NPC三电平逆变器中点电位不平衡原因分析

张桂枝

(张家口职业技术学院，河北张家口 075051)



NPC三电平逆变器中点电位不平衡原因分析

张桂枝

(张家口职业技术学院，河北张家口 075051)

中矢量和小矢量状态下负载和两电容之间有电流交换，是引起NPC三电平逆变器直流侧电容中点电位不平衡的主要原因。中矢量引起的中点电流导致中点电位波动，小矢量引起的中点电流导致中点电位偏移。零矢量和大矢量状态不会引起电容中点电位不平衡。

矢量；电位平衡；逆变器；电流

1 引言

NPC(中点箝位式)三电平逆变器比两电平逆变器开关损耗小，输出的电压正弦度好，磁链轨迹更趋近于圆形，对电动机供电时电机的运行更平稳，调速性能更优越。但NPC三电平逆变器存有直流侧电容中点电位不平衡的缺点，主要体现为两个电容的分压不均而且电压偏差较大，中点电位不平衡将造成逆变器输出电压中低次谐波含量较大而使输出电压波形质量下降[1]。逆变器若长时间运行在电容中点电位不平衡的状态下将会引起输出电压波形畸变[2]。在高压大容量的系统中，由于负载电流很大，中点电位不平衡将导致压降大的一个电容器及与电容器并联的功率开关管因过压而损坏。所以研究引起中点电位不平衡的原因是采取有效控制措施的必要前提。

2 NPC三电平逆变器的电路结构及空间矢量图

NPC三电平逆变器的电路结构如图1所示。

图1中点箝位式三电平逆变器的电路结构

电压空间矢量图如图2所示。

3 工作状态引起中点电位不平衡的分析

根据负载与逆变器的连接形式不同，把27种开关状态归类划分为十种不同的连接结构。如图3所示。中点电流与开关状态有着密切的关系，而中点电流的存在是引起中点电位不平衡的根本原因。下面就以不同开关状态下对应的电压空间矢量的大小为基准进行各个情况的分析：

(1)零矢量状态(111、000、-1-1-1)，从开关状态的等效电路可见，电容中点没有电流流过，所以零矢量状态下不会引起中点电位不平衡。如图3中(a)、(b)、(c)所示。

(2)大矢量状态(11-1、-111、1-11、-1-11、-11-1、1-1-1)，如图3中(d)和(e)所示。可见负载直接与直流电压的正负极相连，与中点O'没有连接。所以在中点和直流电源的正负极之间未形成独立的充放电回路，也就不会引起一侧电容单独充放电现象，因而该状态也不会出现中点电位不平衡的情况。

(3)中矢量状态(10-1、01-1、-110、-101、0-11、1-10)，如图3中(f)所示。三相负载中总有一相与中点相连，这样负载与两个直流分压电容C1和C2各构成一个充放电回路，当两回路充放电不同步时，将会造成相串联的两个分压电容的电位波动，从而引起中点电位的不平衡现象。

(4)小矢量状态(110、101、011、100、010、001、00-1、0-10、-100、0-1-1、-10-1、-1-10)，如图3中(g)、(h)、(i)、(j)所示。三相负载中有一相或两相与中点相连，且负载只与直流侧两个相串联电容中的一个电容组成充放电回路。当电容进行充放电时，因为总的直流电压Udc是一定的，所以当一个电容上的电压升高(下降)时,则另一个相串的电容上的电压以相同数值下降 (升高)。

图3不同状态下负载与逆变器连接的等效电路

由分析可见，27个开关状态中，只有小矢量和中矢量状态下负载和两电容之间有电流交换，会引起中点电位变化。而同一电压空间矢量对应的两个冗余小矢量对电容电压的影响正好相反，所以可以通过合理控制小矢量对应的作用时间，来完成中点电位平衡控制的任务。

4 中点电流引起中点电位不平衡的分析

通过分析不同电压矢量作用下负载与逆变器连接的等效电路只能判断出电容中点电压变化的大致情况，而要确定各电容电压的升降还要看中点电流的流向。由于电容电流和电容电压成微分关系，可以通过分析中点电流来得到中点电压的情况。中点电流与中点电压的关系及各参考方向如图4所示。

根据电容电流与电压的关系可列式：

设C1=C2=C，则根据KCL定律有：

可得：

由此可知，中点电流的大小与中点电压的变化率成正比，当中点电压u0增大时，中点电流i0灌入中点。反之，u0下降时，i0流出中点。即i0≠0时，u0变化，若i0=0时，u0不变。

由图3的等效电路可见，在中矢量和小矢量作用时，中点电流实为三相电流中的一相电流。在图4所示的中点电流的参考方向下，开关矢量状态与对应的中点电流如表1所示。

表1开关矢量与对应的中点电流

注：三相负载电流iu、iv、iw的参考方向为电流灌入负载的方向

进一步把中、小矢量引起的中点电流对dq轴进行分解为有功电流和无功电流，发现无功电流是引起中点电位波动的主要因素，无功分量越大，则中点电位波动越明显；有功分量是引起中点电位偏移的主要因素，有功分量越大，电位偏移越明显[3]。中矢量引起的中点电流只导致中点的电位波动，中点电位偏移主要由小矢量作用引起。

5 引起中点电位不平衡的其他因素

除了串联电容充放电引起中点不平衡外, 两相串电容容量上的差异,将造成中点电位的固有偏移。电容值大小与电位平衡有密切关系，电容值越小，电位波动越严重，一般电容值尽可能取大，但虑及制造工艺和成本，电容值不能取得过大。中点电位不平衡还与输出电压幅值和基波频率有关, 幅值越大，中点电位平衡控制越难, 基波频率越高中点电位波动频率也越高。而且负载的轻重也影响中点电位的平衡，负载相对越重，中点电流也就越大，电位波动也越大，引起的电位不平衡越严重[32]。

6 总结

由分析可见，在零矢量和大矢量状态下不会引起中点电位不平衡，小矢量和中矢量状态是引起中点电位不平衡的主要原因。中矢量引起的中点电流导致中点的电位波动，小矢量引起的中点电流导致中点的电位偏移。

[1]王长兵.空间矢量PWM的快速算法[J].佳木斯大学学报，2002，34 (10) ：54-58.

[2]章浩,谢运祥.基于滑模控制的三相高功率因数整流器[J].电气应用，2008,27(10):82-86.

[3]杨超，谢维达，袁登科，等.一种新型的三电平逆变器拓扑结构研究[J].机电一体化，2009，(5)：74-77.

The Analysis of NPC Three Level Inverter Neutral Point Potential Unbalance

ZHANG Gui-zhi

(Zhangjiakou Vocational and Technical College, Zhangjiakou, Hebei 075051)

The current exchange which produces between the load and the two capacitors in the small state vector and vector state is a major cause of DC side capacitor of NPC three level inverter neutral point potential unbalance. Neutral point current causes the fluctuation of the neutral point potential, neutral point current small vector causes the neutral point potential shift. The zero vector and the large vector state does not cause the capacitance of neutral point potential unbalance.

vector; potential balance; inverter; current

2015-01-20

张桂枝(1973-)，女 ，河北宣化人，张家口职业技术学院电气工程系讲师，硕士。研究方向：电机电器控制、新能源发电。

TM464

A

1008-8156(2015)02-0067-03

修回日期：2015-03-21