T型三電平并網變流器的中點電壓不平衡控制分析

孟祥偉，李 征

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

在電力電子技術的飛速發展應用當中，已經越來越多的使用多電平電路，大容量高壓的電池儲能并網系統中，多電平比兩電平電路有顯著的優勢，三電平電路會越來越多的使用在儲能PCS中。當前，三電平電路已經被越來越多的投入到實際應用當中了，所以對它的研究是一個非常重要的課題。三電平變流器比傳統的兩電平變流器有很多的優點，比如較小的開關損耗，還有如果輸出電流滿足相同的諧波條件，在三相三電平變流器中，我們可以選用較小的濾波電感，這將在很大程度上減小空間和成本。

當前，在三電平變流器中，三相二極管箝位型有著很廣泛的應用，并且在某些場合可以達到很好的效果，但三相T型三電平[1]比三相二極管箝位型3電平變流器導通損耗更小，并且如果在大電流、低電壓和較低開關頻率的情況下，三相T型三電平變流器的效率會更高，損耗會更小，所以研究三相T型三電平電路有很大的實用價值。

中點電壓的不平衡，在T型三電平電路之中存在已久[2]，自出現以來國內外學者就紛紛進行研究。T型3電平變流器的固有問題是不平衡的上下兩端電容電壓，兩個串聯的電容對變流器的直流側進行分壓，所以產生了3個電平PON。如果上下兩端的電容電壓不同，將產生很大的問題，輕則對變流器的性能造成影響，更甚會損壞開關器件。中點電位不平衡的影響有：1）電容壽命會受長期不正常的電容電壓影響。2）產生不正常的輸出電壓電流波形和較大的諧波污染。3）在中點電壓出現不平衡時，三電平變流器在傳遞有功功率時將轉化為兩電平。4）功率開關管在某些管壓較大時使用壽命會大大減少，當不平衡嚴重時開關管可能會造成損壞，嚴重影響變流器的性能。

三電平變流器工作時，輸出電壓波形正常的要求是中點電壓平衡，變流器的安全運行也受中點電壓平衡影響，變流器的輸出波形質量也跟它有很大關系，所以在進行三電平變流器的控制研究時，重要課題之一就是研究如何控制中點電壓平衡。

1 產生原理

中點電壓不平衡的原因可以從兩個方面來說，一是中點電壓會在三電平變流器轉換能量時傳輸能量，這時串聯的上下兩個電容電壓分壓會產生不均衡，這是內因[3]；二是是電容的參數不可能一模一樣，電容電壓會在其容量值偏小時產生一定的波動，這時在其硬件上就會造成不平衡，這是外因。

但是，總的來說有以下幾點[4]：

1）中點電流的相位和大小同負載的功率因數和大小有著相當程度的聯系，這將會在一定程度上影響中點電壓。

2）中線電流可以由中、小矢量產生，中點電位也會由此產生偏移。

3）在輸出電壓影響的情況下，越大的輸出電壓就會有越大的調制比，越少的小矢量參與，我們就越難控制中點電位。

4）考慮到電容的工藝，不會有一模一樣的電容參數，這樣必然會產生中點電壓偏移。

5）電容容值不能太多的受成本和工藝的影響，中點電壓不平衡會隨容值的減小而變大。

不平衡的中點電壓會造成許多危害，例如在變流器中，一些功率開關管的電壓變大，能量轉換系統的可靠性減小；低次諧波會從變流器側輸出，這樣變流器輸出的效率將大大減小；直流側母線端的上下電容使用期限也會降低，因此在三電平電路中，為保障電路穩定運行，必須要解決中點電壓不平衡問題。

對于中點電位不平衡問題，我們只討論其內因，根據三相T型三電平變流器的工作原理，我們建立其開關模型[5]，如圖1所示。

圖1 等效開關模型Fig.1 Equivalent switching model

由電路原理知：

綜上得：

所以，在單相的情況下，當輸出是高電平時，sap為1，否則取0；saN當輸出為低電平時，為1，否則取0；當輸出是零電平時，sa0為 1，否則取 0；

可見中點電流的方向對中點電位的偏移方向可以造成直接的影響，i0在流出中點O時，上電容會被充電，這時Vdc2電壓會減小，Vdc1電壓會升高；i0在流入中點O時，下電容會被充電，這時Vdc1電壓會減小，Vdc2電壓會升高。

2 控制方法

針對前文討論的中點電壓不平衡的內因，將采用在原有的T型三電平并網變流器的調制策略中加入均壓算法[6]來解決這一問題。

具體策略如下：

在主電路當中，我們讓直流端上下電容電壓Vdc1和Vdc2的容量都為CD，如果產生ΔVo=Vdc1-Vdc2的直流電壓偏移，并且也是一個PWM周期，中點電流則必須滿足式（5）時，這時才會產生平衡的電容中點，輸出電流還有開關組合可以由中點電流產生，例如在C區（第Ⅲ大扇區）中，公式（6）即為中點電流。

已知ta1+ta2=ta。

在該開關周期里，小矢量的分配在C區中表達如下式（7）：

其中

負開關狀態組合（如0NN）的持續時間為ta2，正開關狀態組合（如P00）的作用時間為ta1。

這種中點電壓進行補償的開環策略，可以很好的控制中點電壓的不平衡，但有個前提條件，就是要準確的檢測直流母線上下電容的電壓、容量和各相電流等參數，有一定的難度。但使用閉環控制就可以較好的避過這個問題，因此對于Δt有：

這里取符號函數為sgn，比例常數為kp。

以此類推，我們也能得到在第Ⅲ扇區中Δt的值如表1，這樣我們也能通過線性變換和旋轉，把其他扇區變換到到第Ⅲ扇區，并通過表2來找到相應的電流，再由具體的小區域由表1替換相應的電流，以此來得到Δt。

表1 第Ⅲ扇區在閉環時Δt的值Fig.1 Δt values ofⅢ sector under closed loop

表2 選擇各扇區的輸出電流Tab.2 Selection of the output current of each sector

3 實驗結果

本文對T型三電平變流器的中點電位不平衡進行了研究和分析，為了驗證上述均壓算法的理論正確性和實際應用效果，我們設計了一套基于DSP的三相T型三電平功率轉換系統，這套系統額定100 kW，采用SVPWM調制算法，我們的芯片采用的是TI的TMS320F28335。實驗中采用的參數為：0.26 mH的濾波主電感取值，0.087 mH的隔離變壓器漏感，fs=10 kHz的開關頻率，380 V的網側線電壓有效值，650 V的直流側電壓。

當加入中點電壓平衡算法后，可以看到在充電30 kW時，圖2是T型三電平變流器運行時的波形。其中下側電容電壓值是Vdc2，上側電容電壓值是Vdc1，a相的交流電流是ia。因此我們可以得到，在充電30 kW下加入中點電位平衡算法后，T型三電平變流器工作時有著穩定的上下側電容電壓，并可以持續保持平衡。

圖2 上下電容電壓（有中點電壓不平衡控制）圖Fig.2 The upper and lower capacitors'voltage with the control of midpoint potential unbalanced

因為如果去掉中點電壓平衡控制算法后，直流端上下電容的電壓可能會不相等，隨著功率不斷升高會越來越危險，因此當不用中點電位平衡算法的時候，只能讓變流器工作在充電20 kW。

圖3是不用中點電壓平衡算法的時候，變流器工作在充電20 kW時的波形。其中下側電容電壓值是Vdc2，上側電容電壓值是Vdc1，a相的交流電流是ia。

圖3 上下電容電壓（充電20 kW時不加中點電壓不平衡控制）圖Fig.3 The upper and lower capacitors'voltage without the control of midpoint potential unbalanced under 20 kW charge state

綜上所述，在去掉中點電壓平衡算法的時候，讓變流器工作在充電20 kW，我們可以看到直流側上下電容的電壓出現了偏移，偏移會隨著功率的升高而越變越大。因此得出我們所用的中點電位平衡控制算法通過實驗的檢測是可行和有效的。

4 結 論

本文對T型三電平中點電壓不平衡的產生原理和控制方法進行了深入的研究和分析，然后為了解決固有的T型三電平中點電壓不平衡，設計了一種均壓算法，為了驗證該算法，設計了一套基于DSP的三相T型三電平并網變流器系統。實驗結果表明，加入中點電位平衡算法后，T型三電平變流器工作時有著穩定的上下側電容電壓，并可以持續保持平衡，因此文中提出的中點電位平衡算法是可行和正確的。

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