基于IHPWM的三电平VIENNA整流器中点电位平衡策略

申 兴，王久和

（北京信息科技大学自动化学院，北京 100101）

三电平VIENNA整流器具有功率因数高，输入电流总谐波畸变THD（total harmonic distortion）低，开关器件少，开关应力低等优点，因而被广泛应用于能量单向流动的中大功率场合[1]。中点电位波动是三电平变换器的固有问题，会增加注入电网电流的谐波分量，电压严重偏离时会导致开关器件以及直流侧电流承受过高电压而损坏。针对中点电位平衡问题，众多学者提出多种平衡控制策略。文献[2]分析了调制度和功率因数角对中点电位的影响，并给出了中点电流波动的数学模型；文献[3]阐述了非线性负载情况下，电流的奇次谐波会导致中点电位的低频波动，而偶次谐波会造成中点电位的偏移；基于空间矢量脉宽调制SVPWM的平衡策略，多使用最近三矢量NTV（nearest three vector）合成方法，该算法简单实用，有效降低开关频率，输出波形较好且受电磁干扰影响小[4]；但在较高调制度和较低的功率因数角时，会出现低频振荡，存在中点电位平衡的不可控区域[5]；文献[6]对中点电位的低频振荡进行分析，给出了抑制低频振荡的控制策略，但忽略了该算法对负载电流谐波的作用，使电流谐波畸变率上升；文献[7]提出的VSVPWM调制策略，是一种非最近三矢量non-NTV合成方法，能够在全范围内处理中点电压偏移问题，但存在开关次数较多，谐波特性较差的问题，且当直流侧电容存在容差时，仍然存在中点电位不平衡问题[8]。因此中点电位的平衡控制应是抑制电位波动，开关损失及输出电流THD的折衷[9]。

本文详细分析了传统SVPWM调制时中点电位的可控和不可控区域，提出了改进型混合调制策略。在可控区域内采用SVPWM调制策略；在不可控区域，利用合成虚拟中矢量的方法，削弱较高调制度时中矢量对中点电位的影响作用，保证在每个周期内中性点电流为0。由于保留了中矢量的作用，能够保证矢量的光滑过渡，不会导致输出电压畸变。

1 VIENNA整流器拓扑结构

VIENNA整流器拓扑结构如图1所示。图1中ua、ub和 uc为三相交流电压；ia、ib和 ic为三相交流电流；R、L为输入滤波电阻和电感；C1、C2为直流侧上、下电容；uC1、uC2分别为两电容上的电压；inp为中性点电流； uDC为直流母线端电压，uDC＝uC1＋uC2；ΔuDC为直流母线中点电位波动，ΔuDC＝uC1-uC2。SWi（i=a，b，c）为双向开关，由单可控管IGBT和二极管构成。SWi=1时，双向开关导通；SWi=0时，双向开关关断。在进行SVPWM调制时，定义其开关状态Si为

图1 VIENNA整流器拓扑Fig.1 Topology of VIENNA rectifier

根据拓扑结构的特点，不会出现ppp和nnn的情况，将开关状态转换到两相静止坐标系中可以产生25个电压空间矢量，如图2所示。

图2 三电平VIENNA整流器空间矢量Fig.2 Space vectors of three-level VIENNA rectifier

2 中点电位不可控区域分析

中性点电流对直流侧电容充放电，造成了两电容上电压的不平衡。不同的矢量作用对中性点电流的影响不同，通过分析可知，只有中矢量和小矢量会造成不为零的中性点电流[10]，如图3所示。

令inp（V）表示对应的空间矢量V所产生的中性点电流。若iM表示一个周期内中矢量产生的平均电流，则

式中，dM为一个周期内中矢量M的占空比。

图3 60°扇区矢量分析Fig.3 Vector analysis in 60°sectors

图4 平衡因子极限情况下的中性点电流Fig.4 Neutral-point current in the limiting case of balance factor

由于在一个60°扇区内有两组小矢量，且每组小矢量都含有极性相反的正、负小矢量。设f，k分别为两组矢量的分配因子，f，k∈（-1，+1）则

则可得一个周期内小矢量产生的平均电流为

因此，中性点电流可以表示为

考虑4种极限情况，当小矢量的分配因子为-1和+1时，可得到4种电流，分别为

由此可得到中性点电流的最大和最小值分别为

如果极限情况下的最大、最小电流在任何调制度和功率因数下均满足条件

那么，通过调节平衡因子，在一个开关周期内可使中性点电流完全被控制为0，而不影响中点电位的平衡，即中点电位平衡的可控区域。然而事实表明[11]，在高调制度和低功率因数情况下，中性点电流主要由中矢量产生，而仅靠分配冗余小矢量的方法不能完全抵消中矢量的影响。即使在极限情况也不能使中性点电流为0，即中点电位平衡的不可控区域。文献[11]给出了在调制度m=1、功率因数角为π/6时，中性点电流的最大和最小值情况，如图4所示。阴影区域是不满足式（8）条件的区域，即不可控区域。

3 混合调制策略

在可控性区域内时（满足式（8）条件），则中点电位完全可控，可根据传统SVPWM调制方法，分配冗余小矢量的作用时间，使中点电位达到平衡。以第1扇区为例说明。当参考向量Vref在图3位置时，根据最近三矢量合成原则，应选用VM、VL1、VS2来合成参考矢量。由于小矢量的冗余性，分配正负小矢量的作用时间，令

式中：t+为正小矢量作用时间；t-为负小矢量作用时间。基于电荷平衡控制方法[10]，可得平衡因子k为

重新分配矢量作用时间，可使中点电位达到平衡，即

此时开关序列为poo-pon-pnn-onn-pnn-pon-poo。

在不可控区域时（不满足式（8）条件），由于中矢量的作用，即使在冗余矢量的极限位置，还是无法将中性点电流控制为0，中点电位依旧有波动。这时采用VSVPWM策略，用小矢量和中矢量代替原来的中矢量，减小中矢量的作用，控制中性点电位的波动。以第1扇区为例分析，如图5所示。

图5中，VVM是合成的虚拟中矢量。为保证合成的虚拟矢量对中性点电流无影响，且保留中矢量的作用，选择中矢量 pon（ib）、小矢量 oon（ic）和 poo（ia）来合成虚拟矢量，即

图5 合成虚拟中矢量Fig.5 Synthesis of virtual medium-sized vector

由于ia+ib+ic=0，3个矢量作用时间相等，则每个采样周期内流入中点的电流始终为0。虚拟矢量位于扇区中心，将扇区划分为6个部分，在每个部分仍然根据伏秒平衡原理，可求各个矢量的作用时间，当参考矢量在图5位置时，合成矢量应为VVM、VS2、VL1，由于虚拟中矢量和长矢量不会对中性点电流造成影响，只有小矢量对中性点电流产生影响，则应平均分配正负小矢量的作用时间，使流入和流出中性点的电流相等，即

得到 TVM后将其平均分到 VS1p、VS2n、VM上，即

则此时的开关序列为ppo-poo-pon-pnn-onn-pnnpon-poo-ppo，与传统SVPWM七段式开关序列相比，VSVPWM为九段式开关序列，每个周期增加了2个开关状态，开关频率增加了1/3。但其可在不可控区域使中性点电位平衡，降低了低频脉动，达到性能要求。

4 仿真实验研究

为了验证本文提出的分段式中点电位平衡策略的可行性，用MATLAB/Simulink软件搭建仿真平台。仿真结构框图如图6所示，IHPWM算法流程如图7所示。仿真实验参数为：交流侧使用三相对称正弦电源，相电压有效值220 V，工频50 Hz；直流侧上下电容均为2 200 μF；负载选为阻感负载，电阻50 Ω，电感5 mH，调制频率为5 kHz。

图6 IHPWM仿真结构框图Fig.6 Block diagram of simulation model using IHPWM

图7 IHPWM模块工作流程Fig.7 Flow chart for the operation of IHPWM module

该混合调制策略，不影响VIENNA整流器的正常工作，交流侧a相电压、电流波形如图8所示，可见电压电流基本同相位，实现整流器的单位功率运行。由于采用VSVPWM策略，输出电压会有一定的谐波，但在可接受范围内，如图9所示。

图8 a相电压与电流波形Fig.8 Waveforms of voltage and current in phase a

为比较混合调制策略在抑制中点电位低频振荡的有效性，进行了对比实验。图10是未加中点平衡算法的中点电位波形。由图可见，中点电位波动严重，不能达到平衡效果，会对整个整流器装置产生严重的影响，甚至损坏器件。图11是采用传统SVPWM电荷平衡控制算法得到的中点电位波形，该方法可以快速使中点电位平衡，但是无法消除低频脉动。图12是混合调制策略平衡算法的中点电位，在保证中点电位平衡的同时，可以有效降低低频脉动。

图9 输出电压波形Fig.9 Waveform of output voltage

图10 未加中点平衡控制算法的中点电位波形Fig.10 Waveform of neutral-point voltage without using the neutral-point balance control algorithm

图11 传统SVPWM电荷平衡控制算法的中点电位波形Fig.11 Waveform of neutral-point voltage using traditional SVPWM balance control algorithm

图12 混合调制平衡算法的中点电位波形Fig.12 Waveform of neutral-point voltage using IHPWM balance algorithm

5 结语

本文针对三电平VIENNA整流器固有的中点电位不平衡问题，分析了中点电位的可控和不可控区域，提出了改进型的混合调制策略IHPWM。在可控区域采用传统SVPWM，在不可控区域采用VSVPWM，并进行了仿真研究。结果表明，该策略能快速有效地抑制中点电位的波动和低频振荡。

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