混合钳位式三电平逆变器新型调制策略研究

冯思硕　王金花　杨　欢　刘　稳（中国矿业大学信息与电气工程学院　徐州　221000）



混合钳位式三电平逆变器新型调制策略研究

冯思硕王金花杨欢刘稳
（中国矿业大学信息与电气工程学院徐州221000）

对高压、大功率混合钳位式三电平逆变器的结构、工作原理及相应的电压空间矢量进行了分析。并分析了4种电平状态下电流的流通路径，得到了开关状态切换应当遵循的原则。详细研究了电压空间矢量分别在能量馈出和馈入状态下对钳位电容电压和中点电位的影响特性，得出了相应的钳位电容电压平衡调制策略和空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略。仿真和实验证明了所提调制策略的正确性和有效性。

混合钳位中点电位钳位电容空间矢量脉宽调制

0　引言

三电平变流器［1］能有效解决功率开关器件耐压不足的问题，且输出波形更接近正弦波，在同样的开关频率下，相对于两电平变流器其谐波含量较低，但也存在中点电位波动问题和桥臂内侧功率开关器件关断过电压问题。电容钳位式三电平变流器每相桥臂上包括4个功率开关器件、4个与功率开关器件反并联的二极管和1个钳位电容。其控制灵活，易扩展，只需要一个独立的直流电源，但这种拓扑结构需要大量的悬浮电容，在运行过程中需要通过不同的开关组合对电容进行充放电控制来保证悬浮电容电压的平衡，控制起来非常复杂［2，3］。

本文对一种新型混合钳位式三电平逆变器进行了研究［4，5］，该拓扑结构是在传统的二极管钳位式三电平拓扑结构每个桥臂的串联钳位二极管上分别并联一个钳位电容，所加电容能够抑制关断过电压，并且通过充放电实现中点电位的自平衡控制。但其电压空间矢量增至64种，使其控制变得既灵活又复杂。文献［6］对这种混合钳位式逆变器的拓扑结构工作原理进行了详细分析，并给出通过交替使用对中点电位影响特性相反的小矢量实现对中点电位的平衡控制，但这种方法并未考虑零矢量、中矢量和大矢量中点电位的影响特性，控制效果一般。文献［7］采用混合钳位式双PWM三电平变频调速实现系统的四象限运行，对于中点电位的平衡控制采用检测6个钳位电容电压和2个直流侧电容电压差值的方法来实现冗余矢量的优化选择，但这种方法的控制精度受传感器参数的影响，而且冗余矢量优化选择过程也较复杂。文献［8］采用双PWM变流器拓扑结构，网侧变流器基于虚拟磁链定向控制实现单位功率因数并网控制，并通过仿真和实验进行验证，但控制策略并未考虑到钳位电容电压平衡的问题。鉴于以上文献均未给出钳位电容电压平衡调制策略，本文对混合钳位式三电平逆变器的结构原理、工作原理和电压空间矢量进行分析，并在此基础上针对逆变器的64种电压空间矢量对中点电位和钳位电容电压的影响特性进行了深入的分析，得出中点电位平衡调制策略；对钳位电容充放电过程进行分析，得出钳位电容电压平衡调制策略，并通过仿真验证了该调制策略的正确性。

1　混合钳位式三电平逆变器拓扑结构

混合钳位式三电平逆变器主电路拓扑结构如图1所示，每相桥臂均由4个功率开关器件Si1～Si4（i=a、b、c）、2个钳位二极管VDj1和VDj2（j=1、2、3）、1个钳位电容Cxi和4个反并联二极管构成，钳位二极管和钳位电容可为负载电流提供双向电流通路。

图1　混合钳位式三电平逆变器拓扑结构Fig.1　Topology structure of hybrid-clamped three-level inverter

混合钳位式三电平变流器拓扑结构［6］具有如下特点:①通过钳位电容和直流侧电容的动态充放电可减少直流侧中点电位的波动；②由于增加了钳位电容，每相桥臂可以输出4种开关状态，电压空间矢量增至64种，控制的灵活性增加，可实现更精确的控制。

2　混合钳位式三电平逆变器工作原理

混合钳位式三电平逆变器由于在每相桥臂上都增加了钳位电容，这使得桥臂内侧的两个功率开关器件不能同时导通，此时Si1和Si4互补，Si2和Si3互补（i= a、b、c）。电平状态和对应的功率开关器件通断情况与二极管钳位式三电平逆变器有所不同，以a相桥臂为例，混合钳位式三电平逆变器输出的电平状态和功率开关器件的动作情况如表1所示（初始状态下，钳位电容Cxi预充电至Udc/2）。

表1　混合钳位式三电平逆变器a相桥臂的开关状态Tab.1　Switching states of a-phase arm of hybrid-clamped three-level inverter

限于篇幅，下面以a相桥臂为例对混合钳位式三电平逆变器的A开关状态进行分析。当功率开关器件Sa2、Sa4导通，Sa1、Sa3关断时，定义这种开关状态为A态。在这种状态下，电流由直流侧电容C2经钳位二极管VD11和功率开关器件Sa2由直流侧流向负载，或通过Sa2的反并联二极管VD12、钳位电容Cxa和功率开关器件Sa4由负载流向直流侧，如图2b中实线箭头所示，此时相对于直流侧中性点输出电平为零。当钳位电容电压小于直流侧电容C2的电压时，将通过图2b中虚线所示通路C2-VD11-Cxa-Sa4进行充电；当钳位电容电压大于直流侧电容C2的电压时，钳位电容可通过功率开关器件Sa4的反并联二极管VD14、钳位电容Cxa和功率开关器件Sa2组成的回路放电，如图2b中虚线所示。在这种开关状态下，钳位电容可通过充放电过程实现自身电压的自动均衡。平衡；而当钳位电容电压升高时，钳位电容的放电回路却只有在两种零电平状态下才出现，因此如何满足放电条件才是钳位电容电压平衡控制的关键。假设系统处于能量由直流侧流向负载的馈出状态，以P电平状态为例进行分析。电流通过回路①由直流侧电源流向负载，当钳位电容偏低时可通过回路②充电，如图3a所示。由P电平状态可切换至A电平状态或B电平状态，若切换至B电平状态，则电流通路将由回路①切换至回路③，如图3b所示，此时对钳位电容仍是充电，无法放电；若切换至A电平状态，则电流通路由回路①切换至回路⑤，如图3c所示，此时钳位电容可通过如图3c所示回路④向负载放电。对于A电平状态或B电平状态切换至P电平状态的情况类似。因此，在能量馈出的状态下，P电平状态和A电平状态之间相互切换，可保证钳位电容的放电过程，从而保证钳位电容电压平衡。

图2　4种电平状态下电流路径Fig.2　Diagrams of current circuit of four level states

图3　开关状态P与A、B切换时，电流路径变化关系Fig.3　The current path transformation relationship between P switching state and A or B switching state

由上面的分析可知，4种电平状态下，当直流侧电容C1或C2的电压大于钳位电容电压时，直流侧电容C1或C2可通过对钳位电容充电来降低自身电压，减小中点电位的波动；而当钳位电容电压高于直流侧电容C1或C2的电压，且电平状态是A态或B态时，钳位电容则可通过向负载放电降低自身电压。因此，通过直流侧电容对钳位电容的充放电可实现中点电位的自动均衡控制，减少中点电位波动。

3　钳位电容电压平衡调制策略

若要实现钳位电容电压的平衡，使其保持在半母线电压附近波动，则需要对其充放电过程进行控制。当钳位电容电压低于直流侧上下母线电容电压时，在4种电平状态下均有充电回路来保证钳位电容电压的

通过上面的分析可知，在能量馈出的状态下，在一个采样周期内，电平状态的切换应遵循P↔A，B↔N的原则，才能保证钳位电容电压平衡。对于能量馈入状态时的情况可采用同样的方法分析，得出电平状态的切换应遵循P↔B，A↔N原则，才能保证钳位电容电压平衡。

4　混合钳位式三电平逆变器电压空间矢量对中点电位和钳位电容电压的影响

混合钳位式三电平逆变器可输出64种电压空间矢量，可用一个六边形来表示，如图4所示。

图4　混合钳位式三电平逆变器电压空间矢量分布Fig.4　Diagram of voltage space vector distribution of hybrid-clamped three-level inverter

图5　电压空间矢量PAA、AAP、APA电流回路Fig.5　Current circuit of voltage space vector PAA、AAP、APA

图6　电压空间矢量PPA、APP、PAP电流回路Fig.6　Current circuit of voltage space vector PPA、APP、PAP

1）电压空间矢量PAA、AAP、APA

电压空间矢量PAA、AAP、APA对应交流侧负载和直流侧电容之间的连接回路，如图5a～图5c所示。图5a对中点电位无影响，对两个A电平状态下的钳位电容充电；图5b使中点电位下降，对A电平状态下的钳位电容充电；图5c使中点电位下降，对钳位电容电压无影响。因此电压空间矢量PAA、AAP、APA在馈出状态时，可能对中点电位无影响，也可能使中点电位下降，其对中点电位的影响特性一般用O-表示；在馈入状态时使中点电位下降，其对中点电位的影响特性较强，用O--表示。

2）电压空间矢量PPA、APP、PAP

电压空间矢量PPA、APP、PAP对应交流侧负载和直流侧电容之间的连接回路，如图6a、图6b所示。图6a对中点电位无影响，会对A电平状态下的钳位电容充电；图6b使中点电位下降，对钳位电容无影响。因此电压空间矢量PPA、APP、PAP在馈出状态时，对中点电位无影响，其对中点电位的影响特性用O表示；在馈入状态时使中点电位下降，其对中点电位的影响特性较强，用O--表示。

由上面的分析可知，64种电压空间矢量对中点电位的影响特性可分为5类:①具有较强使中点电位上升的特性，用O++表示；②具有使中点电位上升的特性，用O+表示；③对中点电位无影响，用O表示；④具有较强使中点电位下降的特性，用O--表示；⑤具有使中点电位下降的特性，用O-表示。

5　混合钳位式三电平逆变器SVPWM优化调制算法

结合电压空间矢量对中点电位的影响特性和钳位电容电压平衡调制策略给出电压空间矢量优化选择调制算法。本文采用多电平变流器常用的对称“七段式”PWM分配方式［9-13］。混合钳位式三电平逆变器的电压空间矢量平面被分成36个扇区，在保证每次动作一个功率开关器件的情况下，在每个小扇区中合成目标参考电压都包括8种“七段式”电压空间矢量组合。这里给出在S=1，N=1～6，6个小扇区内合成目标参考电压所存在的48种“七段式”矢量组合，如表2所示。由于“七段式”矢量组合前后关于第四段对称，这里只给出前四段。

以合成图7所示的目标参考电压Vref为例来介绍电压空间矢量优化选择过程［14-19］。可以判定出参考电压矢量Vref落在S=1，N=1的区域，修正后的目标参考电压Vref1可由矢量V1、V2、V3共同作用合成。矢量V1、V2、V3所构成的“七段式”电压空间矢量组合如表2中S=1，N=1部分所示。如何从这8种“七段式”矢量组合中选择出既满足中点电位平衡，又满足钳位电容电压平衡的矢量组合成为关键。能量馈出和馈入状态下，电压空间矢量V1、V2、V3所构成的8种“七段式”电压空间矢量组合对中点电位的影响特性如表3所示。

表2　在S=1，N=1～6扇区内合成目标参考电压存在的“七段式”电压空间矢量组合Tab.2　Seven-segment voltage space vector synthesizing target reference voltage in the sector of S=1，N=1～6

图7　参考电压矢量合成Fig.7　The reference voltage vector composition

由表3可知在能量馈出状态下，2号、6号和1号“七段式”电压空间矢量组合使中点电位下降；3号、7号和4号“七段式”电压空间矢量组合使中点电位上升；5号和8号“七段式”电压空间矢量组合对中点电位的影响特性不确定；2号矢量组合使中点电位下降的特性强于1号和6号组合；3号、7号和4号矢量组合使中点电位上升的特性依次降低；而1号和6号矢量组合使中点电位下降特性的强度大于4号矢量组合使中点电位上升特性的强度。对中点电位影响特性确定的组合包括1、2、3、4、6和7号组合。在这6组电压空间矢量组合中，4号组合对中点电位的影响特性最小，故选择4号组合。在4号“七段式”电压空间矢量组合中，PBB矢量和ANN矢量对中点电位的影响特性相反，作用时间相等，对中点电位的影响特性可以相互抵消，只有PBN矢量使中点电位小幅度上升，而中点电位小幅度的波动可通过钳位电容和直流侧电容间的充放电过程调整回来。并且可以通过加入时间调节因子来进一步调节中点电位。

表3　能量馈出和馈入状态下，合成参考电压Vref1所存在的8种“七段式”电压空间矢量组合对中点电位影响特性Tab.3　Influence characteristic of the eight seven-segment voltage space vector combinations of synthesizing target reference voltage Vref1on the neutral-point potential when energy fe d out and fed in

根据中点电位平衡调制策略选择好电压空间矢量组合后，还需要根据钳位电容电压平衡调制策略进一步筛选。对于本文所选的4号电压空间矢量组合PBB→PBN→PNN→ANN→PNN→PBN→PBB，其三相的开关状态切换应遵循P↔A，B↔N的原则来满足钳位电容电压平衡控制。对于能量馈入状态可以采取类似的方法进行分析，此时应选择1号“七段式”电压空间矢量组合来合成目标参考电压，并且电平状态的切换应遵循P↔B，A↔N原则，才能保证钳位电容电压平衡。

6　仿真

应用Matlab/Simulink搭建仿真模型，为了比较混合钳位式三电平逆变器结构和二极管钳位式三电平逆变器结构控制效果的不同，也搭建了二极管钳位式三电平逆变器的仿真模型，同时也给出了传统调制策略下混合钳位式逆变器的对比仿真图。直流母线电压值为1 200 V；上下直流母线电容为2 700 μF；每相钳位电容值为900 μF；单相负载电阻值为5 Ω；单相负载电感值为1 mH；采样频率为 500 kHz，调制度为0.85。仿真结果如图8所示。

图8　混合钳位-二极管钳位式三电平逆变器仿真波形Fig.8　Simulation waveforms of hybrid-clamped and diode-clamped three-level inverter

由图8a～图8c和图8d～图8f的比较中可看出，混合钳位式三电平逆变器中点电位波动更小，本文所提调制策略控制中点电位的效果略优于传统调制策略，并且当直流侧电容电压不平衡时，本文所提调制策略下的混合钳位式逆变器具有更强的恢复中点电位平衡的能力。图8g为当电压空间矢量选择开关状态切换遵循P↔A，B↔N原则时的a相钳位电容电压波形，由图可见钳位电容电压波动较小，基本上稳定在半母线电压附近，波动在±1 V以内，钳位电容电压得到了很好的控制；图8h是当电压空间矢量选择电平状态的切换遵循P↔B，A↔N原则时的a相钳位电容电压波形，由图可见钳位电容会一直充电至直流母线电压，波动在-50 V左右，钳位电容电压并未得到很好的控制，由此也验证本文所提在能量馈出状态下钳位电容电压平衡调制策略的正确性；图8i为传统调制策略下a相钳位电容电压波形，波动范围在±4 V左右，证明了本文所提调制策略的优越性。逆变器工作在整流状态时的仿真波形如图9所示，由图可见，直流输出电压、直流侧电容电压、钳位电容电压均非常稳定，波动很小，系统具有很好的快速性和稳定性，证明了本文所提调制策略的正确性和有效性。

图9　混合钳位逆变器整流状态下的仿真波形Fig.9　Simulation waveforms of hybrid-clamped inverter when rectifying

7　实验

为进一步证明混合钳位式逆变器在抑制中点电位波动上的优越性，利用研究中心的实验平台分别测试了混合钳位式逆变器和二极管钳位式逆变器中点电位的波形，如图10所示，实验参数与仿真参数一致。图10a为二极管钳位式逆变器中点电位的波形，波动范围为±10 V左右；图10b为混合钳位式逆变器中点电位的波形，波动范围仅为±5 V左右。实验结果与仿真结果一致，证明了所提控制策略的有效性。

图10　混合钳位-二极管钳位式三电平逆变器中点电位波形Fig.10　Waveforms of the neutral-point potential of hybrid-clamped and diode-clamped three-level inverter

图11a中CH1为直流母线电压波形，CH2为有功电流给定值，CH3为有功电流反馈值，CH4为无功电流反馈值，直流母线电压稳定，有功电流反馈值和无功电流反馈值均能快速跟踪给定值，并且波动范围较小；图11b、图11c中CH1为相电压波形，CH2为相电流波形，可见电压电流波形保持了良好的正弦度，而且相位相同实现了单位功率因数控制，CH3为直流侧上母线电压波形，CH4为直流侧下母线电压波形，在中间时刻负载发生变化时，上下直流母线电压均可以快速稳定，并保持不变，使系统重新进入稳态，实现了逆变器的高动态性能控制。

图11　混合钳位式逆变器实验图Fig.11　Experimental waveforms of the hybrid-clamped inverter

8　结论

本文提出的混合钳位式三电平逆变器新型调制策略可有效抑制桥臂内侧功率开关器件的关断过电压和中点电位的波动，使得逆变器获得高效的动态性能，并提高了逆变器装置可靠性。仿真和实验验证了所提调制策略的正确性和有效性，并在风力发电等方面具有良好的工业应用前景。

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冯思硕男，1990年生，硕士研究生，研究方向为电力电子及电力传动、电磁兼容。

E-mail:693121406@qq.com（通信作者）

王金花女，1990年生，硕士研究生，研究方向为电力电子及电力传动、电磁兼容。

E-mail:332343833@qq.com

Research on a Novel Modulation Strategy of the Hybrid Clamped Three-Level Inverter

Feng SishuoWang JinhuaYang HuanLiu Wen
（College of Information and Electrical EngineeringChina University of Mining and Technology Xuzhou221000China）

The structure，working principle，and the corresponding space voltage vectors of high-voltage and high-power hybrid-clamped three-level inverters are analyzed.The switching principles of the switching states are obtained through the analysis of the current flow paths of the four level states.The influence characteristics of the space voltage vectors on the clamping capacitor voltage and the neutral-point potential under the states of energy fed out and fed in are analyzed in detail to obtain the balance modulation strategy of the clamping capacitor voltage and the space vector pulse width modulation（SVPWM）strategy.The correctness and effectiveness of the proposed modulation strategies are verified by the simulation and experiment.

Hybridclamp， neutral-pointpotential， clampingcapacitor， spacevectorpulse width modulation

TM464

国家自然科学基金（51307174）和中国矿业大学科研专项基金（20124255223）资助。

2015-03-29改稿日期 2015-05-24