基于時間補償的三電平逆變器中點電位平衡控制

畢長煜

（沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870）

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基于時間補償的三電平逆變器中點電位平衡控制

畢長煜

（沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870）

由于中點箝位式三電平逆變器（NPC）固有的電氣結構，中點電位平衡問題一直是NPC逆變器的固有問題，本文在深入探討逆變器中點不平衡的根本原因的基礎上。提出了一種基于時間補償的中點電位控制方法，其區別于傳統PI的控制策略，該方法就是對中點電位差進行分類，以實現在不同電位下，對小矢量開關時間實現不同參數補償，以到達中點電位的精確控制。通過Matlab/Simulink仿真證明了基于時間補償的中點電位調制方法的有效性。

中點箝位式；中點電位平衡；時間補償；直流母線電壓

多電平逆變器目前廣泛地應用于各種大功率工業設備，并且逐漸替代了兩電平逆變器，其中二極管箝位式三電平逆變器因其自身優勢已經廣泛應用，以其為例，其輸出相比于兩電平逆變器具有更低的電壓變化率，同時從整個逆變系統分析，它降低了系統的諧波畸變率（THD）。保證了系統的安全性[1]。圖1給出了經典的NPC逆變器拓撲結構圖，現在已廣泛地應用于可再生能源系統和中壓大功率設備中[2]。雖然NPC逆變器具有以上優點，但由于其拓撲結構的限制，中點電位不平衡的問題一直存在，其直流側上的母線電容降壓并非理想的二分之一[3]，因此如何控制逆變器中點電壓一直是三電平逆變器的研究熱點。

圖1　三電平中點箝位式逆變器拓撲結構

1　中點電位控制策略比較

通過研究發現造成中點電壓偏差通常有以下幾個原因：一是算法中本身性質的因素，二是在硬件上由于制造技術的誤差造成電容自身充放電的不平衡，同時開關器件特性的不一致也造成直流母線中點電位的不平衡[4]，因此想要根本解決該問題非常困難。目前解決電位問題主要從兩個方面入手：①仍從硬件方面入手，修改電路的拓撲結構或增加額外的硬件電路，但需要增加相應的電子器件，雖然有所改進，但高成本問題依然很難解決，所以一般情況下不予采用[5]；②從算法角度入手，分別是正弦脈寬調制（SPWM）和空間矢量調制（SVPWM）。當采用SPWM時，代表性策略是在給定的參考電壓中加入了零序電壓的控制方法，但該方法需知道電機電流的功率因數角，在動態過程中很難得到，同時該方案頗為復雜[6-7]。從SVPWM算法入手，具有代表性的是提出了一種預測控制算法，它需要綜合考慮一個小區間內各個開關順序，雖可以實現，但過于復雜的算法運算和對開關管的巨大損耗，使其在實際應用中不易實現[8]。

本文是在傳統的中點控制方法上提出了一種基于時間補償的中點電位控制策略，即通過對中點電位差值的劃分，確立在不同電位差時采用不同時間補償參數來分段補償，以達到的一種精確地中點電位控制，該方法無需復雜的算法要求及大量的開關管損耗，具有很強的實用性，并且利于用計算機數字方法實現。最后通過仿真驗證該方法的有效性。

2　基于時間補償的中點平衡控制

2.1中點電位分析

通過SVPWM算法可知，長矢量，中矢量，小矢量及零矢量對中點電位具有不同的影響，其中小矢量又被分為N型小矢量和P型小矢量，其中N型開關順序減小中點電位，P型序列則增加中點電位。因此，傳統中點平衡控制策略是是通過等量地改變小矢量的作用時間來控制電位平衡。表1給出了N、P兩種小矢量開關組合。

表1　小矢量開關狀態

2.2小矢量補償策略

傳統序列為7段式序列，為做到PWM脈沖的對稱情況，N、P型各自作用1/2的開關時間，具體的空間矢量圖如圖2所示，當參考矢量在第一大扇區第一小區時，7段式脈沖波形如圖3（a）可知。

圖2　三電平逆變器空間矢量圖

通過分析中點電壓可知，當電壓值反向增大時，此時需增大P型小矢量作用時間，增添負偏移時間，情況如圖3（b）所示。反之，當中點電壓大于零時，需要增大N型小矢量作用時間，此時，添加正偏移時間，具體如圖3（c）所示。因此，正確的時間補償參數Ttc的添加會影響中點電壓的平衡。

圖3　脈沖時間

2.3中點電壓控制策略

本文通過對中點電壓變化范圍進一步的精確劃分，來定義出更為精確地中點電壓范圍，設直流母線電壓處電容壓差為Vd，上電容的電壓為Vdc1，下電容的電壓為Vdc2，標準情況下的電壓定義為Vdnor，最大電位壓差為Vdmax，最小電位壓差為Vdmin。

定義時間補償參數Ttc，如果Ttc＞0，則表示為Ttc(+)，反之則表示為 Ttc(?)。經過優化后的開關時間如式（1）所示，同時還要判斷 Vd的正負情況，則每次判斷后的補償時間如式（2）所示。

在這里，Ttco為先前的時間補償值，ΔTtc為需要補償的參數變化量。

2.4最大時間補償參數設定

由于時間補償參數受負載電流，直流母排及中點電位等變量所致，因此，時間補償參數是不斷變化的。當|Vd||Vdmax|時，此刻需定義一個最大補償參數，由調制因數可計算出最大補償值，即

式中，Vref為參考電壓向量的模；Ttc-max為最大時間補償參數；Ts為采樣時間。

如果|Vdmin|＜|Vd|＜|Vdmax|，則Ttc=Tclock；

如果|Vdnor|＜|Vd|＜|Vdmin|，則Ttc=Tclock；

如果|Vd|＜|Vdnor|，那么Ttc=Ttco，ΔTtc=0。

在這里α∈(10～30)，β∈(1～3)。Tclock外部時鐘。當中點電位偏差較大時通過α 來改變小矢量導通時間，以快速逼近標準狀態。當電位偏差較小時通過β 來修正矢量開關，以降低誤差并期望達到所允許的中點電位變化幅度之內。若β 值過大，則無法準確地進行中點電位微調，反之如果α 值過小，那么在快速逼近時需花費較長的時間而不利于中點平衡快速調制，因此在定義時間倍數α，β 時需要綜合考慮其快速性和準確性。

2.5時間補償策略

由NPC母排結構可知，由于上下電容的存在，因此需分兩種情況分別討論。

當 Vdc1＞Vdc2時，設時間補償參數為 Ttc(?)，具體情況如下所示：

1）|Vd||Vdmax|：此時定義Ttc(?)為最大負補償

2）Vd0 VdoVd：Vdo為前一時刻采樣的中點壓差。那么補償參數Ttc(?)如下定義。

3）Vd0 VdoVd：此刻由于中點電位為負值，因此新的補償參數需在原有的基礎上進行相加。

4）Vd0 VdoVd：由于此時Vd大于Vdo，所以應該進行粗調，補償較大的時間參數。

5）|Vd||Vdnor|：此時Vd在所定義的標準范圍之內，中點電位平衡，無需進行補償，小矢量作用時間保持原有計算值，Ttc(?)保持不變。

當Vdc1Vdc2時，下電容電壓值大于上電容電壓值時，此時在原時間基礎上添加正補償參數Ttc(+)。

1）|Vd||Vdmax|：此時Ttc(+)為最大正補償

2）Vd0 VdoVd：此時在前開關時間上添加正補償參數來達到精確控制，則Ttc(+)定義為

3）Vd0 VdoVd：此刻由于中點電位大于零，因此，新時間補償參數該在原有的基礎上進行相減才能達到精確控制。

4）Vd0 VdoVd：此時由于Vdo大于Vd，所以應該經行粗調，補償較大的時間變量。

5）|Vd||Vdnor|：此時中點電位差在標準電位范圍內，中點電位平衡，那么時間補償參數為 0。開通時間保持不變。

除此之外，還需注意采樣周期的問題，如果控制周期過短，那么難以檢測因參數添加所引起的中點電壓的變化，反之若采樣周期過長那么需要花費大量的時間不斷控制，因為在這期間中點電位差時刻變化，芯片指令出現延遲，無法有效的控制電位。

因此，采樣時間的合理判定也應該考慮在內。

3　仿真分析

為了驗證中點控制算法的正確性，在 Matlab/ Simulink中搭建三電平逆變器仿真模型。仿真參數如下，直流母線電壓1140V。負載電阻R為10Ω，負載電感L為10mH，直流側電容均為1000μF，開關頻率15kHz，具體控制參數見表2。

表2　仿真參數

當中點電位不平衡時輸出波形圖如圖4所示。

圖4　無中點控制策略的中點電位

此時可以看到在沒有加入中點控制器時中點電壓壓差越來越大到最后會使電容損壞，造成逆變器不可逆轉的損壞。因此中點電位必須加以控制。通過三電平逆變器可知，逆變器所能承受的中點電壓范圍為直流母線電壓值的5%以內，本文采用直流母線為1140V的中高壓條件，則允許的電壓范圍波動為+57～?57V，通過此條件判斷改進后中點控制策略的可行性。圖5采用的是傳統PI控制策略，在傳統中點控制方案下，電壓的偏移量得到了有效控制，中點電位差范圍限制在+15～?15V，此時的中點電壓在允許范圍之內。已比較適用于工業生產，但還可以進一步的改進，來優化中點電位差。加入時間補償控制后的中點電位如圖 6所示。通過比較圖 5和圖6可以看到，經過時間補償后的中點壓差得到了一個有效地縮小，正負變化范圍縮小至?3～+3V，達到了時間補償參數的效果，很好地抑制中點電位的變化。

圖7給出了加入中點控制算法后逆變器輸出的線電壓波形，可看到逆變器三相負載輸出波形良好，可以代替傳統控制中點電位控制策略。

圖5　采用傳統PI控制的中點電壓波形

圖6　基于時間補償策略的中點電壓波形

圖7　負載線電壓

利用powergui模塊中的快速傅里葉變換（FFT）得到的電壓波形諧波，來驗證THD是否到達要求。從圖8和圖9可以看到在50Hz頻率下的線電壓和

圖8　線電壓諧波波譜

圖9　相電壓諧波波譜

相電壓諧波頻率分別是0.39%和20.82%，均小于傳統情況下的 69.8%和 41.0%，改善了逆變器輸出波形，減少了總諧波含量，保證了回饋電網的安全性。

4　結論

本文針對傳統的二極管箝位式三電平逆變器提出一種基于時間補償的中點控制策略。通過分析傳統的中點電位控制策略，在其開關開通時間上采用補償時間參數來優化傳統控制策略。并且，無需復雜的計算量，既減輕了計算機CPU的負擔同時又避免了因額外的硬件電路而增加成本，而且易于實現，在實際的工程運用中具有一定的價值。最后通過仿真分析可以驗證該方法的有效性。

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Neutral-Point Voltage Balancing Control for Three-Level Inverter based on a Time Compensation

Bi Changyu
(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

Because of neutral-point-clamped (NPC) three-level inverter inherent electrical structure, neutral-point Voltage Balancing issue has been an inherent problems in NPC inverter. This paper discusses deeply the root causes of imbalance the neutral-point of the inverter, offering a method based on the time compensation netutral point control method and differring from the PI control. The method is to classify the neutral-point, in order to achieve at different potentials for small vector switching time parameters to achieve different compensation, reaching precise control of the neutral-point control. Matlab/Simulink simulation results show the effectiveness of the neutral-point potential modulation based on the time compensation.

NPC; neutral-point voltage balancing; time compensation; DC bus capacitors

遼寧省高等學校優秀人次支持計劃資助（LR2013006）

遼寧省高等學校創新團隊項目（201334068）