NPC三電平逆變器中點電位不平衡原因分析

張桂枝

(張家口職業技術學院，河北張家口 075051)

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NPC三電平逆變器中點電位不平衡原因分析

張桂枝

(張家口職業技術學院，河北張家口 075051)

中矢量和小矢量狀態下負載和兩電容之間有電流交換，是引起NPC三電平逆變器直流側電容中點電位不平衡的主要原因。中矢量引起的中點電流導致中點電位波動，小矢量引起的中點電流導致中點電位偏移。零矢量和大矢量狀態不會引起電容中點電位不平衡。

矢量；電位平衡；逆變器；電流

1 引言

NPC(中點箝位式)三電平逆變器比兩電平逆變器開關損耗小，輸出的電壓正弦度好，磁鏈軌跡更趨近于圓形，對電動機供電時電機的運行更平穩，調速性能更優越。但NPC三電平逆變器存有直流側電容中點電位不平衡的缺點，主要體現為兩個電容的分壓不均而且電壓偏差較大，中點電位不平衡將造成逆變器輸出電壓中低次諧波含量較大而使輸出電壓波形質量下降[1]。逆變器若長時間運行在電容中點電位不平衡的狀態下將會引起輸出電壓波形畸變[2]。在高壓大容量的系統中，由于負載電流很大，中點電位不平衡將導致壓降大的一個電容器及與電容器并聯的功率開關管因過壓而損壞。所以研究引起中點電位不平衡的原因是采取有效控制措施的必要前提。

2 NPC三電平逆變器的電路結構及空間矢量圖

NPC三電平逆變器的電路結構如圖1所示。

圖1中點箝位式三電平逆變器的電路結構

電壓空間矢量圖如圖2所示。

3 工作狀態引起中點電位不平衡的分析

根據負載與逆變器的連接形式不同，把27種開關狀態歸類劃分為十種不同的連接結構。如圖3所示。中點電流與開關狀態有著密切的關系，而中點電流的存在是引起中點電位不平衡的根本原因。下面就以不同開關狀態下對應的電壓空間矢量的大小為基準進行各個情況的分析：

(1)零矢量狀態(111、000、-1-1-1)，從開關狀態的等效電路可見，電容中點沒有電流流過，所以零矢量狀態下不會引起中點電位不平衡。如圖3中(a)、(b)、(c)所示。

(2)大矢量狀態(11-1、-111、1-11、-1-11、-11-1、1-1-1)，如圖3中(d)和(e)所示。可見負載直接與直流電壓的正負極相連，與中點O'沒有連接。所以在中點和直流電源的正負極之間未形成獨立的充放電回路，也就不會引起一側電容單獨充放電現象，因而該狀態也不會出現中點電位不平衡的情況。

(3)中矢量狀態(10-1、01-1、-110、-101、0-11、1-10)，如圖3中(f)所示。三相負載中總有一相與中點相連，這樣負載與兩個直流分壓電容C1和C2各構成一個充放電回路，當兩回路充放電不同步時，將會造成相串聯的兩個分壓電容的電位波動，從而引起中點電位的不平衡現象。

(4)小矢量狀態(110、101、011、100、010、001、00-1、0-10、-100、0-1-1、-10-1、-1-10)，如圖3中(g)、(h)、(i)、(j)所示。三相負載中有一相或兩相與中點相連，且負載只與直流側兩個相串聯電容中的一個電容組成充放電回路。當電容進行充放電時，因為總的直流電壓Udc是一定的，所以當一個電容上的電壓升高(下降)時,則另一個相串的電容上的電壓以相同數值下降 (升高)。

圖3不同狀態下負載與逆變器連接的等效電路

由分析可見，27個開關狀態中，只有小矢量和中矢量狀態下負載和兩電容之間有電流交換，會引起中點電位變化。而同一電壓空間矢量對應的兩個冗余小矢量對電容電壓的影響正好相反，所以可以通過合理控制小矢量對應的作用時間，來完成中點電位平衡控制的任務。

4 中點電流引起中點電位不平衡的分析

通過分析不同電壓矢量作用下負載與逆變器連接的等效電路只能判斷出電容中點電壓變化的大致情況，而要確定各電容電壓的升降還要看中點電流的流向。由于電容電流和電容電壓成微分關系，可以通過分析中點電流來得到中點電壓的情況。中點電流與中點電壓的關系及各參考方向如圖4所示。

根據電容電流與電壓的關系可列式：

設C1=C2=C，則根據KCL定律有：

可得：

由此可知，中點電流的大小與中點電壓的變化率成正比，當中點電壓u0增大時，中點電流i0灌入中點。反之，u0下降時，i0流出中點。即i0≠0時，u0變化，若i0=0時，u0不變。

由圖3的等效電路可見，在中矢量和小矢量作用時，中點電流實為三相電流中的一相電流。在圖4所示的中點電流的參考方向下，開關矢量狀態與對應的中點電流如表1所示。

表1開關矢量與對應的中點電流

注：三相負載電流iu、iv、iw的參考方向為電流灌入負載的方向

進一步把中、小矢量引起的中點電流對dq軸進行分解為有功電流和無功電流，發現無功電流是引起中點電位波動的主要因素，無功分量越大，則中點電位波動越明顯；有功分量是引起中點電位偏移的主要因素，有功分量越大，電位偏移越明顯[3]。中矢量引起的中點電流只導致中點的電位波動，中點電位偏移主要由小矢量作用引起。

5 引起中點電位不平衡的其他因素

除了串聯電容充放電引起中點不平衡外, 兩相串電容容量上的差異,將造成中點電位的固有偏移。電容值大小與電位平衡有密切關系，電容值越小，電位波動越嚴重，一般電容值盡可能取大，但慮及制造工藝和成本，電容值不能取得過大。中點電位不平衡還與輸出電壓幅值和基波頻率有關, 幅值越大，中點電位平衡控制越難, 基波頻率越高中點電位波動頻率也越高。而且負載的輕重也影響中點電位的平衡，負載相對越重，中點電流也就越大，電位波動也越大，引起的電位不平衡越嚴重[32]。

6 總結

由分析可見，在零矢量和大矢量狀態下不會引起中點電位不平衡，小矢量和中矢量狀態是引起中點電位不平衡的主要原因。中矢量引起的中點電流導致中點的電位波動，小矢量引起的中點電流導致中點的電位偏移。

[1]王長兵.空間矢量PWM的快速算法[J].佳木斯大學學報，2002，34 (10) ：54-58.

[2]章浩,謝運祥.基于滑模控制的三相高功率因數整流器[J].電氣應用，2008,27(10):82-86.

[3]楊超，謝維達，袁登科，等.一種新型的三電平逆變器拓撲結構研究[J].機電一體化，2009，(5)：74-77.

The Analysis of NPC Three Level Inverter Neutral Point Potential Unbalance

ZHANG Gui-zhi

(Zhangjiakou Vocational and Technical College, Zhangjiakou, Hebei 075051)

The current exchange which produces between the load and the two capacitors in the small state vector and vector state is a major cause of DC side capacitor of NPC three level inverter neutral point potential unbalance. Neutral point current causes the fluctuation of the neutral point potential, neutral point current small vector causes the neutral point potential shift. The zero vector and the large vector state does not cause the capacitance of neutral point potential unbalance.

vector; potential balance; inverter; current

2015-01-20

張桂枝(1973-)，女 ，河北宣化人，張家口職業技術學院電氣工程系講師，碩士。研究方向：電機電器控制、新能源發電。

TM464

A

1008-8156(2015)02-0067-03

修回日期：2015-03-21