一种五电平ANPC变换器的调制技术研究

耿后来，李 星，曹 伟，徐清清，李 顺

（阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

多电平变换器能够实现更高电压等级和更大容量，且可以能降低系统谐波，功率器件所承受的电压应力小，相对能用低压开关管降低开关损耗等优点，在交流调速、光伏发电以及风力发电等系统中得到广泛应用。多电平逆变器的拓扑结构主要包括H桥级联拓扑、中点钳位拓扑以及飞跨电容拓扑。其中H桥级联型多电平变换器所用的功率器件较多，整机综合成本高，传统二极管箝位式变换器存在母线电容电压难以平衡的问题，控制较复杂，严重影响整个系统的可靠性[1-3]。

ABB推出一种五电平拓扑结构为有源中性点钳位（5L-ANPC）转换器，其将悬浮电容与中点钳位（Neutral Point Clamp，NPC）拓扑相结合，如图1（a）所示[3]。与传统拓扑结构相比，此类五电平拓扑的中点平衡控制更简单，输出的电平状态更加灵活，可靠性更高。为提高效率，文献[4]提出了一种新拓扑，如图1（b）所示。此拓扑能保证大电流时导通的开关管从3个降低为两个。然而，此拓扑效率虽然获得了提升，但是为了效率等，其在高压情况下开关管Q1和Q6的应力较大，尚待优化。针对上述问题，文献[5]提出了一种七电平的控制方式，然而其方案会降低转换器输出电流质量，电流畸变偏大。

图1 单相含悬浮电容的五电平逆变器

为了克服这些问题，本文基于图1（b）提出了一种新的调制策略来确定要选择的适当开关状态，即使在悬浮电容器电压存在不平衡时，也可以产生所需的输出电压。所提出的调制技术控制悬浮电容电压不必总是等于直流母线电压的1/4，在高压时使得逆变器处于七电平调制策，采用平均的概念，结合最近矢量调制和悬浮电容控制平衡方案控制输出电压占空比，高压时在保证器件应力的前提下保证逆变器输出电流质量。最后，在高压下通过MATLAB进行仿真，验证了所提调制策略的正确性与可行性。

1 ANPC五电平转换器工作原理

基于悬浮电容的五电平ANPC转换器如图1（b）所示，其输入侧由两个电容串联组成，每个电容的额定电压值为直流母线电压的一半，即Udc/2。此类拓扑结构要求每一相都有一个悬浮电容Cf，通常控制其电压应为直流母线电压的1/4，即Udc/4。基于悬浮电容Cf的五电平ANPC转换器由8个开关状态组成，根据电容器电压在输出端产生不同的电压电平，各个矢量的开关组合及电压输出如表1所示。

表1 五电平各个矢量及开关状态表

表中开关管Q7的驱动G7与开关管Q8的驱动G8互补，当驱动G7为0时，对应驱动G8为1，当驱动G7为1时，对应驱动G8为0；开关管Q1的驱动G2与Q4的驱动G5互补，开关管Q2的驱动G2与Q5的驱动G5互补，开关管Q3的驱动G3与开关管Q6的驱动G6互补，其驱动关系和G7/G8一样。表1为五电平各个矢量及开关状态表，其中开关管为“0”则表示其断开，开关管为“1”则表示其导通。对于正半周期，可推导出输出电平的计算公式为：

其中开关管Q5的驱动G5的状态为：

式中，Uo为调制波信号。

以直流母线重点N为参考点，则该电路桥臂输出电压UAN可以输出5个电平，分别为Udc/2、Udc/4、0、-Udc/4以及-Udc/2。某些开关状态在产生一定的输出电压电平时是冗余的，如V2和V3是冗余开关状态以生成Udc/4，类似地，(V6,V7)和(V4,V5)是分别生成-Udc/4和0的冗余状态。尽管冗余开关状态(V2,V3)和(V6,V7)产生相同的输出电压电平，但由于流过悬浮电容Cf的电流方向是变化的，它们对悬浮电容电压的影响彼此相反，故此相同电平提供了调节其两端电压的机会。例如，当输出参考电压介于Udc/4和Udc/2之间时，可以使用开关状态V2和V4或V3和V4。选择使用其中的一个(V2或V3)，主要目标是减少参考电压和实际悬浮电容电压之间的差异。为了调节悬浮电容电压，基于表1中矢量和输出电流对悬浮电容的影响，在选择开关状态V2或V3时必须考虑输出电流的极性。当输出电流的极性为正时，选择V2矢量则悬浮电容Cf会放电，因此，悬浮电容的电压会降低，而V3矢量的选择会导致悬浮电容的电压将增加。从上述的分析可推导出悬浮电容电压波动公式为：

通过上述分析可知，依据对应相的输出电流方向，为了达到控制悬浮电容电压的平衡，进而实现五电平输出的目的，需要在正或负半周期通过选择合适的矢量来进行状态切换。但是，考虑应力等问题，可以使用不同的控制技术和策略来确定悬浮电容电压的参考值。

2 基于悬浮电容的ANPC的调制技术

传统上，调制器只需要输出参考电压作为输入，假设悬浮电容Cf电压调节到Udc/4，可以利用5个不同的电压电平来生成所需的输出电压。但是，一般而言，必须考虑参考悬浮电容电压值，特别是输入电压为高压的时候，需要通过调制降低Q1和Q6的应力。

控制悬浮电压超过Udc/4，由于悬浮电容电压波动，V2和V3矢量的输出电平将不再相同，同理V6和V7矢量的输出电平将也不再相同，故可以使用7种不同的电压电平来生成所需的输出电压[5]。控制输出七电平，然而其使用的是七电平方案不是最近矢量调制，输出电压在过度点波动过大，进而导致输出电流THD偏大。故结合最近矢量调制和悬浮电容控制平衡的方案，提出一种基于平均的概念进行新的调制策略。

通常，每个采样时间Ts内输出电压UAN的平均值Uos可以表示为：

式中，UAN(t)是输出开关电压。

图2为参考电压波形，Uref位于两个电压电平Ux和Uy之间，结果输出电压跟踪基于式（4）的参考波形。

图2 采用变化的最近电压产生PWM用于跟踪参考电压

尽管悬浮电容两端存在电压波动，但假定采样时间Ts内电容器电压的变化很小，则其波动电压可以忽略不计，即图2中电压电平Ux和Uy的变化被忽略，Uref的表达式为：

通常，为了在特定的持续时间内从两个不同的电压电平Ux和Uy生成Uref，则占空比D为：

控制悬浮电压超过Udc/4，V2和V3矢量的输出的电平将不再相同，V2此时的桥臂电压为：

V3此时的桥臂电压为：

同理V6和V7矢量的输出电平将也不再相同，可以使用7种不同的电压电平来生成所需的输出电压。图3显示了悬浮电容电压超过正常额定值Udc/4的示意图，对应桥臂输出电压UAN将会出现7个电平。

图3 矢量状态及7个电平示意图

基于平均技术，实施平均方法以获得悬浮五电平逆变器中所需的输出电压。重点对图3中输出电压的虚线部分进行优化，需要利用两个最接近的适当电压电平来生成所需的输出电压，使得输出电压更为平滑，输出电流的THD也更好。

基于对悬浮电容电压的影响来确定适当电压电平选择的规则。例如，在某个时间，如果悬浮电容的实际电压不同于预设的参考电压，则必须通过使用表1选择适当的开关状态来对悬浮电容进行充电。在表1中，如果输出电流为正，电压电平(Udc/2-UCf)的选择会使悬浮电容Cf充电，如果为输出电流负，电压电平UCf的选择会使悬浮电容充电。因此，根据输出电流的iA的符号，需要选择电压电平(Udc/2-UCf)或电压电平UCf。

3 仿真及实验验证

3.1 仿真结果及分析

为了验证所提出新型调制策略在五电拓扑工作于高电压下的效果，本文基于MATLAB/Simulink软件搭建了仿真平台对其进行仿真研究。其中，直流输入电压设置较高，为1 400 V，输入侧的上下电容容量设置为2 400 μF，悬浮电容容值为250 μF，输出电抗为0.2 mH，开关频率为16 kHz。考虑Q1和Q6管应力，悬浮电容参考值超过Udc/4额定值，为430 V，输出直接并入电网，电网线电压为600 V，输出功率为100 kW。

图4为逆变器的桥臂输出电压UAN和输出电流iA的波形。从仿真波形可见，悬浮电容的电压在430 V附近，桥臂输出电压UAN有7个电平，其分别为700 V、430 V、270 V、0 V、-270 V、-430 V以及-700 V。理论上Q1和Q6管的平台应力降低到930 V，其对应图3虚线段内存在V2/V4、V3/V4和V1/V2、V1/V3矢量共同调制，进而使得输出的电压电平过度较为平稳，图5为输出电流的FFT分析，从分析结果来看，THD为2.76%，符合理论分析。

图4 桥臂输出电压和输出电流波形

图5 输出电流FFT波形

3.2 实验结果及分析

为了验证本文所提出的新型调制策略在五电拓扑工作于高电压下的效果，搭建了一试验平台，实验平台控制核心采用TI的DSP芯片TMS320F28374S加LATTICE的FPGA芯片，其中FPGA主要用于PWM信号扩展及逻辑电平处理，开关器件采用IGBT。实际实验的参数和上述仿真参数相同，直流输入电压为1 400 V，考虑Q1和Q6管应力，悬浮电容参考值超过Udc/4额定值，为430 V，开关频率为16 kHz。上下母线电容为2 400 μF的薄膜电容，悬浮电容为250 μF的薄膜电容，输出电抗为0.2 mH，输出直接并入电网，电网线电压为600 V，输出功率为100 kW。

图6为试验波形，其中通道1所示为桥臂输出电压UAN的波形，通道3所示为输出电流iA的波形。从试验波形可见,悬浮电容的电压在430 V附近，桥臂输出电压UAN有7个电平，分别为700 V、430 V、270 V、0 V、-270 V、-430 V以及-700 V，理论上的Q1和Q6管的平台应力降低到930 V，其对应图3虚线段内存在V2/V4,V3/V4和V1/V2,V1/V3矢量共同调制，进而使得输出的电压电平过度较为平稳，输出电流THD较低为2.92%，符合设计要求。实验结果表明，本文提出的调制策略符合设计要求。

图6 桥臂电压和输出电流的试验波形

4 结 论

本文针对含悬浮电容的五电平钳位逆变器的五电平的工作原理进行介绍，总结了悬浮电容电压的控制，介绍了现有悬浮电容控制方案，为提高高电压输入五电平输出电流质量，并保证开关管应力，提出了一种新的悬浮控制策略，以平均的概念获得悬浮五电平逆变器中所需的输出电压，使得五电平逆变器处于七电平调制策略运行。仿真及实验结果证明了本文提出控制策略的有效性。