电压vdc1，vdc2，三相电流ia，ib，ic。标准的7段式SVPWM由4个矢量作用，每一矢量作用时对应中点的电流分别为i1，i2，i3，i4，并假设它们在各自的作用时间内保持大小不变，显然i1＝-i4。

在一个PWM控制周期Ts内，检测直流侧母线电容得：

则中点电荷为

当采用标准7段式SVPWM调制方式时，中点电荷变化量为

引入控制因子γ重新分配7段式作用时间：（1＋γ）T1／4，T2／2，T3／2，（1-γ）T1／2，T3／2，T2／2，（1＋γ）T1／4，电荷变化量为

根据式（4）、式（6）、式（7）得：

实际控制因子受到幅值的限制，须满足-1＜γ＜1。

根据上述算法计算出36个小区域的每个小区域的γ值，从而计算实际开关切换时间，得到开关周期内的波形。

5 仿真结果

本文采用 Matlab／Simulink进行计算机仿真。该仿真是在6kW三电平PWM整流器原型中进行查核，该型的其他主要参数为：交流侧相电压额定输入电压值Vi＝220V，额定输入频率fi＝50Hz，额定输出直流电压Vo＝600V，输入滤波电感Li＝7mH，等效输入线电阻Ri＝0.1Ω，直流电容Cdc＝2 200μF，开关频率fs＝5kHz。

图5为未加入中点电位控制的仿真结果波形图。由图5可知，NPC型三电平整流器的中点电位波动很大，会对系统产生影响，需要对它进行控制。

图5 未加入中点电位控制的波形Fig.5 Simulation waveforms not adoptingmid-point control strategy

图6为本文介绍的基于SVPWM中点电位控制策略的仿真波形图。由图6可知，采用这种方法，中点电位被控制在±2V之内，直流母线电压Udc稳定在600V，有很小的波动。

图6 基于SVPWM的中点电位控制的波形Fig.6 Simulation waveforms adopting mid-point control strategy based on SVPWM

图7为本文介绍的电荷守恒中点电位控制策略。由图7可知，采用这种方法后，直流侧中点电压被控制在±0.2V之内，直流母线电压稳定在600V，且几乎没有波动。

图7 电荷守恒中点电位控制波形Fig.7 Simulation waveforms adopting mid-point control strategy based on charge conservation

上述仿真条件是假设直流侧2个电容相等，实际情况下2个电容不可能完全相等。而且实际运行中还会发生各种异常情况，比如负载突增、电压阶跃等。因此本文做了采用电荷守恒控制策略时两电容不相等及在这种情况下突增负载和电压阶跃变化的仿真，仿真图如图8～图10所示。

图8 直流侧两个电容不相等的仿真波形Fig.8 Simulation wavesforms under the conditions when the DC capacitor is not equal

图9 在0.1s突增负载的仿真波形Fig.9 Conditions of increasing the load at the 0.1sof simulation wavesforms

图10 在0.1s电压由600V突变到650V的仿真波形Fig.10 Conditions of the voltage mutating from 600V to 650Vat 0.1sof simulation wavesforms

由仿真可以看出，采用基于SVPWM中点电位控制方法，整流器的中点电位得到了控制，而且这种方法降低了开关损耗；采用改进后的中点电位控制方法，当直流侧电容不相等时对系统几乎没有影响，而且，突增负载或电压发生阶跃变化，采用这种方法均能很好地控制住中点电位，同时直流母线电压几乎没有波动，系统的稳定性很好，并且这种方法的算法比较简单。

6 结论

本文介绍了目前NPC型三电平整流器的主电路结构。在此基础上，详细介绍了基于SVP-WM控制的中点电位控制策略，并提出了一种改进方法即基于电荷守恒的控制策略。基于SVPWM控制的中点电位控制策略是通过合理地选择正负短矢量来使中点电位趋于平衡。电荷守恒的控制策略是以保持一个采样周期内流入中点的电荷等于零为原则，通过控制正负短矢量的作用时间来控制中点电位。本文通过计算机仿真分析验证了中点电位控制方法的有效性。

［1］ 张晔，汤钰鹏，王文军.三电平逆变器空间矢量调制及中点电位平衡研究［J］.电气传动，2010，40（2）：33-36.

［2］ Busse Alfred，Holtz Joachim.Multiloop Control of a Unity Power Factor Fast Switching AC to DC Converter［C］∥IEEE Power Electronics Specialists Conference，PESC 1982 Record，1982：171-179.

［3］ Annette von Jouanne，Shaoan Dai，Haoran Zhang.A Simple Method for Balancing the DC-link Voltage of Three-level Inverters［C］∥2001IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference，2001（3）：1341-1345.

［4］ 张崇巍，苑春明，张兴，等.中点电位平衡的三电平逆变器SVPWM 简化算法及其实现［J］.电气传动，2008，38（11）：37-42.

［5］ 张艳莉，费万民，吕征宇，等.三电平逆变器SHEPWM方法及其应用研究［J］.电工技术学报，2004，19（1）：16-20.

［6］ 朱凌，刘涛，鲁志平，等.基于DSP的载波移相多电平PWM实现方法［J］.华北电力大学学报，2004，31（5）：21-25.

［7］ 侯轩.多电平变换器通用空间矢量PWM算法及应用研究［D］.北京：清华大学，2004.

［8］ 姜卫东，王群京，李争，等.中点电压偏移对SVM控制的三电平逆变器的影响及补偿措施［J］.电工技术学报，2006，21（9）：76-80.

［9］ 罗永杰，尹华杰，周艳青，等.三电平NPC逆变器中点电位平衡的软件算法［J］.电气传动，2008，38（5）：3-7.

［10］王晓晨.三相PWM整流器间接电流控制动态性能的改进［J］.电力电子技术，2007，41（10）：110-112.

［11］孟永庆，沈传文，刘正，等.基于零序电压注入的三电平中点钳位整流器中点电位控制方法的研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（10）：92-97.

［12］邹学渊，王京，张勇军，等.三电平电压型PWM整流器的SVPWM 算法研究［J］.电气传动，2010，40（6）：28-31.

［13］伍小杰，董瑶，周娟，等.三电平逆变器基于参考电压分解的SVPWM 算法［J］.系统仿真学报，2009，21（19）：6216-6220.

修改稿日期：2012-02-21

Research of the Three-level NPC Rectifier Neutral Point Voltage Control Method

TANG Li-na，NI Shuai，DAI Peng，XU Li-hua

（InformationandElectricalEngineeringInstitute，ChinaUniversityof MiningandTechnology，Xuzhou221008，Jiangsu，China）

In order to solve the neutral point voltage imbalance of the three-level rectifier，NPC three-level rectifier as an example，analyzed the midpoint potential imbalance on the basis of the introduction of the main circuit.The mid-point potential control based on the SVPWM control strategy was described，and try to make the midpoint potential tending to balance through the rational choice of the positive or negative short vector.A control strategy based on conservation of charge was presented.As a principle of maintaining the charge into the mid-point zero within a sampling period，the vector of the midpoint can be controlled by controlling the positive and negative role in the short time.Simulation results verify that the proposed control plot has a good balancing effect.

three-level NPC rectifier；space vector pulse width modulation；the control of neutral point voltage；charge conservation

TM461

A

唐丽娜（1988-），女，硕士研究生，Email：tanglina8＠163.com

2011-05-23