基于VMV的三电平逆变器中点电位平衡控制研究

陈 淼，苏朝葵，彭 新，欧阳晖

应用研究

基于VMV的三电平逆变器中点电位平衡控制研究

陈 淼1，苏朝葵2，彭 新1，欧阳晖1

（1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064；2. 中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，深圳 518172）

本文从空间矢量和中点电流影响的角度分析了二极管箝位型三电平逆变器中点电位不平衡的原因，比较研究了两种中点电位平衡控制方法，并提出了一种基于虚拟中矢量的中点电位平衡控制方法,仿真和实验结果均证明这种方法的有效性。

三电平逆变器 空间矢量调制 中点电位控制 虚拟中矢量

0 引言

二极管箝位型三电平逆变器通过直流侧的串联的两个电容把母线电压均分成三个电平。因为箝位二极管的存在，使桥臂中点能输出三个电平，每个器件只承受一半的直流母线电压。这种拓扑具有输出电压谐波含量少，器件承受电压低等优点[1]。在高压大容量场合取得了越来越广泛的应用[2, 3]。

中点电位不平衡问题是二极管箝位型三电平逆变器的缺点。当中点电位不平衡时，会导致逆变器输出电压畸变产生低次谐波，开关器件承受电压过高，损坏开关器件，直流电容电压波动缩短电容使用寿命[4]。近年来学者提出多种中点平衡控制的方法。文献[5]通过在调制波中加入零序分量来实现中点平衡的控制。基于空间矢量调制的中点平衡策略主要滞环控制和平衡因子控制。矢量取舍法根据三相电流的方向和中点电压的正负来调节小矢量的相对作用时间，使中点电压恢复平衡。这种方法仅需要判断三相电流的方向，反馈量少，鲁棒性好。但是采用矢量取舍法时会出现中点电压的过补偿和欠补偿，中点电压中包含频率为开关频率一半的高频分量，且中点电压仍会以基波频率的三倍频波动，特别是当调制比高负载功率因数低时波动更加明显[6]。平衡因子控制[7]根据检测到的中点电压和中点电流，预估出合理的冗余小矢量作用时间分配比例，使中点电位达到平衡。当中点电位为零时，使本开关周期内中点电流能够抽走或注入一定的电荷，使中点电位恢复平衡，但是在高调制比和较低功率因数时补偿度依然不够，导致欠补偿，导致中点电位仍出现幅度较大的低频脉动。

图1 NPC型三电平逆变器电路结构图

本节研究了一种新型的基于虚拟中矢量调制的控制策略，能有效抑制由于中矢量引入的中点电荷不能被小矢量中点电荷完全抵消的问题，仿真和实验结果均表明该方案的优越性。

1 中点电压不平衡的原因

NPC型逆变器的中点电压由中点电流和直流电容决定[9]。中点电压的增大或减小由中点电流的方向决定的。规定流向负载为正方向，为正时，上侧电容充电，下侧电容放电，增大；为负时，上侧电容放电，下侧电容充电，减小。

图2 三电平基本矢量分布图

如图2，三电平空间矢量的基本矢量按矢量长度可以分为四种：零矢量（PPP，OOO，NNN）、小矢量（ONN/POO，PPO/OON，NON/OPO，OPP/NOO，NNO/OOP，POP/ONO）、中矢量（PON，OPN，NPO，NOP，ONP，PNO）和大矢量（PNN，PPN，NPN，NPP，NNP，PNP）。零矢量作用时直流母线电容并不向负载供应电流，中点电流为零，所以中点电压不会变化。6个大矢量工作时，负载电流只流过正负母线，两组串联电容的放电充电是同时进行的，所以中点电位也不会变化。

图3 小矢量ONN/POO与中点电流关系

图4 中矢量PON与中点电流关系

但当6个小矢量的12个开关状态和6个中矢量状态工作时，就存在中点电流，导致中点电位发生变化。图3是小矢量ONN和POO作用时的示意图。小矢量ONN下，中点电流等于A相电流，称其为正小矢量；小矢量POO下，中点电流等于B，C相电流互为之和，若负载无中线，则中点电流大小与A相电流相同，方向相反，故称其为负小矢量。有中点电流就说明两个串联电容有一个在充电，另一个在放电，必然造成中点电位不平衡。由于正负小矢量造成的中点电流方向相反，正负小矢量对中点电位的作用完全相反。图4以中矢量PON为例说明中矢量对中点电位的影响。中矢量作用时三相输出有且仅有一相与O点相连，中点电流即这一相的输出电流，会造成中点电位波动。

2 中点平衡控制方案比较

基于对中点电位不平衡根源的分析，国内外学者提出了不少中点电位平衡的控制方法。基于三电平空间矢量调制方法的中点平衡控制算法主要有滞环控制法，平衡因子法。

2.1 矢量取舍法

矢量取舍法通过检测中点电流方向和中点电位的正负对正负小矢量进行取舍，使中点电压向零恢复，实现对中点电位的控制。这种方法思路清晰简单，具有较强的鲁棒性，然而这种控制作用量不精确，中点电位会产生低频波动，在高调制比和负载功率因数较低时波动幅度较大。

当参考矢量仍位于图5中的位置，假设此时中点电流中的正向的A相和C相电流有利于中点平衡，即开关状态ONN，PPO有利于中点平衡，而开关矢量POO，OON不利于中点平衡，则舍去开关状态POO和OON。

图5 参考矢量位置

2.2 衡因子法

矢量取舍法对冗余小矢量采取整体取舍的做法，比较简便，但是调节作用有些粗略，因此中点电位虽然稳定，但是仍会有较大幅度的波动。平衡因子法通过采样中点电位和电流，计算分配小矢量的作用时间，来精确补偿中点电位的不平衡。

假设参考矢量位于第一扇区C区域，矢量ONN，PNN，PON，POO的作用时间分别为t1，t2，t3，t4。采用平衡因子法时，引入平衡因子k。

其中，-1

本次开关周期开始时中点电荷量为：

为了使中点能在本开关周期内达到平衡，k必须取合适的值，使Q+ΔQ=0。则可得：

3 基于虚拟中矢量的中点电位控制

基于虚拟中矢量的空间矢量调制方法为了避免在高调制比和低功率因数时中点电位波动过大，引入虚拟中矢量来限制中矢量的作用时间，以免单个开关周期内中矢量引入中点电流超出了小矢量的补偿能力。

在第一扇区，用正小矢量ONN，PPO和中矢量PON来合成虚拟中矢量来代替原来的中矢量。小矢量ONN引入的中点电流为ia，PON引入的电流为ib，PPO对应的中点电流为ic。若系统无中线，ia+ib+ic=0。虚拟中矢量引入的平均中点电流为：

因此虚拟中矢量完全不会引入中点电流，即不会造成中点电位波动。所以用这个中矢量来代替原来的中矢量，就能避免因为中矢量引入的中点电荷不能完全被小矢量的抵消而造成的中点电位波动。采用虚拟中矢量后，扇区内的小区间划分也随之改变，如图6，可以分为5个小区间。

4 仿真与实验结果

4.1 仿真结果

在Matlab/simulink建立NPC三电平逆变器的仿真模型，仿真参数如表1所示。

表1 NPC三电平逆变器仿真模型参数

由仿真结果可以看出，矢量取舍法能保持中点电位稳定，但存在三倍频脉动，峰峰值接近50 V，相对于60 V的直流母线电压很大，可见这种控制方案有很大的局限性。平衡因子法的控制效果明显好于前面两种方法，中点电位基本都在±6 V以内，但是中点电位低频脉动依然存在，波动幅度相对于60 V的直流母线电压仍然比较大，这是因为调整冗余小矢量的作用时间已经不足以补偿中点电位的变化。基于虚拟中矢量的空间矢量调制大大改善了中点电位控制效果，波动峰峰值小于1 V。

图7 三种控制方法下中点电位的波动情况

4.2 实验结果

为了验证以上分析特别是基于虚拟中矢量SVPWM抑制中点电位波动的有效性，搭建实验平台进行对比实验。实验平台由NPC型三电平逆变器主电路和dSPACE系统组成，逆变器的各项参数与仿真模型相同，见表1。实验平台控制部分用dSPACE系统实现。逆变器主电路选用英飞凌的IGBT模块BSM100GB1200N2K和IXYS的快恢复二极管DSEI2×61-12B。为了降低干扰对驱动信号的影响，驱动信号通过光纤发送。在驱动信号发生板4201FPGA开发板上加入过流保护，以利用FPGA响应速度快的优点实现直流母线过压及过流保护, 实验平台结构如图8。

图9是采用三种控制方法下的中点电位的波动情况，结果与理论分析和仿真结果相符。矢量取舍控制能保证中点电位的稳定，但是中点电位存在剧烈波动，这都是因为中矢量引入的中点电荷不能被精确的抵消，平衡因子法能在一定范围内实现对中矢量中点电流的精确补偿，但是在高调制比和低功率因数时，中矢量的中点电流超出了小矢量的补偿能力，仍然不能避免中点电位的大幅波动。基于虚拟中矢量的空间矢量调制方法，从根本上解决了中小矢量引入中点电流造成中点电位波动的问题，大幅抑制了中点电位的波动，波动峰峰值降低到不足4 V。

图8 NPC型三电平逆变器实验平台结构

图9 三种控制方法下中点电位的波动情况

5 结论

本文首先分析了NPC型三电平逆变器中点电位不平衡的原因，明确了各个矢量对中点电位的影响。比较了常见的控制策略，从中点电位稳定性和中点电位低频脉动的角度进行分析，重点研究了基于虚拟中矢量调制的控制策略，仿真和实验结果均表明该方案有的有效性。

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Study on neutral point potential balance control of three-level inverter based on virtual medium-vector

Chen Miao1, Su Zhaokui2, Peng Xin1, Ouyang Hui1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064；2. State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment, China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518172)

TM464

A

1003-4862（2022）12-0042-04

2011-11-26

陈淼（1976-），女，高级工程师。从事舰船电力系统试验和研究。E-mail: wh4001@163.com