I型NPC式三電平變流器中點電位平衡控制的研究與實現

綦 慧 盧昭禹

（北京工業大學控制科學與工程，北京 100124）

I型NPC式三電平變流器中點電位平衡控制的研究與實現

綦 慧 盧昭禹

（北京工業大學控制科學與工程，北京 100124）

隨著清潔能源技術應用領域的不斷擴大,對高壓輸/配電技術提出了更高要求。為此，I型二極管鉗位式（NPC）三電平變流器以輸出功率大、器件電壓應力低等特點逐漸進入了實用階段。本文中三電平變流器系統采用電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM），變流器電流控制采用旋轉坐標系下（dq）固定頻率的直接電流控制策略，并針對變流器中的中點電位平衡控制方法進行了詳細分析與設計。這種方法不僅不需要額外的硬件電路，而且大量的系統理論仿真實驗和樣機實驗結果充分驗證了該方法的可行性與優越性。

三電平變流器；電壓空間矢量調制；直接電流控制；中點電位平衡

清潔能源代替化石能源已成為能源發展的必然趨勢。隨著清潔能源開發技術的不斷突破，要保障大型清潔能源基地的集約開發和電力的可靠送出，適應大規模清潔能源安全并網，需要加快發展高壓輸變電[1]。三相三電平變流技術作為一種新興變流器技術，因其具有開關器件電壓應力低、對電網諧波污染小等優勢，已經在電力、能源特別是中高電壓輸變電領域獲得越來越多的關注[2]。I型二極管鉗位式三電平拓撲具有輸出諧波小、控制效率高的特點[3]，在三電平變流器領域中被廣泛應用。但是，當變流器運行電流流過直流側電容中點時，中點電位不平衡成為三電平變流器不可避免的問題。中點不平衡將會造成交流側電流畸變，嚴重時可能導致設備損壞，威脅到電網安全。

針對中點不平衡問題，文獻[4]提出了一種基于FPGA的混合控制策略，通過對冗余矢量的選擇來獲得優化的開關序列，實現對中點電位控制；文獻[5]分析了死區時間對中點電位的影響，由于死區的存在，不同電平對中點電容的充放電時間存在差異，從而導致中點電平失衡，采用直接控制死區時間的方法控制對中點沖放電的時間，最終達到中點控制的目的；文獻[6-7]提出了通過分析三相電流來處理中點不平衡的情況，最終都是通過調節小矢量作用時間的方法來控制中點電位。以上方法都有效抑制了中點電位的波動區間，但都沒有注意到中點電位在零附近整體振動的問題。

本文針對中點電壓控制整體偏移、振蕩的缺陷，基于SVPWM調制技術與直接電流控制策略的三電平變流器，分析了變流器中點電位波動以及整體偏移的根本原因，提出了一種新的三電平中點電位平衡控制方法。該方法基于三電平變流器直流側中點電壓反饋構成閉環控制，以控制電壓空間基礎小矢量的選擇和作用時間達到控制中點電位的目的。理論仿真和樣機實驗結果表明，該方法可以有效抑制中點電位的波動及在零點處整體的偏移振動。

1 三電平變流器中點電位分析

1.1 I型二極管鉗位式三電平變流器

I型NPC式三電平變流器的主電路如圖1所示。

圖1 I型NPC式三電平變流器的主電路

圖1中三電平變流器交流側接三相進線電感，功率開關部分為 I型三電平二極管鉗位式變流橋，直流側兩個電容Cd1和Cd2串接，三個極點分別為正（P）、零（O′）、負（N），Cd1、Cd2充電電流分別為 ic1、ic2，電壓為 Udc1、Udc2；中點電流iO′，直流電流idc；交流側電流ia、ib、ic，三相電流對稱，直流、交流電流正方向如圖 1所示。對直流側零點O′應用Kirchof電流定律，得到

其中

由文獻[8]知有如下電流關系

其中

定義中點電位平衡方程如下：

當變流器運行時不滿足式（7）的都稱為中點不平衡。不平衡的現象分為兩種：①中點電位波動。當Cd1和Cd2充放電量的大小和動作時間不會完全一致時，Udc1、Udc2的變化步調也會不同，中點必定會存在一定的波動；②整個中點電壓相對零點偏移時，即如果Cd1、Cd2的充放電電流存在固定的差異，相應的 Udc1、Udc2的差距就會越來越大，形成中點電壓的零點偏移。中點電位波動會直接影響交流側電流的正弦度，降低變流器功率因數；中點偏移使得功率電路交流進線側相電壓產生畸變，最極端的情況可能導致三電平變成兩電平，使整個直流電壓都積壓在其中一個電容上。此時如果功率電路設計閾值不夠大，就會損壞電容和功率開關器件。

由式（2）、式（3）可知，影響直流側兩個電容分壓的根本原因在于兩個電容的充放電流。在一段時間內，如果將兩個電容的充放電流一致，則中點電位保持在一個動態的平衡狀態；充放電流存在偏差，也就是iO′不為零，中點電壓不再平衡。如果這種電流偏差存在波動，中點電位就會在一個范圍內波動；若同一電流偏差持續時間較長，則隨著電容充放電量差異的擴大，中點電壓會形成較大的偏移，這種電流差異的來源與器件開頭狀態Sij存在直接關系。變流器系統控制采用dq坐標下固定頻率的直接電流控制策略[9]，原理圖如圖2所示。

圖2 三電平變流器dq坐標下直接電流控制原理

圖 2中，id*為有功電流、iq*為無功電流，是 dq坐標系下的直流時不變信號；dq坐標下直接電流控制的思想是把三相正弦交流電流變換為兩相靜止坐標下的直流信號進行獨立控制，利用PI調節器可以實現電流的無靜差控制，得到良好的系統穩態性能；PI輸出后給PWM發生器生成12路的PWM控制信號，這些信號組成了新的開關狀態Sij。中點電流的差異來源就是開關狀態的不合理造成的，要解決這種差異來源，還需要深入分析PWM信號的發生機制。

1.2 三電平電壓空間矢量脈寬調制

電壓空間矢量調制（SVPWM）是PWM調制最實用、最直觀的一種算法，具有電壓利用率高、概念清晰等特點[10]。三電平變流器電壓空間基礎矢量圖如圖3所示。

圖3 三電平變流器電壓空間矢量圖

三電平電壓狀態存在3個電平，其合成電壓空間基礎矢量狀態共有 33=27個。由圖可知，這些矢量根據模長可以分為4類，分別是零矢量、小矢量、中矢量、大矢量，不同的矢量對應一組Sij的開關組合，不同的組合會產生不同的中點電流iO`。由式（1）、式（2）可得如下關系，即

且三相變流器交流電流滿足如下方程：

以圖3中灰色區域為例，結合式（8）、式（9）進行推導，得到基礎矢量與中點電流關系，見表1。

由表1可知，零矢量和大矢量對中點電流沒有影響，小矢量每個位置都有一對作用相反的中點電流存在，中矢量產生一個固定的中點電流。根據SVPWM合成參考電壓矢量原則：取最近的3個基礎空間矢量合成，圖3中的陰影部分可以分為4個小區域，每個小區域都會有小矢量的作用，R1、R2有兩對小矢量，R3、R4有一對小矢量作用。定義中點電壓為

表1 電壓空間矢量-開關組合Sij-中點電流

表1 電壓空間矢量-開關組合Sij-中點電流

矢量類別 矢量 開關組合 中點電流iO'0 0 0 SaOSbO'ScO' 0 1 1 1 SaPSbPScP0零矢量-1 -1 -1 SaNSbNScN0 1 1 0 SaPSbPScO' -ic0 0 -1 SaO'SbO'ScN+ic0 -1 -1 SaO'SbNScN-ia小矢量1 0 0 SaPSbO'ScO' +ia中矢量 1 0 -1 SaPSbO'ScN-ib1 -1 -1 SaPSbNScN0大矢量1 1 -1 SaPSbPScN0

ΔUdc圍繞著一個電位的振蕩就是中點電壓波動，ΔUdc波動中點不在零電壓稱為中點電位的偏移。當ΔUdc＞0時，上電容電壓大于下電容電壓，需要減小上電容的充電電流，也就是iO′＜0；相反ΔUdc＜0時，增加下電容的充電電流，即iO′＞0。小矢量可以滿足上述控制要求，只要對每個區域中基礎小矢量的選擇及其作用時間進行控制，就可以對中點電流進行控制。

2 中點電位平衡控制方法

中點電位平衡控制的目的是，抑制三電平變流器中點電位的波動和偏移。抑制中點電位的波動通過小矢量的選擇來實現，以圖3中R3區域為例，根據表1可以得到如下小矢量選擇思路，如圖4所示。

圖4 小矢量選擇策略

電容電壓充放電過程有一定時間的滯后。在此為了更快實現中點偏移的矯正，在不影響系統控制性能的前提下，本文采用一種增加小矢量的作用時間作用時間的方法來更快的實現中點電位平衡控制。

這種方法以三電平直流側兩個分壓電容的電壓差作為反饋，采用PI控制器，中點電壓給定為0，控制環輸出直接疊加到SVPWM調試調制的小矢量作用時間 TL上，中點控制環的量級小于直接電流環，以免造成電流環的波動。其控制框圖如圖5所示。

圖5 小矢量作用時間控制環

在 Matalab/Simulink環境下進行了控制系統仿真，仿真模型運行在整流模式，得到系統中點電位波形圖，如圖6所示。

圖6 無中點電位平衡控制的中點電壓仿真波形圖

圖7 采用控制小矢量選擇和作用時間的中點電壓

對比圖 6、圖 7可知，變流器系統沒有中點電位平衡控制時中點電壓存在 8V的波動，且有較大的電位偏移。在加入中點電位平衡控制算法后，中點電位得到的明顯的改善，電壓波動范圍縮小到3.5V，大部分的中點電位偏移得到了控制，但中點電位波動中心存在一定的振蕩。

這種中點波動中心的振蕩來源于中矢量的作用。由表1可知，中矢量作用時也存在中點電流，但是中點電流方向是不定的，也沒有相應的反作用來抵消，中矢量中點電流在與小矢量中點電流疊加的過程中，如果中矢量與小矢量電流作用方向相同，就會出現調節作用過強的情況，使得中點電壓存在低頻紋波，中點電壓波動整體振蕩。為了減小中點電位波動的低頻紋波，本文提出了一種改進的控制器，優化了小矢量作用時間控制環。

這種方法的基本思路是，在中點電位在一個極小的區間內時，切斷中點電位控制作用，從而抑制出現調節作用過強的情況。方法是在變流器系統中點控制PI調節器中加入遲滯因子K，K的取值為

式中，h為遲滯帶寬。改進后的中點電位平衡控制框圖如圖8所示。

圖8 改進的小矢量作用時間控制環

圖9 采用帶遲滯因子小矢量作用時間控制的中點電壓仿真波形圖

3 實驗分析

為了驗證中點電位平衡算法的可行性，在實驗室環境下制作了一臺2kW的I型NPC式三電平變流器的實驗樣機。變流器采用TMS320F2812作為主控制芯片，EPM3256（CPLD）作為邏輯協處理器，功率開關采用Infineon的F3L50R06三電平NPC式變流橋模塊。實驗中變流器運行在整流模式，系統設置的主要參數見表2。

變流器系統檢測采集了直流側電壓Udc、上電容Cd1電壓Udc1，中點電壓需要經過運算才能得到，計算及顯示在調試DSP的上位機軟件Code ComposerStudio（CCS）中完成。圖10所示為CCS中觀測的中點電位波形圖。

表2 變流器整流模式實驗參數

圖10 CCS觀測的中點電位波形

圖 10（a）為變流器整流狀態下沒有中點電位平衡控制的中點電位，中點電壓波動峰峰值為10V，電位偏移達到了 10V；在圖 10（b）中加入中點電位平衡控制后的中點電壓偏移得到了有效的抑制，電壓波動幅度為6V，但可以看到中點電位整體存在一個低頻振動；圖 10（c）采用改進后的中點電壓波形，顯示這種低頻振動明顯減少，三電平變流器中點電位平衡。為了進一步驗證中點電位平衡控制對整個變流器系統的影響，通過示波器直接觀測了系統電網側電壓電流以及變流橋交流側線電壓波形，如圖11所示。

圖11 示波器觀測實驗波形

圖 11（a）、圖 11（b）所示分別為加入中點電位平衡控制前后的交流側 A相電壓電流波形圖，CH1通道為電網交流A相工頻電壓波形ea，CH2為變流器系統交流側A相電流波形ia。從兩個圖的對比可以看出，中點電位平衡控制前后系統電流波形基本沒有變化，說明中點電位平衡控制并沒有影響系統電流環的作用，電流正弦度較高，功率因數較高。

圖 11（c）、圖 11（d）所示為加入中點電位平衡控制前后變流橋交流側線電壓 Uab的波形，都是完整的五電平波形；放大波形，將S1（S3）、S2（S4）區域中相同位置波形對比可以看出，加入中點電位平衡后的線電壓波形波頭更加平整，且各個電平的偏移得到了改善。

4 結論

本文提出了一種帶遲滯因子的三電平變流器中點電位平衡控制方法，有效抑制了中點電壓的偏移和低頻振動。分析了I型NPC式三電平變流器系統結構及電流環控制策略，導出中點不平衡的根本原因，隨后進一步探索了三電平SVPWM調制方法各矢量對中點電流的作用。根據矢量作用特點選用小矢量作為中點電位平衡的控制對象，包括小矢量的擇優方法及作用時間調節，并進一步優化了小矢量作用時間控制環。仿真和樣機實驗結果表明，采用這種方法效果顯著，系統中點電位得到了良好的控制，并且保持了變流器電流控制環的作用效果，沒有對系統造成干擾。

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電池管理系統供電電路

近日，國家知識產權局公布專利“電池管理系統供電電路”，專利權人為寧德時代新能源科技股份有限公司。

本實用新型公開了一種電池管理系統供電電路，其包括電池管理系統、繼電器、控制電源和供電電源，控制電源能夠通過繼電器控制供電電源與電池管理系統連通。

與現有技術相比，本實用新型結構簡單、無需附加專用的開關便可以自動控制和切換狀態，對動力鋰離子蓄電池的電池管理系統進行供電，保證電池管理系統在電動汽車處于行駛運行和充電兩種狀態時正常工作，具有較低的制造成本和較長的使用壽命。

Research and Implementation of the Neutral PointVoltage Balance for I-type NPC Three-Level Converter

Qi Hui Lu Zhaoyu
(Beijing University of Technology,Beijing 100124)

With the development of clean energy,more requirements for high voltage electricity transmission and distribution are proposed.The I-type diode neutral point clamped (NPC) three-level converter is practical used for its high capacity and low device voltage stress.In this paper,three-level space vector pulse width modulation (SVPWM) and the direct current control at fixed frequency based on the rotational coordinates (dq) are adapted in the converter.The neutral point voltage (NPV) imbalance is specifically analyzed to design a control method.This method does not need any additional hardware circuit.Results of simulation and experiments have demonstrated the feasibility and superiority of the proposed approach.

three-level converter; space vector; direct current control; neutral point voltage balance

綦 慧（1971-），女，博士，副教授，主要從事電力電子與電氣傳動、新能源相關的研究工作。