基于SVPWM的三电平逆变器中点电位控制方法研究

綦 慧，刘雨杰

（北京工业大学信息学部，北京100124）

基于SVPWM的三电平逆变器中点电位控制方法研究

綦 慧，刘雨杰

（北京工业大学信息学部，北京100124）

分析了二极管箝位型三电平逆变器主电路拓扑、SVPWM调制算法及中点电位不平衡的原因。介绍了一种通过时间因子调节正负小矢量作用时间的中点电位控制方法，该方法通过软件控制完成，不需要辅助的硬件电路，易于实现。在实验室环境下搭建了以永磁同步电机为负载的逆变器实验系统，实验验证了该方法的正确性和有效性。

三电平逆变器；SVPWM；正负小矢量

1 引言

近年来，随着中、高压大容量变频调速器在轧钢、造纸、铁路、煤炭以及船舶等领域的广泛应用，对多电平逆变器的研究已经成为电力电子技术的热点。二极管箝位式多电平逆变器是开发最早的一种多电平逆变器。这种逆变器的优点是主电路和控制电路比较简单，控制方式比较简单，便于双向功率流动的控制，功率因数控制也很方便。缺点是直流电容分压的均压比较复杂和困难［1］。当二极管箝位型三电平逆变器用于传递有功功率时，每个直流母线电容的充、放电时间不同，会造成它们的电压不平衡，从而导致输出电压畸变，甚至得不到期望的多电平输出。研究者们在中点电位不平衡问题上做了大量工作，提出了多种解决方案，主要是通过改进硬件电路和控制方法来实现。从改进硬件电路方面来看，其中包括利用独立直流电压源［2］，或者对每个电平采用电压调节器，但是这两种方法需要增加隔离变压器和开关器件［3］。文献［4］提出了一种用两个相同的多电平拓扑来分别构成整流器和逆变器的多电平驱动系统，这种系统可以实现直流母线电容的电压平衡，并且可用于四象限可逆运行的负载，然而这种方法的缺点是需要有两个有源变换器，增加了系统的成本。文献［5］提出了一种混合调制算法，在不同调制比时采用不同的控制方法实现对中点电位的控制，但没有对中点电位的稳态效果进行分析。本文在采用SVPWM调制技术与直接电流控制策略构建的三电平逆变器基础上，针对其中存在的逆变器中点电位不平衡问题，提出了一种新的三电平中点电位平衡控制方法，即通过控制电压空间基础小矢量的选择和作用时间来实现中点电位的平衡控制。

2 三电平逆变器拓扑结构

由图1中三相二极管箝位三电平逆变电路可知，它的每一相桥臂都有4个开关管、4个续流二极管和2个箝位二极管组成。三相三电平逆变器的每一相均可输出三种状态。以A相桥臂为例，桥臂由Sa1、Sa2、Sa3、Sa4等4个开关管组成，引入开关函数Si：

1，0，－1状态所对应的输出相电压为Udc／2、0、－Udc／2。Inp为中性点电流；ia、ib、ic为逆变器三相电流的瞬时值。三电平逆变器的主电路拓扑结构如图1所示。

图1 三电平逆变器的主电路

三电平逆变器的输出电压矢量为：

其中U为逆变器输出电压矢量，Ua、Ub和Uc分别为逆变器A、B和C相桥臂的输出电压。由开关函数Si的约束关系可以得到：

三电平逆变器的每一相可以输出三种状态，将三相的三种状态根据上式组合，则可以输出27种状态。根据电压幅值的大小，可以将矢量分为四类，即3个零矢量、12个小矢量、6个中矢量和6个大矢量。由它们的幅值和相位可得到三电平空间矢量分布图如图2所示。

图2 三电平空间矢量分布图

3 三电平逆变器中性点电位分析

3个零矢量对应的开关状态与中点电位无连接，对中点电位没有影响。6个大矢量对应的开关状态使三相输入和正负母线相连，与中点没有连接，不影响中点电位。6个中矢量对应的开关状态，其中点总是与某相电流相联系，且电流总是从交流输入流入中点，使得中点电位在一定程度上依赖于负载条件。中间矢量是造成中点电位不平衡的最重要的根源［6］。在三电平逆变器运行时，随着开关状态的变化，0点可能被连接到三相中任意一相，中性点电流inp也随之变化，其取值如表1所示。

表1 不同电压空间矢量作用下的中点电流inp

由三电平空间矢量的平面对称性，以图3所示的三角形区域为例对中性点电流inp进行分析。

当参考电压空间矢量Uref位于三角形区域的区域1时，根据伏秒平衡原理可得方程组：解上述方程组得：

图3 参考电压空间矢量区域分析

以占空比描述上述方程，将式两端同时除以TS，可得：

式中，ia＝Uref·e－jφ，TS远小于逆变器输出电压周期，故三相电流ia、ib、ic取值时均认为在TS内不变。K为一个采样周期TS之内对小矢量U1作用时间的分配因子，满足K∈［0，1］。同理可得出三角形区域内其余区域各矢量作用时间占空比及周期内中性点电流inp的表达式。由表1可知，零矢量和大矢量对中点电流没有影响，小矢量总是成对出现并且每个矢量产生同样的线电压，但它们对中点电位的影响刚好相反，所以可以通过调整正负小矢量的相对作用时间来实现对中点电位偏差的补偿。

4 中点电位控制方法

定义中点电压为ΔUdc＝Udc1–Udc2。正小矢量作用时，ΔUdc＝Udc1–Udc2＞0，中点电位降低；负小矢量作用时，ΔUdc＝Udc1–Udc2＜0，中点电位升高。

当ΔUdc＞0时，中点电位偏高，需要减小上电容的充电电流，也就是inp＜0，即减小正矢量的作用时间，增加负矢量的作用时间；相反ΔUdc＜0时，中点电位偏低，需要增加下电容的充电电流，也就是inp＞0，即增加正矢量的作用时间，减小负矢量的作用时间。

为了满足对小矢量的上述控制要求，本文引入了作用时间分配因子K，一般取0．25＜k＜0．75。通过与K相乘来改变小矢量的作用时间，可以实现对每个区域中小矢量的控制，从而实现对中点电流的控制。为避免在中点电位微小波动时，开关管切换过于频繁而造成开关损耗增加，在控制方法中引入了滞环因子h。当中点电位在一个极小的区间h内波动时，切断中点电位控制作用，从而抑制出现调节过度。正小矢量V1的作用时间T1＝k×t1，负小矢量V1的作用时间T4＝（1－k）×t1。

引入滞环因子h后的控制规律为：当－h≤ΔUdc≤h时，k取0．5；当ΔUdc＞h且此时首发小矢量中点电流的方向为流入，则k＞0．5，否则k＜0．5；当ΔUdc＜－h且此时首发小矢量中点电流的方向为流入，则k＜0．5，否则k＞0．5。将时间分配因子与小矢量作用时间相乘，得到矢量的作用时间。图4给出了采用滞环因子h控制方式下输出矢量作用时间的分配图，其中控制参数k由以上控制规律得出。

图4 矢量作用时间分配图

5 实验分析

为验证本文提出的算法的有效性，在实验室条件下，针对永磁同步电机做了实验研究。实验系统以TMS320F2812为主控芯片，选用三电平模块F3L50R06W1E3＿B11搭建三相功率电路，通过PWM来调制出需要的开关状态。永磁同步电机为380V、Y连接、额定功率3．5kW，直流母线电压为280V，母线电容C1、C2均为470 μF，SVPWM调制频率为5kHz。

系统采集了母线电容C1、C2的电压值，经计算得出了中点电位。图5为未加入中点平衡算法时的中点电位波形，图6为加入中点电位控制算法之后的中点电位波形，图7为未加入中点平衡算法时的永磁同步电机U、V相电流波形，图8为加入中点平衡算法之后的U、V相电流波形。

由图5和图6波形对比可知，系统没有中点平衡控制时中点电位存在8V左右的波动，且有－10V的电位偏移；加入中点平衡控制算法之后，中点电位得到明显改善，电压波动缩小为3．5V，中点电位偏移得到了控制。由图7和图8波形对比可知，加入中点电位控制算法后电流波形更加平稳，正弦度变好，控制效果更好。

图5 未加入中点平衡算法时的中点电位波形

图6 加入中点电位控制算法之后的中点电位波形

图7 未加入中点平衡算法时的永磁同步电机U、V相电流波形

图8 加入中点平衡算法之后的永磁同步电机U、V相电流波形

6 结束语

本文提出了一种基于时间分配因子的三电平逆变器中点平衡控制方法，有效抑制了中点电压的偏移。论文首先分析了二极管箝位型三电平逆变器系统的结构，继而得出中点不平衡的根本原因，随后在分析三电平SVPWM调制方法及各矢量对中点电流作用特点的基础上，选用小矢量作为中点平衡的控制对象。在小矢量的择优方法及作用时间调节方面，引入滞环因子进一步优化了小矢量的作用时间控制环。实验结果表明，该方法控制效果显著，能够使中点电位得到良好控制，且能够保持逆变器的作用效果，不会对系统造成干扰。

［1］刘凤君．多电平逆变器技术及其应用［M］．北京：机械工业出版社，2007．

［2］Menzies R W，Steimer P，Steinke J K．Five－level GTO inverters for large induction motor drives［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1994，30（4）：98－101．

［3］何湘宁，陈阿莲．多电平变换器的理论和应用技术［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［4］Peng F Z，Lai J S，Mckeever J，et al．A multilevel voltagesource converter system with balanced DC voltages［J］．IEEE Transactions，1995，（2）：1144－1150．

［5］周京华，贾 斌，章小卫，陈亚爱．混合式三电平中点电位平衡控制策略［J］．中国电机工程学报，2013，33（24）：82－91．

［6］窦真兰，程孟增，李素英，等．三电平NPC整流器控制及中点电位平衡控制技术［J］．电力自动化设备，2011，31（10）：32－37．

Research on neutral point potential control strategy of three level inverter based on SVPWM

QI Hui，LIU Yu－jie

（Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The main circuit topology of the diode clamped three level inverter，the SVPWM modulation algorithm and the reason of the neutral point potential unbalance are analyzed．Then a method for control of the neutral point potential by regulating the action time of the positive and negative small vectors with the time factor is proposed，which is completed by the software without the auxiliary hardware circuits and can be easily realized．Finally，under the laboratory circumstances，the experimental inverter system that takes the permanent magnetic synchronous motor as the load is built．The experimental results prove the correctness and effectiveness of this control method．

three level inverter；SVPWM；positive and negative small vector

TM464＋．22

A

1005—7277（2016）06—0001—04

綦慧（1971－），女，山东济宁人，博士，副教授，主要研究方向为电力电子与电气传动、自动控制系统等。

2016－11－15

刘雨杰（1990－），男，山东菏泽人，硕士，主要研究方向为电力电子与电气传动、新能源技术等。