三电平ANPC变换器SVPWM优化控制方法

胡存刚，　胡军，　张云雷，　王群京，,3，　陈权

(1.安徽大学 电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601;2.安徽大学 工业节电与电能质量控制协同创新中心,安徽 合肥 230601；3.教育部电能质量工程研究中心，安徽 合肥 230601)



三电平ANPC变换器SVPWM优化控制方法

胡存刚1,2,3，胡军1，张云雷2，王群京1，2,3，陈权1,2,3

(1.安徽大学 电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601;2.安徽大学 工业节电与电能质量控制协同创新中心,安徽 合肥 230601；3.教育部电能质量工程研究中心，安徽 合肥 230601)

摘要:有源中点钳位型拓扑是一种能够克服传统的二极管钳位型和电容钳位型拓扑缺点的新型多电平拓扑。在对三电平有源中点钳位型变换器工作状态进行分析的基础上，对各开关管通态损耗和开关损耗进行了研究；提出一种空间矢量的优化控制算法,该算法在维持了空间矢量调制方法的直流电压利用率高及有效控制中点电压平衡等优点的同时，有效控制了每相开关管的损耗分布平衡，防止了热量的过分堆积，并且降低了传统有源中点钳位变换器算法复杂度，减少对温度采样电路数量的要求；最后搭建了三电平有源中点钳位型变换器仿真和实验平台对控制策略的有效性进行了验证。

关键词:三电平变换器; 有源中点钳位; 损耗平衡; 空间矢量; 中点电压平衡

0引言

由于对器件耐压能力要求较低且输出波形质量好，三电平变换器广泛地使用于高压大容量场合。其中二极管钳位型三电平拓扑简单实用，控制成熟，是三电平变换器的主要使用形式[1]。然而，由于三电平变换器需要在高压大容量场合下长期稳定运行，需要研究散热问题来保证变换器工作的可靠性以及使用寿命。三电平变换器的发热主要来自开关器件工作中产生的损耗，对于二极管钳位型三电平变换器，开关器件的损耗分布是不平衡的，有些器件损耗高发热严重，而另一些器件损耗相对较低，因此影响了三电平变换器容量的提升和使用寿命[2-4]。

为了改善二极管钳位型三电平变换器损耗分布不平衡的问题，德国学者T. Bruckner提出了有源中点钳位型(active neutral point clamped，ANPC)三电平拓扑[5]，该拓扑使用可控的开关器件来代替钳位二极管，使三电平变换器输出零状态时有不同的电流通路，通过选择不同的电流通路可以使通态损耗与开关损耗分散在不同的开关管。合理安排这种冗余零状态的使用，可以使原本不平衡的损耗分布尽量平衡分布，为变换器的容量提升以及长期稳定运行提供了保证[6-13]。

传统的ANPC控制方法交替使用几种不同的冗余零状态，借此来防止使用同一种零状态造成的损耗堆积。但是这种方法并没有对损耗的大小以及分布进行具体分析，无法保证开关管的损耗可以确实地分散开来。为了做到损耗平衡，文献[7]对ANPC变换器的传统控制方法进行了改进，改进的ANPC控制方法使得变换器的损耗能够在各个开关管之间进行一定的平衡，但是需要对每相六个开关管的温度进行采集，而且对于每个输出状态都需要根据电压、电流和开关管之间的温度关系来判断下一个零状态的输出形式，算法较复杂而且占用了大量的系统资源。

本文基于空间矢量PWM(space vector PWM, SVPWM)，对三电平ANPC变换器的工作原理与工作状态进行研究，在控制中点电压平衡的基础上，分析了各个输出状态下各个开关管的通态损耗和在输出状态之间进行切换时产生的开关损耗的分布。根据SVPWM的工作特性，设定了两种不同的三电平ANPC变换器控制模式，并且在SVPWM每个周期根据采集得到的每相三个开关管的温度反馈进行一次判断，决定下一个周期三电平ANPC变换器应当采用何种控制方法。

论文提出的三电平ANPC变换器SVPWM优化算法，对温度采样电路的数量要求是传统改进型方法的一半，数量的降低也使判断方法更加简单易实现，而且由于每个周期只进行一次冗余零状态选择模式判断，对控制系统资源的要求也大大降低。最后通过仿真和实验验证了控制策略的有效性。

1三电平ANPC及其中点电压平衡

三电平ANPC电路拓扑结构如图1所示[5]。ANPC拓扑每相有三种输出状态，分别为P/O/N，P状态与N状态的电流通路情况与三电平中点钳位型拓扑相同。然而O状态时，电流流出与电流流入时对应的状态各增加一条电流通路。O状态时电流既可以通过上桥臂S2，S5流入或流出，也可以通过下桥臂S3，S6流入或流出。具体O状态时电流是通过上上桥臂还是下上桥臂是可以通过开关管的开通与关断控制的。这种O状态的冗余状态的加入为损耗在各个开关管之间的平衡提供了可能。因此，三电平ANPC变换器每相有6种开关状态，如表1所示。

图1　三电平ANPC变换器拓扑Fig.1　Three-level ANPC converter topology

开关状态S1S2S3S4S5S6相电压输出状态110001EP0100100OU10101100OU20010010OL11010010OL2001110-EN

中点电压的均衡问题一直是多电平变换器研究中的重点，若不能保证变换器长时间工作情况下的中点电压平衡，输出波形质量将受到严重影响，极端情况下甚至出现波形退变。为了保证优化控制算法的多电平变换器能够长期稳定地输出优质的波形，现对其中点电压平衡状况进行分析。

三电平变换器的空间矢量图如图2所示，其输出矢量主要可以分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量[9]。其中大矢量和零矢量不会造成中点电压的偏移，而不同的中矢量与小矢量会产生不同的中点电流，进而造成中点电压偏移。令采用三相三线制系统的三电平变换器的三相输出电流分别为ia(t)、ib(t)、ic(t)，以流出变换器为正方向，中矢量与小矢量产生的中点电流以及对中点电压的影响分别如表2和表3所示。

图2　三电平变换器的空间矢量图Fig.2　Three-level SVPWM space vectors diagram

中矢量iNP(t)ENP(t)PONib(t)升OPNia(t)升NPOic(t)升NOPib(t)升ONPia(t)升PNOic(t)升

其中，iNP(t)为矢量产生的中点电流，ENP(t)为矢量对中点电压的影响。

根据表3所示小矢量对中点电压的不同影响，将其进一步划分为正小矢量与负小矢量。当电流为正时，正小矢量使中点电压升高，负小矢量使中点电压降低。且正负小矢量总是成对出现，即某矢量位置重合的两个小矢量总是一个为正小矢量一个为负小矢量，且其产生的中点电流大小相等而方向相反。而中矢量则总是使中点电压升高，其产生的中点电流与最近的两个负小矢量有关。因此通过选择合适的正负小矢量控制中点电压的平衡，由于论文篇幅，在此不再赘述。

表3　小矢量对中点电压的影响

2三电平ANPC损耗平衡

如表1所示，在不同的开关状态与电流方向下，电流会流过两个开关器件并产生导通损耗。由于三电平变换器主要用于高压大功率应用场合，因此论文以IGBT为对象进行研究，IGBT模块主要由可控IGBT开关管VT和反并联二极管D组成,下面对其通态损耗和开关损耗计算公式进行论述[13]。

开关管通态损耗Pcond,T的计算公式为

(1)

其中：IT为流过开关管的电流；v0,T与rT为开关管在当前温度下的初始饱和压降与通态电阻。

二极管的通态损耗Pcond,D的计算公式为

(2)

其中：ID为流过二极管的电流；v0,D与rD为二极管在当前温度下的初始饱和压降与通态电阻。

开关管的开关损耗由开通损耗与关断损耗组成，计算公式为

(3)

其中：Asw,T、Bsw,T与Csw,T为开关损耗关于电流的二次拟合获得的参数；Uce为器件实际承受电压；T为器件实际温度；Ubase与Tbase分别为测试电压与测试温度；Dsw,T与ksw,T分别为电压修正系数与温度修正系数。

在一个开关周期内，开关管VT的平均开关损耗为

Psw,T=fsw，TEsw,T(IT)。

(4)

式中 fsw,T为IGBT开关管的开关频率。

因此开关管总损耗为

PT=Psw,T+Pcond,T。

(5)

二极管的开通损耗很小，主要的开关损耗为反向恢复损耗，计算公式为

(6)

其中：Arec,D、Brec,D与Crec,D为开关损耗关于电流的二次拟合获得的参数；Drec,D与krec,D分别为电压修正系数与温度修正系数。

在一个开关周期内，二极管的平均开关损耗为

Psw,D=fsw,DErec,D(ID)。

(7)

因此二极管的总损耗为

PD=Psw,D+Pcond,D。

(8)

IGBT模块中开关管和反并联快速恢复二极管一般都是集成封装的，因此，各开关器件Si(i=1,2，…，6)的总损耗为

PSi=PTi+PDi。

(9)

由于三电平ANPC拓扑上下桥臂完全对称，因此可以将三电平ANPC一相的六个开关管按照上下对称关系分为三组：第一组(S1，S4)，第二组(S2，S3)，第三组(S5，S6)。由表1可知在输出状态为P或N时，由于电流必定同时经过两个开关管或两个二极管，则在各管型号与温度相同的情况下，通态损耗是平均分布在第一组与第二组上的。而当输出状态为O时，通态损耗分布在第二组与第三组上，而且根据输出电流方向以及开关管开关状态的不同，可能第二组上的通态损耗较高，也可能第三组上的通态损耗较高，其输出电流方向与通态损耗的分布关系如表4所示。

表4　O状态通态损耗分布

可见对于通态损耗，ANPC拓扑只能对第二组与第三组上的损耗进行非常有限的分布调整。因此论文主要研究各个开关管的开关损耗分布，从而在一定程度上实现器件的损耗分布平衡。

当算法在不同输出状态之间进行切换时，造成的开关损耗分布如表5所示。

表5　切换输出状态时的开关损耗分布

由表5可知，当从P状态切换到OU1或OU2状态时，开关损耗集中在第一组与第三组开关管；P状态切换到OL2状态时，开关损耗集中在第二组开关管。当从N状态切换到OL1或OL2状态时，开关损耗集中在第一组与第三组开关管；N状态切换到OU2状态时，开关损耗集中在第二组开关管。当变换器在不同的开关状态之间进行切换时，各个开关管导通时两端电压接近零，而关断时两端电压大小为E，根据开关损耗的公式，在开关管温度稳定的情况下，主要影响开关损耗大小的还是流过开关管的电流。

3三电平ANPC变换器SVPWM优化控制

3.1控制策略

根据第2节分析可知，选择不同的冗余零状态对通态损耗在三组之间的分配影响较小，论文主要研究在SVPWM调制方法下开关损耗的分布实现三电平ANPC变换器的损耗分布平衡。

对于损耗在三组开关管组内的分布，假设在一个开关周期内各个开关管的温度处于稳定状态，且参考矢量在每个角度作用时间足够短，故可以忽略分解得到的基本矢量作用时电流的变化。令某时刻输出状态为PON，则180°相位之后，输出状态为NOP，且两个时刻电流大小相同方向相反。由于P状态与N状态、OU状态与OL状态之间开关损耗与通态损耗的上下桥臂分布关系，三组开关管的各个组内的两管损耗是平均分布的。图3中J矢量与K矢量为相位相差180°的两个参考矢量，对应的电流矢量分别为I_J与I_K，两个矢量转换到abc三相坐标系下即可得到a相电流。

图3　相位相差180°的矢量分布Fig.3　Space Vector andits 180° delayed vector

根据矢量分解图可知，A大区与F大区内，a相输出状态为P或O；B大区与E大区内，a相输出状态为P或O或N；C大区与D大区内，a相输出状态为N或O；即矢量图中-90°～90°范围内，A相只有P↔O切换，90°～270°范围内只有N↔O切换。由于b相与c相均与a相相差120°相位，故与a相分析相类似，只不过对应大区不同。

根据输出矢量各相状态特性，提出两种三电平ANPC变换器的冗余零矢量选择模式。不同模式的开关管损耗分布比重不同，但应当尽量平均。以下以a相冗余零状态选择模式为例进行研究。

模式一：

在A大区中，第二组开关管(S2，S3)一直会承受通态损耗，故选择冗余零矢量OU1来控制损耗平衡，使开关损耗集中在第一组(S1，S4)与第三组开关管(S5，S6)。由于D大区输出状态与A大区正好成180°对应关系，输出状态相反，电流大小相同方向相反，故D大区选择冗余零矢量OL1来对损耗进行平衡。与之相应的，在C大区使用冗余零矢量OL1，在F大区使用冗余零矢量OU1。

在B大区中，输出状态有三种，但与180°相位后的矢量即对应的E大区中的矢量的关系不变，故B大区中前30°中使用冗余零矢量OU1，后30°中使用冗余零矢量OL1；E大区与之相反，前30°中使用冗余零矢量OL1，后30°中使用冗余零矢量OU1。使用这种方式可以很大程度的把原本杂乱分布的损耗平均到各个开关管。在该模式下开关损耗集中于第一组与第三组开关管。具体损耗分布如表6所示。

表6　模式一下开关器件的损耗分布

模式二：

由于模式一开关损耗主要集中在第一组与第三组开关管，通态损耗主要集中在第二组开关管，故模式二需要将开关损耗集中到第二组开关管，通态损耗集中在第一组与第三组开关管，-90°～90°范围内，A相采用P↔OL2切换，90°～270°范围内采用N↔OU2切换，各大区对应的损耗分布状况如表7所示。

表7　模式二下开关器件的损耗分布

两种冗余零状态选择模式中，开关损耗集中的开关管有所不同，但在某个模式中，零状态的选择与当前输出矢量位置相关，故不需要进行过多的判断来决定下一个零状态的选择，减轻了系统负担和CPU的计算时间。而在每个SVPWM周期开始时，对每相的上半桥臂三个开关管S1,S2和S5的温度进行检测并反馈到控制单元，决定下一个SVPWM周期中冗余零状态的选择应当遵循模式一还是模式二。当第二组开关管损耗较高时，应当选用模式一尽量将开关损耗分布到第一组与第三组开关管；而当第二组开关管损耗较低时，则应当选用模式二。结温平衡控制框图如图4所示。

图4　结温平衡控制框图Fig.4　Diagramof junction temperature balancing control

3.2损耗计算

SVPWM本质上可近似等价于注入三次谐波的SPWM方法，这种方法也称为三次谐波注入PWM[8]。当功率因数角为φ时，三电平ANPC工作在阻感负载下调制电压与负载电流的相位关系如图5所示。

图5　PWM方法下调制电压与负载电流的相位关系Fig.5　　　　Phase relationship between modulation voltage　　　 and load current in PWM method

SVPWM方法下等效参考电压调制函数可以表示为

(10)

负载电流可表示为

iL(α)=IMcos(α-φ)。

(11)

由于上下桥臂完全对称，因此只需要分析上半桥臂工作时功率器件的损耗情况。

在模式一下：

工作于模式一时，上桥臂开关器件的损耗分布如表8所示。

表8　模式一上桥臂开关器件的损耗分布

根据以上分析，可总结出上半桥臂各功率器件的损耗计算表达式如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Psw,T2=0,

(17)

(18)

Prec,D2=0,

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

在模式二下：

工作于模式二时，上桥臂开关器件的损耗分布如表9所示。

表9　模式二上桥臂开关器件的损耗分布

根据以上分析，可总结出上半桥臂各功率器件的损耗计算表达式如下：

(24)

Psw,T1=0,

(25)

(26)

Prec,D1=0,

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

Psw,T5=0,

(33)

(34)

Prec,D5=0。

(35)

下桥臂开关器件与上桥臂开关器件对称工作，其损耗公式与以上对应的器件计算方法相似。

4仿真与实验

4.1仿真研究

为了验证上述方法的可行性，在Matlab/SIMULINK中搭建三电平ANPC变换器仿真模型进行验证，直流侧电压取3 600 V，开关管具体参数根据ABB公司5SNG 0250P330300数据手册等资料，三电平ANPC变换器输出的电能经过LC滤波后带阻感负载，电阻100 Ω，电感10 mH。采用SVPWM调制方法，输出频率为50 Hz，采样频率为1 800 Hz，调制度为0.9。论文研究了50个开关周期中功率器件的开关损耗情况。

当三电平ANPC变换器的冗余零状态一直使用模式一时，开关管与二极管损耗分布如图6所示。

图6　模式一下开关器件的损耗分布Fig.6　Loss Distribution under Mod1

其中，开关管VT1上总损耗为787.2 W，二极管1上的损耗为162.25 W，开关管VT2上损耗为349.9 W，二极管2上的损耗为172.3 W，开关管S5上损耗为353.7 W，二极管5上的损耗为218.67 W。可见，在模式一下损耗主要集中在第一组与第三组开关管，且第一组开关管损耗要比第三组大。

当三电平ANPC变换器的冗余零状态一直使用模式二时，三组开关管及二极管损耗分布如图7所示。

图7　模式二下开关器件的损耗分布Fig.7　Loss Distribution under Mod2

其中，开关管VT1上总损耗为252.92W，二极管1上的损耗为158.92 W，开关管VT2上损耗为747.2 W，二极管2上的损耗为400.3 W，开关管S5上损耗为441.7 W，二极管5上的损耗为8.373 W。可见，在模式二下损耗主要集中在第二组开关管。

根据温度反馈，采用论文的控制算法，在SVPWM周期开始时确定该周期冗余零状态选择模式情况下三组开关管及二极管的损耗分布如图8所示。

图8　温度反馈的平衡算法下开关器件的损耗分布Fig.8　Loss distribution under the optimized strategy

其中，开关管VT1上总损耗为601.5 W，二极管1上的损耗为162.27 W，开关管VT2上损耗为502.9 W，二极管2上的损耗为255.4 W，开关管S5上损耗为390.2 W，二极管5上的损耗为140.1 W。由此可见，与只用模式一或只用模式二相比，根据温度反馈切换三电平ANPC变换器的冗余零状态选择模式可以有效实现损耗在不同组开关管之间的分布平衡。而且根据上下桥臂的对称性，本算法也能保证损耗在组内开关管(即上下桥臂对应的两个开关管)之间的平均分配，进而保证了该相开关管间损耗的平衡分布。

4.2实验研究

为了进一步证实论文算法的有效性，在实验室搭建了基于TMS320F28335 DSP和EPM1270T144I5N CPLD为核心控制器的三电平ANPC实验平台。其中温度采集系统用来测量开关管结温，DSP用来进行采样和控制计算，将每相的实时输出状态及作用时间传输到CPLD中。而CPLD则通过接收DSP运算得到的结果而产生相应的PWM波，并且CPLD还用来进行I/O口扩展和死区保护，系统结构如图9所示。直流侧电压200 V，实验平台带100 Ω，10 mH的阻感负载。变换器采用SVPWM控制，输出频率为50 Hz，采样频率为1 800 Hz，调制度为0.9。线电压输出波形如图10所示，中点电压波形如图11所示，可见中点电压平衡得到了有效控制。

图9　系统结构图Fig.9　System structure diagram

图10　线电压实验波形Fig.10　Waveform of line voltage

图11　中点电压实验波形Fig.11　Neutral point voltage waveform

使用FLIR红外热成像仪对单相电路板温度进行成像，六个开关管温度分布如图12所示。

从图12可以看出，在使用本文算法控制的三电平ANPC变换器的开关管损耗主要集中在S1、S2、S3、S4即文中的第一组与第二组开关管，且损耗在这两组开关管中分布较为平均。第三组开关管S5、S6上损耗分布相对较小，主要原因为三电平ANPC变换器拓扑本身决定的不可平衡的损耗以及所用负载的阻抗角。

图12　单相实验板开关管热成像Fig.12　Thermal Imaging of one phase

实验结果表明，各器件的损耗分布及功率器件温度分布特性与仿真基本一致。实验验证了论文提出的控制策略在有效输出空间矢量调制波形和控制中点电压平衡的前提下，可以对三电平ANPC变换器开关管之间损耗分布进行有效平衡。

5结论

三电平ANPC变换器通过增加新的零状态电流通路，可以对变换器中开关管的损耗分布进行主动平衡而被越来越多的应用于各种场合。本文分析了三电平ANPC变换器的各种工作状态的通态损耗以及在各个工作状态之间进行切换时的开关损耗，在此基础上提出了一种基于空间矢量的优化控制策略。该控制策略在维持空间矢量的高直流电压利用率和中点电压平衡的基础上，对每相的开关管损耗分布进行了有效平衡，防止了热量的过分堆积，提高了系统的可靠性和使用寿命，并且降低了现有ANPC算法复杂度，减少了温度采样电路的数量和降低了CPU的性能要求。最后通过仿真和实验验证了论文算法的有效性。

参 考 文 献:

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(编辑：刘素菊)

Optimization control for three-level active neutral-point-clamped converter using SVPWM

HU Cun-gang1,2,3,HU Jun1，ZHANG Yun-lei2，WANG Qun-jing1，2,3,CHEN Quan1,2,3

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Anhui University, Hefei 230601,China;2.Collaborative Innovation Center of Industrial Energy-saving and Power Quality Control, Anhui University, Hefei 230601,China;3.Engineering Research Center of Power Quality, Ministry of Education, Hefei 230601,China)

Abstract:Three-level active neutral-point-clamped (ANPC) topology is a novel multi-level topology, which can overcome the disadvantages of diode clamped topology and capacitor clamped topology. The working state of the three-level ANPC converter was analyzed. The conduction loss and switching loss of devices were studied. An optimization control strategy using space vector pulse width modulation (SVPWM) was proposed to balance loss between different devices in a three-level ANPC converter. The optimized strategy can keep the advantage of SVPWM, and balance the neutral-point potential. Compared with traditional control strategy, the control strategy can reduce the complexity of the traditional ANPC converter algorithm and reduce the number of temperature sampling circuit. The simulation and experimental results are provided to verify the effectiveness of the proposed control strategy.

Keywords:three-level converter; active neutral-point-clamped; loss balancing; space vector; neutral-point potential balancing

收稿日期:2015-07-27

基金项目：国家自然科学基金(51307002)

作者简介：胡存刚(1978—)，男，博士，副教授，研究方向为多电平变换器、光伏发电和微电网；

通讯作者:胡存刚

DOI:10.15938/j.emc.2016.06.005

中图分类号:TM 464

文献标志码:A

文章编号:1007-449X(2016)06-0032-10

胡军(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为多电平变换器；

张云雷(1986—)，男，硕士，工程师，研究方向为新能源发电和微电网；

王群京(1960—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机及其控制、电能质量和新能源微电网；

陈权(1975—)，男，博士，副教授，研究方向为多电平变换器和电能质量。