一种调控三电平NPC逆变器中点电压平衡的不对称PWM策略

李 锐，郑中祥，魏 华，吴浩伟，陈 涛

一种调控三电平NPC逆变器中点电压平衡的不对称PWM策略

李 锐1，郑中祥1，魏 华1，吴浩伟1，陈 涛1

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

三电平NPC中点电压不平衡会带来开关管电压应力增加、输出电压电流波形畸变等问题。本文通过建立NPC的受控源模型详细分析了中点电压不平衡对输出电压电流波形影响，在此基础上提出了一种新的不对称SPWM（ASPWM）方案。该方案根据中点电压的波动大小调整正负调制波的直流偏置和幅值，从而消除中点电压波动对输出电压电流的影响。最后通过RT-LABshi实时仿真试验验证了该方案的有效性。

三相三电平NPC 中点平衡 受控源模型 PWM策略

0 引言

多电平逆变器可以降低输出电压的谐波含量，减小开关器件的电压应力，其中三电平中点钳位型逆变器研究和应用最为广泛。但是中点电压不平衡会导致输出电压电流谐波含量增加，若电压波动程度剧烈或出现较大稳态偏差，会导致桥臂开关管电压应力增加，甚至使开关管过压损坏。

许多学者对中点不平衡的特性进行了相关理论分析。文献[1～5]阐明了影响中点电压波动的因素有调制比、功率因数、输出电流谐波以及负序电流等。针对中点电压不平衡问题，许多学者提出了相应的控制策略。文献[1]、[7～9]均是通过改进SVPWM来调控中点的平衡。文献[1]基本思想是充分利用冗余小矢量的对中点电压影响的对称特性，在每个调制周期内调节正负小矢量的时间分配，从而实现平衡。文献[7][8]利用冗余小矢量与中矢量合成新的虚拟矢量，保证虚拟矢量对中点电压不产生任何的影响，从而保持中点电压的平衡。文献[9]则是考虑到中矢量是造成中点电压波动的来源，因此完全采用冗余小矢量代替中矢量进行调制，保证中点电压的平衡。总的来说，SVPWM方案控制复杂，计算量大，并且加入平衡算法后都会导致开关频率增加以及开关频率处谐波含量增加。文献[3]、[10～15]均是通过改进PWM调制方式来解决中点不平衡的问题，均采用了零序电压注入的调制方案。通过在调制波中注入特定的零序电压使中点电流为零，解决中点电压波动。文献[13～15]都采用了双调制波SPWM调制方案，该方案基于虚拟矢量控制的思想，利用三相电流和为零的特点，设计了一种双调制信号的调制策略，保证在每个开关周期内中点电流平均值为零，但这种双调制波SPWM方案增加了开关频率。上述方案着重点都在于消除中点电压波动，没有关注中点电压波动对输出波形具体会产生怎样的影响，文献[16][17]则是从消除中点不平衡对输出电流电压波形影响的角度出发，对SVPWM调制策略进行改进，其基本思路是在构成空间矢量图时将中点的不平衡考虑进来，各种空间矢量是考虑实际实时的中点电压不平衡状态后的矢量，在此矢量图中再进行平衡调控，从而保证输出波形不受中点不平衡的影响。该方案的优点在于能够消除中点不平衡对输出波形的影响，并且具有调节平衡的能力，缺点是算法变的十分复杂，在每个调制周期内各个空间矢量大小方向需要根据不平衡情况计算。

本文首先建立了三相三电平NPC逆变器的受控源模型，该模型具有非常明确的物理意义，可以很直观的分析得出中点电压不平衡对输出电压和电流波形的影响。然后基于模型和分析，提出了一种正负调制波幅值不对称的一种调制方案，能够快速调节中点电压平衡，并能在中点电压不平衡情况下消除对输出波形的影响。

1 三相三电平NPC的受控源模型

图1所示为三电平NPC拓扑结构，对逆变器的建模方法有很多，但是基本原理都是基于冲量等效的原则，各种建模方法也各有利弊。为了从物理上更为直观的分析三相三电平NPC中点电压不平衡的问题，本文选用了一种将每相桥臂等效为受控源的建模方法[19]。将等效受控源建模方法应用到三相三电平NPC拓扑中，可以建立如图2所示的等效受控源电路模型。其中d和d（x表示a、b、c）的表达式与具体采用的调制方式有关。

图2所示模型中以输入直流母线中点为参考点，可以得到每相电压的表达式如式(1)所示，中点电流如式(2)所示。假设C1=C2=C，可以得到中点电压变化量Δ与中点电流的关系如式（3）所示。式(1)～(3)具有通用性，在不同调制方式下仅d和d的表达式不同。观察式(1)我们可以发现由于相电压表达式中含有关于Δ的项，中点电压不平衡会影响输出相电压波形。式(2)(3)显示了调制方式和输出电流对中点电压平衡的影响。

图1 三相三电平NPC逆变器拓扑结构

图2 三相三电平NPC逆变器受控源模型

2 中点电压不平衡对输出波形的影响

利用上一节建立的受控源模型分析常规SPWM策略下中点电压不平衡对输出波形的影响。式(1)是每相电压的表达式，当采用SPWM调制方式时，具体表示为式(4)。

根据图2所示等效模型可以推导出星形连接的负载端中点N到参考点o的电压表达式如(6)所示。式(6)可以看作是三个方程，联立这3个方程进一步可以得到N点电压和直流侧中点电压波动的关系，如式(7)所示：

3 零序电压注入式ASPWM方案

(13)

基于上述的思路，采用一种新的PWM方案，这种方案具体描述如下：

1）加入零序分量

2）幅值调整

按照上述方法改造后的调制波表达式如式(14)。

按照式(14)进行调制，当某个电容电压偏高时，非对称调制波V对应半波部分面积会加大，逆变器抽取电压偏高电容能量的时间增加，从而主动使中点电压恢复平衡。同时式(14)所示的V表达式总是满足V≤1，该调制方法对直流电压利用率没有任何损失。

采用这种调制后，最后得到的每相电压表达式为：

1）可动态实时调节中点电压，使中点电压迅速恢复平衡；

2）相比较传统零序电压注入方法，该方案不会造成直流电压利用率的下降；

3）相比较其他中点电位平衡算法，该方法可以保证即使中点电压持续存在不平衡，输出电压和电流不会产生更多的谐波；

4）该方案实现简单易于拓展，能方便的运用于各种多电平逆变器的直流电压平衡控制。

4 半实物实时仿真试验结果

为了验证ASPWM算法的有效性，基于实时仿真技术，在RT-LAB平台上对算法进行了验证。实验平台如图4所示，ASPWM算法在一块集成了DSP28335、AD7864的控制板上实现，并通过一个接口板与RT-LAB仿真机相连，在RT-LAB内建立有三电平逆变器的实时模型。

图4 实验平台

在RT-LAB中建立如图1所示的实时三电平逆变器模型，该模型具体参数如下：

表1 设备参数

4.1 中点电压不平衡对波形影响的试验

设置电容C1电压保持为500 V，电容C2电压保持为100 V，调制比为0.95，常规SPWM调制与ASPWM调制下输出电压波形以及THD分析如图5所示。

图5（a）所示波形分别是电容C1电压和输出线电压V，在波形前半段采用常规SPWM调制，后半段改为采用ASPWM调制，可以看到ASPWM调制下输出电压波形明显优于常规SPWM调制。常规SPWM调制下输出电压中出现了大量的2次、4次等偶次谐波分量，ASPWM调制方法则完全消除了不平衡对输出波形中谐波的影响。从图5（b）的THD分析结果中可以看到，常规PWM控制下2、4次等偶次谐波非常严重，其中2次谐波达到28.69%，4次谐波达到5.94%，整体THD达到了29.35%；而采用APWM算法后，偶次谐波基本被消除，整体THD降低到了1.34%。

4.2 中点电压不平衡控制效果试验

1）不平衡恢复的动态效果

在表1参数下进行实验对比，调制比为0.95，将电容1电压钳位为500 V，电容2电压钳位为100 V，在某一时刻放开电压钳位。两种调制方式下中点电压不平衡恢复的过程如图6所示，图中所示分别是电容1和2的电压。从图6中可以看到，两种算法最终都能实现中点电压平衡的恢复，而ASPWM算法由于主动根据电压不平衡进行调控，具有明显更快的恢复速度。ASPWM调制下恢复时间小于2 s，而常规SPWM调制方式恢复时间长达9 s。值得注意的是在ASPWM控制下，不平衡的整个动态过程中输出电压波形始终保持非常好的正弦输出。

图5 中性点电压偏移时输出电压波形

2）参数不对称时的不平衡控制效果

在表1参数下进行实验对比，调制比为0.95，将电容1并联350欧电阻，电容2并联250欧电阻，人为造成电路上的不对称。两种调制方式下中点电压平衡的控制效果如图7所示，在波形前半段采用常规SPWM调制，后半段切换为ASPWM调制，图中波形分别是电容1、2的电压以及两个电压的差值。可以看到，常规SPWM调制下电容1和2的电压差达到了40 V，而采用ASPWM方法后，电压差减小到了10 V左右。可以看到ASPWM具有更优的中点电压平衡控制效果，并且即使存在不平衡情况下仍能保持输出电压波形很好的正弦度。

图6 中性点电压动态恢复过程

图7 中性点电压平衡控制效果

5 结论

本文建立了三相三电平NPC逆变器的受控源模型，根据此模型详细分析了中点电压波动对输出波形的影响。基于上述分析提出了一种不对称SPWM方案，可以快速调节中点电压平衡，并且可以有效的消除中点电压不平衡对输出波形的影响。该调制方案具有以下优势：1）不会降低直流电压利用率；2）消除了中点电压不平衡对输出电压电流波形的影响；3）算法简单，没有提高变换器开关频率，可以简单扩展到更多电平的逆变器控制。最后基于RT-LAB平台的试验结果验证了该方案的有效性。

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Asymmetric PWM method to obtain balanced NP voltage in a three-level neutral-point-clamped converter

Li Rui1, Zheng Zhongxiang1, Wei Hua1,Wu Haowei1, Chen Tao1

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TM464

A

1003-4862(2022)08-0001-06

2022-02-10

海洋核动力平台技术、装备研制及示范应用（2017YFC0307800）

李锐（1987-），男，博士研究生。研究方向：船舶电力系统与装备。E-mail: learoylr@136.com