基于改進SVPWM的三電平NPC逆變器中點電壓平衡的研究

許杭蓬 陳權 李國麗 杜祥

關鍵詞： 三電平NPC逆變器; 脈寬調制; 電壓空間矢量; 中點電流; 中點電位平衡; 全調制度

中圖分類號： TN123+.5?34; TM13 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0129?05

Research on neutral?point voltage balance of three?level NPC inverter

based on improved SVPWM

XU Hangpeng1，2， CHEN Quan1，3， LI Guoli1，4， DU Xiang1，2

（1. School of Electrical Engineering and Automation， Anhui University， Hefei 230601， China;

2. National Engineering Laboratory of Energy?Saving Motor & Control Technology， Anhui University， Hefei 230601， China;

3. Electric Energy Quality Engineering Research Center of Ministry of Education， Anhui University， Hefei 230601， China;

4. Collaborative Innovation Center of Industrial Power?Saving and Electric Energy Quality Control， Anhui University， Hefei 230601， China）

Abstract： The three?level NPC inverter is applied to high?voltage and high?power occasions for its advantages of high DC voltage utilization rate， low switching voltage and low output voltage harmonics. The problem of neutral?point voltage balance has always been the key to the three?level NPC inverter research. The traditional space vector modulation method is improved in this paper. The medium and small vectors which are located in different small triangles of each sector and affect the neutral?point potential are redistributed or virtualized without changing the lengths of original vectors， so as to completely eliminate the effect of voltage vectors on the neutral?point potential in theory. The neutral?point voltage balance capability control of the method is flexible and effective at the full modulation depth. The correctness of the proposed method was verified in the simulation and experiment.

Keywords： 3?level NPC inverter; pulse width modulation; voltage space vector; neutral?point current; neutral?point potential balance; full modulation depth

0 ?引 ?言

有關三電平NPC逆變器和逆變器調制策略的研究較多[1?3]。中點電壓平衡問題一直是三電平NPC逆變器研究的關鍵。空間矢量調制（SVPWM）方法具有控制簡單、直流電壓利用率高、輸出諧波低等優勢，而被廣泛運用和研究[4?6]。但是SVPWM模式的缺點是沒有考慮到有鏈接負載時，電壓矢量對中點電流的影響。虛擬空間矢量調制（VSVPWM）方法雖然能在理論上完全消除電壓矢量對中點電流的影響;但是由于不同的虛擬矢量的構建方法，VSVPWM模式的電壓平衡能力在調制度小于0.67時受到的限制[7?9]。在文獻[10]中利用零矢量、中矢量和大矢量構建的虛擬中、小矢量法，雖然使得虛擬矢量產生的共模電壓幅值僅為傳統虛擬空間矢量法的[12]，但是脈沖序列輸出諧波大，控制復雜，基本上不采用NTV法的電壓矢量。

本文基于SVPWM對各個扇區的小三角形進行不同的矢量虛擬。為了不增加計算量，同時提高該方法的可移植性，虛擬的空間矢量不改變原來空間矢量的幅值，從而在不改變計算時間的基礎上，可完全消除電壓矢量對中點電流的影響，該方法理論上在調制度允許范圍內都有效。

1 ?三電平逆變器基本原理及其空間電壓矢量對中點電流的影響

1.1 ?三電平逆變器基本原理

三電平NPC逆變器的拓撲如圖1所示。

直流母線上的兩個電容器C1和C2起到濾波和緩沖作用。每相橋臂由4個IGBT [SX1～SX4]和2個鉗位二極管[DX1，DX2]組成（X=a，b，c），通過控制4個開關管[SX1～SX4]，來控制每相電壓的輸出電平。表1為開關狀態與輸出電平的關系。

三電平空間矢量圖如圖2所示。三電平逆變器空間電壓矢量有27個空間電壓矢量，其中零矢量有兩個冗余矢量，每個小矢量有一個冗余小矢量，故共有19個有效電壓矢量。

1.2 ?空間電壓矢量對中點電流的影響

直流母線的兩電容器的電壓與流過電容的電流iC有關，假設在很短的時間t內iC不變，電容器Ci的電壓[UCi]為：

[UCi=1Ci0tiCidt+UCi0， ? i=1，2] ? ? ?（1）

本文中中點電壓Unp和中點電壓偏移量[ΔUnp]的定義如下：

[Unp=1C20tiCidt+UCi0ΔUnp=Unp-12UDC] ? ? ? ?（2）

電壓矢量對中點電流影響很大，文獻里都有詳細的分析，這里不再贅述。表2為不同電壓矢量對中點電流的影響。

2 ?改進的SVPWM中點電位平衡方法

本文采用的改進SVPWM方法，針對各扇區不同的小三角形，利用各區域基本空間電壓矢量，分別構建對產生中點電流的電壓矢量的虛擬矢量，理論上完全能消除電壓矢量中點電流的影響。

2.1 ?改進的SVPWM算法

下面以第Ⅰ扇區為例，說明改進的SVPWM方法。

如圖3所示，當參考電壓矢量[Vref，1]位于三角形1內時，根據NTV原則，合成參考電壓矢量[Vref，1]的基本電壓矢量為[V0]，[VS1]，[VS2]。其中小矢量[VS1]和[VS2]產生中點電流，利用正、負電壓小矢量的中點電流方向相反特性對[VS1]和[VS2]進行虛擬，如下：

[VVS1=0.5VS1（POO）+0.5VS1（ONN）VVS2=0.5VS2（OON）+0.5VS2（PPO）] （3）

[VS1]和[VS2]產生的中點電流[inp（VS1）]，[inp（VS2）]為0。

[inp（VS1）=-0.5ia+0.5iainp（VS2）=-0.5ic+0.5ic] ? ? （4）

各個矢量的作用時間變為：

[TVS1（ONN）=TVS1（POO）=12TVS1TVS2（PPO）=TVS2（OON）=12TVS2TVO（OOO）=TVO] （5）

當參考電壓矢量[Vref，2]位于三角形2內時，合成參考電壓矢量[Vref，2]的基本電壓矢量為[VM1]，[VS1]，[VS2]。對[VS1]和[VS2]的虛擬類似于在三角形1內的方式，對中矢量[VM1，2]虛擬如下：

[VM1，2=12（VS1（ONN）+VS2（PPO））+K1?VM1（PON）+ ? ?1-2K12（VS1（PPO）+VS2（OON））] （6）

式中：[K1]為分配系數，0<[K1]<0.5，中矢量[VM1，2]產生的中點電流[inp（M1，2）]也為0。

[inp（M1，2）=12（ia+ic）+K1?ib+1-2K12（ia+ic） ? ? ? ? ? =K1?（ia+ib+ic）=0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）]

此時作用時間如下：

[TVS1（ONN）=12TVS1+1-2K14-2K1?TM1TVS1（POO）=12TVS1+14-2K1?TM1TVS2（PPO）=12TVS2+1-2K14-2K1?TM1TVS2（OON）=12TVS2+14-2K1?TM1TVM1，2（PON）=K12-K1?TM1] （8）

當參考電壓矢量[Vref，3]位于小三角3內時，合成參考電壓矢量的是[VM1]，[VS1]，[VL1]。對小矢量[VS1]的虛擬同前面類似，對中矢量[VM1，2]虛擬如下：

[VM1，2=12VM1（PON）+12VS1（ONN）+VS2（PPO）] （9）

中矢量產生的中點電流[inp（M1，3）]也為0。

[inp（M1，3）=12g（ia+ib+ic）=0] （10）

小三角形3內各電壓矢量作用時間為：

[TVS1（ONN）=12TVS1+13TM1TVS1（POO）=12TVS1TVS2（PPO）=13TM1TVL1（PNN）=12TVL1TVM1，3（PON）=13TM1] ? （11）

當[Vref，4]位于小三角形4內時的方法同[Vref，3]在小三角形3內類似，這里不再贅述。對電壓矢量進行虛擬的過程，未改變原矢量的模值和方向。

2.2 ?K1的取值與中點電壓最大偏差的關系

由前面分析可知，當參考矢量[Vref，2]位于第二個小三角形內時，虛擬中矢量[VM1，2]中K1（0<[K1]<[12]）是一個確定的分配系數，它的取值影響著中點電位。 表3是借助Matlab軟件，調制度為0.65，UDC為600 V時，得出的K1取值和最大中點電壓偏移[ΔUnpmax]的擬合曲線。

圖4為Matlab下調制度K、調節系數K1和最大中點電壓偏移[ΔUnpmax]的擬合曲線。考慮到中點電壓偏移量和計算速度，本文中K1取值為0.2。

3 ?仿真分析和實驗驗證

3.1 ?仿真分析

借助Matlab軟件下Simulink仿真環境，進行仿真實驗。仿真參數：直流側電壓UDC為600 V;直流母線電容器容量C1，C2為4 700 μF;開關頻率為fc為4 500 Hz;調制度為0.8。圖5，圖6分別為傳統與改進SVPWM兩種方法下的仿真結果。

圖7為兩種方法下基于仿真數據的調制度K與最大中點電壓偏移[ΔUnpmax]的擬合曲線圖，可看出本文所提改進的方法同傳SVPWM方法相比，具有抑制中點電壓偏移的能力，仿真驗證了本文所提方法的正確性。

3.2 ?實驗驗證

搭建NPC三電平逆變器實驗平臺進行實驗驗證。實驗的參數設置：直流電壓為20 V;濾波電容為4 700 μF;逆變器輸出頻率為50 Hz;開關頻率為4 500 Hz;調制度為0.8。圖8為傳統SVPWM方法下的實驗結果;圖9為改進SVPWM方法下的實驗結果。

4 ?結 ?論

本文針對三電平逆變器中點電位平衡問題，在傳統SVPWM方法的基礎上進行改進。根據參考電壓矢量所在作用區域，合理地構建虛擬小、中矢量，有效地抑制了空間電壓矢量對中點電流的影響，理論上這種中點電壓平衡能力在全調制度范圍都有效。仿真數據和實驗結果都證明了改進的SVPWM方法在不同的調制度K下都能有效地控制中點電壓的偏移。

參考文獻

[1] NABAE A， TAKAHASHI I， AKAGI H. A new neutral?point?clamped PWM inverter [J]. IEEE transactions on industry applications， 1981， 17（5）： 518?523.

[2] 費萬民，呂征宇，姚文熙.三電平逆變器特定諧波消除脈寬調制方法的研究[J].中國電機工程學報，2003，23（9）：11?15.

FEI Wanming， L? Zhengyu， YAO Wenxi. Research on selected harmonic elimination PWM technique applicable to three?level voltage inverters [J]. Proceedings of the CSEE， 2003， 23（9）： 11?15.

[3] 龔博，程善美，秦憶.基于載波的三電平中點電壓平衡控制策略[J].電工技術學報，2013，28（6）：172?177.

GONG Bo，CHENG Shanmei， QIN Yi. A three?level neutral point voltage balance control strategy based on carriers of SPWM [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（6）： 172?177.

[4] SEO J H， CHOI C H， HYUN D S. A new simplified space?vector PWM method for three?level inverters [J]. IEEE transactions on power electronics， 2001， 16（4）： 545?550.

[5] 姜衛東，王群京，史曉鋒，等.中點箝位型三電平逆變器在空間矢量調制時中點電位的低頻振蕩[J].中國電機工程學報，2009，29（3）：49?55.

JIANG Weidong， WANG Qunjing， SHI Xiaofeng， et al. Low frequency oscillation of neutral point voltage of neutral?point?clamped three?level VSI under SVPWM control [J]. Proceedings of the CSEE， 2009， 29（3）： 49?55.

[6] 趙輝，李瑞，王紅君，等.60°坐標系下三電平逆變器SVPWM方法的研究[J].中國電機工程學報，2008，28（24）：39?45.

ZHAO Hui， LI Rui， WANG Hongjun， et al. Study on SVPWM method based on 60° coordinate system for three?level inverter [J]. Proceedings of the CSEE， 2008， 28（24）： 39?45.

[7] 張瑾，齊鉑金，張少如.Z源三電平中點鉗位逆變器的空間矢量調制方法[J].電工技術學報，2010，25（9）：108?114.

ZHANG Jin， QI Bojin， ZHANG Shaoru. A space vector PWM algorithm for Z?source three?level NPC inverters [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（9）： 108?114.

[8] 張曄，湯鈺鵬，王文軍.三電平逆變器空間矢量調制及中點電位平衡研究[J].電氣傳動，2010，40（2）：33?36.

ZHANG Ye， TANG Yupeng， WANG Wenjun. Research on SVPWM method and neutral?point voltage balance in three?level inverter [J]. Electric drive， 2010， 40（2）： 33?36.

[9] CHOUDHURY A， PILLAY P， WILLIAMSON S S. A hybrid PWM?based DC?link voltage balancing algorithm for a three?level NPC DC/AC traction inverter drive [J]. IEEE journal of emerging and selected topics in power electronics， 2015， 3（3）： 805?816.

[10] 王志強，鄧臣臣，谷鑫，等.基于中點鉗位型三電平逆變器的改進型虛擬空間矢量調制策略[J].電工技術學報，2017，32（18）：230?238.

WANG Zhiqiang， DENG Chenchen， GU Xin， et al. The improved virtual space vector modulation strategy based on neutral?point?clamped three?level inverter [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2017， 32（18）： 230?238.