基于模糊虚拟空间矢量调制的NPC三电平逆变器中点电位平衡的研究

刘永超，黄 勇，李 兴,黄 波

（西华大学电气与电子信息学院，成都610039）

NPC型三电平拓扑于1981年被提出，因其结构自身的优点而被广泛应用于中高压、大功率场合[1-3]。而NPC型三电平逆变器拓扑自身结构的特点，致使逆变器工作时会出现直流侧上、下分压电容电压不平衡，此情况导致中点电压偏移，给系统带来了如逆变器输出电压畸变、谐波含量大、严重时会退化为两电平等问题。中点电压偏移带来的一系列问题制约了三电平NPC型变换器的应用和发展。为此，该课题成了国内外学者研究的热点，并针对此问题提出了一些控制策略[4-7]。

文献[7]提出虚拟空间矢量调制策略，理论上该方法不会对中点电位产生影响，不会造成中点电压偏移，但在实际应用中，由于负载参数不对称、元器件参数不对称、开关延迟等原因会导致中点电压平衡控制效果不理想；同时，该方法没有中点电位平衡策略，当发生偏移时，并不能控制中点电压平衡。文献[8]在传统SVPWM调制算法基础上加入模糊控制的中点平衡策略，在一定程度上控制了中点电压平衡，但是当调制度较大时，分配给小矢量的时间小，冗余小矢量的调节能力变小，对中点电压的控制效果就不理想。文献[9-10]提出了一些混合调制策略，在空间矢量区间范围内，结合传统SVPWM算法和虚拟空间矢量法的优势，并添加时间分配因子控制中点电压偏移；相较于传统SVPWM算法和虚拟空间矢量算法，混合调制法能够控制中点电压偏移，但缺点是其算法复杂。

本文基于虚拟空间矢量算法不会对中点电位产生影响的优点，用模糊控制器灵活分配冗余小矢量的作用时间来控制中点电压偏移，使其在较小的范围内波动；在传统虚拟空间矢量调制算法基础上增加了分区，使各个区域内主小矢量更加明显。选择直流侧两个分压电容的电压差值和该差值变化率作为模糊控制器输入，根据输入的大小利用模糊控制规则分配各区域内主小矢量的作用时间，减小中点电压的波动。

1 NPC三电平逆变器拓扑结构

NPC三电平逆变器拓扑结构如图1所示，每相桥臂都有4个功率开关管，开关管的导通顺序决定了输出相电压的输出电平，如表1所示，表中P、O、N分别表示输出相电压3个电平幅值Udc/2、0、－Udc/2。

图1 三电平逆变器拓扑结构Fig.1 Topology of three-level inverter

表1 三电平逆变器输出电平与导通器件的关系Tab.1 Relationship between the output levels of threelevel inverter and conducted devices

2 基于虚拟空间矢量的改进调制算法

文献[6-7]分析了造成中点电压偏移的原因，详细介绍了虚拟空间矢量调制策略，其中小矢量和中矢量影响中点电位，小矢量对中点电位的影响可用相应的冗余矢量抵消，中矢量为不可控量。而零矢量和大矢量对中点电位无影响。虚拟空间矢量法是通过控制一个开关周期内，使流过中点的平均电流为零来实现控制中点电压平衡，但该法没有中点平衡策略，对中点电位控制效果不理想。

本文利用虚拟空间矢量算法的优点，减少中矢量的作用时间以降低中矢量对中点电位影响，根据中点电压偏差值通过模糊控制控制器产生的平衡因子,利用平衡因子分配冗余小矢量时间来克服中点电压平衡问题。第1扇区区域划分如图2所示，第1扇区分为8个小区，在每1个小区内根据小矢量靠近小区的距离分为1个主小矢量和一个副小矢量。副小矢量的时间平分给冗余正负小矢量，可抵消副小矢量对中点电压产生的影响；主小矢量参与控制中点电压，利用模糊平衡因子D分配主小矢量的时间控制中点电压平衡。虚拟中矢量V*可以分解为

两边同时乘以虚拟中矢量作用时间T*得

即虚拟中矢量的作用时间可以平分给2个小矢量和中矢量。此时一个开关周期内中矢量所分得时间为虚拟中矢量时间1/3，相较于传统SVPWM算法，中矢量的作用时间减小了，从而降低了中矢量对中点电压的影响。由于2个小矢量时间也分别增加了1/3T*，主小矢量所增加的时间与原有时间均参与中点电位控制，与传统SVPWM算法相比，该方法中参与调节的冗余小矢量的时间更大，增强了对中点电位的控制能力，能达到更好的控制效果。矢量输出顺序根据需要做调整，电压矢量的输出顺序和时间分配如图3所示。

图2 第1扇区区域划分Fig.2 Region division of Sector 1

图3 Uref在第1扇区电压矢量时序Fig.3 Timing diagram of for Urefvoltage vector in Sector 1

假设空间电压矢量Uref在第1扇区第 5小区中，根据最近三矢量原则可以得到合成Uref的3个矢量Vs1、VL1、V*和三矢量相应的作用时间t1、t2、t3[11]。由于Vs1距离第 5小区更近，在计算时间时它分到时间比Vs2大，它的调节控制能力强，因此Vs1是主小矢量，Vs2是副小矢量。在1个周期内，输出电压矢量排列顺序和时间分配如图3（e）所示。

3 模糊控制器的设计

以模糊数学为基础，模糊逻辑控制器的设计把专家对特定被控对象或过程的控制策略总结成一系列控制规则，通过这些规则实现对系统的控制。

在此系统中，选择直流侧上、下两电容电压的差值e和该差值的变化率ec作为模糊控制器的输入，经过模糊推理得到控制因子D（0.25＜D＜0.75）。由于中点电位与基本电压矢量的选取有关，基本电压矢量影响着中点电位。当VC1＞VC2时，中点电流流出，要想保证电压平衡须要加大中点电流的流入，即加大正小矢量作用时间；同理，当VC1＜VC2时，需加大负小矢量作用时间。正、负小矢量的作用时间大小由模糊控制器的输出控制因子D调节。

图4为模糊控制器结构组成。首先，设定变量的论域和模糊取值，分别设输入和输出变量论域为±5和±6,在相应的论域上定义{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}共7个模糊子集；其次，选取隶属函数，如图5所示，输入、输出变量均选取三角形曲线；最后，根据系统需求确定模糊控制规则，如表2所示。

图4 模糊控制器Fig.4 Fuzzy controller

表2 模糊推理规则Tab.2 Fuzzy inference rule

图5 模糊控制隶属函数曲线Fig.5 Curves of membership function of fuzzy control

为了使用模糊规则，需要将输入输出值量化至相应论域内，对偏差e和偏差的变化率ec分别用量化因子ke和kec量化，即

对应的输出控制因子D也要用比例因子ku量化至论域内，即

4 仿真结果

为了验证该方法对NPC三电平逆变器中点电位平衡控制的可行性和有效性，在Matlab/Simulink仿真环境下搭建仿真模型。

仿真参数设置如下：直流母线电压600 V，采样频率10 kHz，基波频率50 Hz，调制度0.9。分以下3种情况进行仿真。

三相平衡阻感负载：R=12.5 Ω，L=40 mH；分压电容C1=C2=2 000 μF；三相不对称阻感负载：Ra=6 Ω、La=10 mH；Rb=Rc=12.5 Ω、Lb=Lc=40 mH；分压电容，C1=C2=2 000 μF；三相平衡阻感负载：R=12.5 Ω，L=40 mH；不对称分压电容：C1=1 800 μF、C2=2 000 μF。

图6所示为使用同相载波SPWM调制策略得到的中点电压偏移的仿真波形。图7为虚拟空间矢量调制时中点电压偏移的仿真波形。图8为在传统空间矢量法基础上加模糊中点电位平衡控制后中点电压的仿真波形。图9为在虚拟空间矢量调制基础上加模糊中点平衡策略后中点电压偏移的仿真波形。由图6～图9可得，在不同情况下，同相载波SPWM调制时由于没有很好地考虑中点电压平衡问题，中点电压波动较大，发生了中点电压偏移；虚拟空间矢量法控制效果也不理想，也发生中点电压偏移；虽对中点电压无影响，但当负载参数不对称、元器件参数不对称、开关延迟等情况下会造成中点电压累积，同时该法没有中点平衡策略，不能有效主动地去减小电压偏移，偏移量会越来越大；加模糊中点平衡控制的两种方法能主动有效地抑制中点电压偏移，使电压偏移量控制在一定范围内。比较图8和图9，本文提出的基于虚拟空间矢量的模糊中点控制的控制效果明显更好，它能将中点电压偏移量控制在更小的范围内。

图6 同相载波SPWM控制时的仿真波形Fig.6 Simulation waveform under phase carrier SPWM control

图 7 虚拟空间矢量调制时的仿真波形Fig.7 Simulation waveform with virtual space vector modulation

图8 传统SVPWM加模糊控制仿真波形Fig.8 Simulation waveforms with traditional SVPWM under fuzzy control

图 9 虚拟空间矢量加模糊控制时的仿真波形Fig.9 Simulation waveform of virtual space vector under fuzzy control

5 结语

本文针对NPC型三电平逆变器中点电位偏移问题，分析验证了传统虚拟空间矢量法在元器件参数不对称、负载参数不对称和开关延迟等影响时，中点电位控制效果不理想的原因。在虚拟空间矢量法基础上加模糊中点平衡控制策略来控制中点电位平衡，结合两者的优势来控制中点电位，相较于传统虚拟空间矢量调制策略，在实际应用中，控制效果得到了很好的改善，不仅能够抑制对中点电压造成的影响，而且使中点电压波动控制在一个更小的范围内；相较于基于传统SVPWM法的模糊控制策略，能减小中点电压的波动范围，在调制度较高时，有较好的控制效果。仿真验证了该方法的正确性和可行性。

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