多电平变换器中性点电压平衡控制的拓展型教学案例设计

叶 舒， 张 峰

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引 言

为了适应高压大功率应用场景，多电平变换器由两电平逐步向高电平等级发展。拓扑结构的不断创新，对变换器的调制及控制策略提出了更高的要求［1-3］。经过数10年的发展，多电平变换器技术已日趋成熟，但均衡功率开关电压应力、提高变换器的功率密度、减少电压电流的谐波失真以及抗电磁干扰等，依然是多电平变换器技术面临的重要课题［4-5］。嵌套式中点可控型（nested neutral-point piloted，NNPP）五电平变换器作为一种新型变换器拓扑结构，具有功率密度高、鲁棒性好、灵活性强等优点，在GE的中高压产品中得到了广泛应用［6］。由于该变换器的功率开关器件较多，调制策略灵活，过程中需要考虑直流侧电容和悬浮电容电压的平衡、纹波抑制以及减少谐波失真等问题，给变换器的调制及控制带来了一定的挑战，但同时也提供了优化和创新的空间，非常适合作为相关课程的实验教学案例，其目的是让学生更加深刻地理解所学知识，理论联系实际，综合提升学生的仿真和实验能力，培养工程实践能力和创新思维。

本实验教学以五电平NNPP变换器为例进行研究，从变换器的拓扑结构、运行原理和空间矢量脉宽调制（pulse width modulation，PWM）策略出发，介绍了多种直流侧中性点电压的平衡控制方法，基于Matlab/Simulink平台搭建系统仿真模型，并进行仿真结果分析和参数优化。合理规划知识点，由浅入深，从易到难，让学生在有限的课程时间内，将所学理论知识和实践结合，初步具备独立完成多电平变换器建模仿真的能力，同时激发学生的学习热情和创新精神，引导其主动思考，开拓思路，从现有的知识和方法出发，进一步提出优化策略和改进方案。

1 五电平NNPP变换器运行原理

1.1 五电平NNPP变换器拓扑结构

五电平NNPP变换器以三电平T型拓扑结构为基本模块进行嵌套组合，并通过悬浮电容进行电压钳位，其结构简单对称，减少了所需的功率开关器件数量，模块化的嵌套方式支持拓扑向高电平等级拓展，能够更好地适用于中高压及大功率场合［7］。变换器的单相拓扑结构如图1所示。

1.2 五电平NNPP变换器调制策略简述

电路的拓扑结构是多电平逆变器的基础，而每一种拓扑需要有与之相匹配的调制策略对变换器进行控制。目前，关于五电平NNPP变换器调制策略展开的研究较少。文献［8］中针对该变换器提出了一种基于空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM，SVPWM）的调制策略。SVPWM是常用的PWM调制策略之一，具有开关损耗小、计算简单、电压利用率高等优点。本节对五电平NNPP变换器的运行原理进行简要阐述，便于后续展开中性点电压平衡的分析。如图1所示，在单相12个绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）中，上、下桥臂中成对出现的IGBT控制策略完全一致，后文中为简化分析视其为一体。将变换器输出的5个电平等级记为2E、E、0、-E、-2E，其对应的开关组合用罗马数字Ⅴ～Ⅰ表示，如表1所示。其中，2E和-2E电平分别对应一种开关组合，E电平和-E电平分别对应2种开关组合，以字母A、B进行区分，0电平对应3种开关组合，以字母A、B、C进行区分。

表1 五电平对应的开关组合及开关状态

五电平等级对应的开关组合及电流通路分别如图2所示，设图中i＞0。

2 基于五电平NNPP变换器中性点电压平衡控制的教学案例研究

中性点电压平衡是保障多电平变换器安全稳定运行的关键技术之一。目前，基于PWM的中性点电压平衡策略主要包括虚拟空间矢量调节法、闭环控制调节法、零序电压注入法、优化开关序列调节法、时间调节因子法、辅助电路调节法等［9-14］。对于五电平NNPP变换器，由于其电平等级较高，且中性点电压平衡策略和悬浮电容电压控制策略相互影响、相互制约，增加了控制的难度，给学生的学习带来了一定的挑战，但同时也给学生掌握较为复杂的变换器控制方法提供了良好的平台。本文设计的教学案例选取了3种中性点电压平衡控制方法进行讲述，分别对变换器的稳态和暂态运行模式进行分析；对比3种方法的优缺点，明确方案设计的出发点，进行引导式教学，让学生从控制策略的基本原理出发，通过仿真实验，掌握五电平NNPP变换器中性点电压控制，进而能够将所学知识拓展到其他拓扑结构和电平等级的变换器中。

2.1 固定时间调节因子法

采用固定的时间调节因子λ是调节中性点电压的一种常用方法。该方法通过调整空间矢量图中冗余电压矢量的作用时间，改变流过中性点的电流，从而达到平衡电压的目的。该方法的优点是简单、直观、易于实施；缺点是不够灵活，无法根据电压的偏移程度选取最优占空比，过小的λ取值无法完全消除中性点电压偏移，而过大的λ容易形成谐波和窄脉冲。另外，λ的取值范围在0和1之间，对电压偏移的调节能力有限，在某些调制下，λ取极值也无法完全实现中性点的电压平衡。

2.2 自适应调节因子法

文献［7］中提出了一种自适应的时间调节因子法，根据不同扇区选择相应的开关组合，通过流过中性点的电荷量，以及中性点电压偏移的方向，实时计算调节因子λ，从而得到每段开关组合的作用时间。该方法解决了固定时间调节因子法存在的问题，可根据实际电路运行状况对中性点电压进行动态调整，算法的鲁棒性较好，控制灵活；缺点是计算复杂度较高，对电路参数获取的实时性要求较高，算法的延时会引入一定的计算误差。自适应调节因子法流程如图3所示。

2.3 动态段式切换法

文献［15］中提出了一种动态段式切换空间矢量脉宽调制策略，该策略根据采样电压在空间矢量图中所在的奇偶三角形的不同，动态地切换七段式和九段式调制策略，调制过程满足最近三角形原则，实现了开关组合的最优选择，不会增加额外的谐波和波形畸变。控制策略仅和空间基本矢量相关，降低了算法复杂度，与拓扑结构和电平等级耦合度低，算法易于实现且通用性好，可应用于其他结构和电平等级的变换器中，具备较好的工程应用价值。方法流程如图4所示。

3 基于Matlab/Simulink的系统仿真建模与分析

3.1 五电平NNPP变换器仿真建模

本案例分析采用Matlab/Simulink进行系统建模，搭建五电平NNPP变换器仿真模型。模块化系统示意图如图5所示。

变换器的参数设置如表2所示。

3.2 仿真实现与结果分析

当系统运行在稳态状态下，采用3种中性点电压平衡策略时的仿真波形如图6所示。其中，直流侧中性点电压偏移ΔUdc＝0.5×（Udcp-Udcn）。图6（a）显示了采用固定时间调节因子λ时，输出线电压Uab、相电压Uao、ΔUdc、Udcp和Udcn的波形，λ∈［0，1］。设ηUdc为触发调节因子的电压偏移值，η不可过小，否则会导致频繁调节，极大地增加开关损耗，工业上通常取η＝5%。本案例中，当ΔUdc＜ηUdc时，λ＝0；当ΔUdc＞ηUdc时，λ＝0.8。由仿真结果可知，因λ和η取值范围有限，采用固定时间调节因子时，直流侧电压难以完全平衡，直流侧电压偏移的程度严重依赖η的取值。图6（b）和（c）分别显示了采用自适应时间调节因子法和动态段式切换法的仿真波形，可见中性点电压均得到了较好的平衡。3种方法下，稳态下ΔUdc的峰峰值分别为0.48、0.57和0.38 V。采用自适应调节因子法的中性点电压纹波较大，电压的平衡以增加电压纹波为代价；采用动态段式切换法的中性点电压平衡和纹波抑制效果最佳。

当中性点电压受到干扰发生显著偏移，系统运行在非稳态状态下时，分别观察采用自适应调节因子法和动态段式切换法时的中性点电压平衡能力。由图7可见，两种策略都可以实现中性点电压的平衡。初始状态下，中性点电压偏移量约为12 V，采用自适应时间调节因子法时，电压平衡所需时间约为80 ms；采用动态段式切换法时，电压平衡所需时间约为42 ms，比自适应调节因子法节约了47.5 %的时间。

4 结 语

本教学案例通过对嵌套式中点可控型五电平变换器的中性点电压平衡问题展开讨论，简要介绍了变换器的拓扑结构和运行原理，分析了基于SVPWM的3种中性点电压平衡策略——固定的时间调节因子法、自适应调节因子法和动态段式切换法。搭建了系统仿真模型，从稳态下的中性点电压平衡效果，纹波抑制效果，以及非稳态下的电压平衡能力等方面对3种方法进行了对比。本教学课程以一种较复杂拓扑结构的变换器作为案例，生动地向学生演示了多电平变换器的建模方法、调制策略以及特定问题的解决思路，促使学生主动思考，帮助学生巩固和提升多电平变换器的理论知识、增强实践能力，培养学生的科学创新意识。