三電平NPC逆變器中點電位平衡的研究

常娜娜

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

電力電子領(lǐng)域中，三電平技術(shù)可輸出高質(zhì)量、低諧波的電能，但是三電平逆變技術(shù)所需的開關(guān)管較多[1]。此外，直流側(cè)母線串聯(lián)的電容無法準確平衡兩側(cè)電壓，影響了逆變器輸出的波形。因此，研究三電平逆變技術(shù)的直流側(cè)電容的中點電位平衡問題意義重大[2]。

中點電位平衡的研究中，文獻[3]提出了控制中點電位平衡因子，以平衡中點電位的方法。文獻[4]中的方法增加了兩個控制開關(guān)器件，達到了控制中點電位平衡的目的。文獻[5]在SVPWM調(diào)制方法的基礎(chǔ)上，采用中矢量不參與調(diào)制的方法，實現(xiàn)了中點電位平衡。文獻[6]采用判斷中點電流方向和中點電位誤差改變小矢量的作用時間，以平衡直流側(cè)中點電位。

1 NPC型逆變器中點平衡問題

NPC型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。對于NPC型逆變器，每一橋臂由4個開關(guān)管、4個續(xù)流二極管和2個箝位二極管組成。例如，a橋臂中，VT1和VT3互補，VT2和VT4互補，則逆變器開關(guān)函數(shù)可表達為：

其余兩橋臂與a橋臂相似。

NPC型逆變器有三個橋臂，每一個橋臂有三種工作狀態(tài)，共有27個工作狀態(tài)。在空間矢量中表示27個矢量，去掉冗余矢量，剩下19個矢量。其中，零矢量3個，小矢量12個，中矢量6個，大矢量6個，如圖2所示。

圖1 NPC型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 三電平NPC逆變器空間矢量圖

空間矢量中，大矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和零矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)對中點電流無影響；小矢量的兩種冗余開關(guān)狀態(tài)對中點電流的影響相反，且是可控的量；中矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)會對中點電流產(chǎn)生影響，且是不可控的量。通常，通過調(diào)整小矢量冗余開關(guān)狀態(tài)的作用時間來控制中點電位的偏差和波動。

2 中點電位平衡的研究

udc為中點電位誤差，取值為上、下兩電容的電壓差值；in為中性點電流；ij為負載電流；C為直流側(cè)電容。udc和in決定了冗余小矢量作用時間，可表示為：

以第Ⅰ扇區(qū)為例說明小矢量的分配原則，見圖3。

圖3 第一扇區(qū)矢量圖

其中，Uref為 V1、V2、V3所合成的電壓；T1、T2、T3分別為V1、V2、V3對應(yīng)的作用時間，其中V3包含POO和ONN兩個小矢量。假設(shè)一個平衡因子K取值在0～1，在一個開關(guān)周期中以V3中的矢量為例，ONN和POO的作用時間分別為KT1和(1-K)T1。

通過式（2）和式（3）可得，當(dāng)選擇矢量ONN時，流出中性點的電流為：

計算過程與求取基波電流值ia0、ib0及ic0相似。所以，平衡因子的取值依據(jù)為：

（1）當(dāng)中點電位為零時，平衡因子K=0.5，小矢量ONN和POO的作用時間相同；

（2）當(dāng)ia0Udc＞0時，平衡因子K＜0.5，ONN的作用時間減小，POO的作用時間增大；

（3）當(dāng)ia0Ude＜0時，平衡因子K＞0.5，ONN的作用時間增大，POO的作用時間減小。

控制時，需判斷流進中點的電流方向和中點電位的誤差，進而得到K的取值大小，并確定相應(yīng)矢量的作用時間，最終達到直流側(cè)兩電容中點電位平衡的目的。

3 仿真驗證

通過MATLAB/simulink仿真模塊對系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。可見，系統(tǒng)在0.02 s后，上下母線電壓趨于平衡，并達到中點電壓平衡。

4 結(jié) 論

本文分析了NPC型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，研究了三電平NPC逆變器中點電位平衡問題。此外，通過MATLAB軟件搭建模型，并進行了仿真驗證。

圖4 加入中點平衡后上下母線電壓

圖5 逆變器輸出線電壓波形

圖6 中點電壓后相電壓與相電流