基于BPPID控制的T型三電平逆變器中點電位平衡的研究

李家強 屠立忠 唐立 蔡海艷

摘? 要：文章針對當T型三電平的平衡電路中兩個橋臂的電容和電感元件不平衡時，如何采取控制策略抑制中點電壓波動的問題。通過建立模型分析得到T型三電平中點電位不平衡的原因，增設平衡電路，采用兩個LC串聯橋臂的平衡電路控制中點電位平衡。在運行過程中，LC通常會受外部環境干擾，如強耦合，電磁擾動等因素使得平衡電路中點電位產生波動，因此文章提出一種基于BP神經網絡的PID控制器（后文簡稱BPPID）。對BPPID控制器進行了Matlab/Simulink仿真研究與分析。仿真結果表明，基于BPPID控制的T型三電平逆變器具有操作可行性。

關鍵詞：T型三電平;BPPID控制;中點電壓平衡

中圖分類號：TM464? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）24-0017-03

Abstract： This paper aims at the problem of how to adopt control strategy to suppress midpoint voltage fluctuation when the capacitance and inductance of two bridge arms in T-type three-level balance circuit are unbalanced. Through the establishment of the model， the reason for the imbalance of the midpoint potential of the T-type three-level is obtained， the balance circuit is added， and the balance circuit of two LC series bridge arms is used to control the balance of the midpoint potential. In the process of operation， LC is usually disturbed by the external environment， such as strong coupling， electromagnetic disturbance and other factors make the midpoint potential of the balance circuit fluctuate， so a PID controller based on BP neural network （BPPID for short） is proposed in this paper. The Matlab/Simulink simulation of BPPID controller is studied and analyzed. The simulation results show that the T-type three-level inverter based on BPPID control has operational feasibility.

Keywords： T-type three-level; BPPID control; midpoint voltage balance

T型中點鉗位式三電平逆變器（“T” type neutral point clamped，T-NPC）單相拓撲結構圖于2007年被學者KNAUP、Peter提出，T型三電平是近年該領域學者在三電平電路基礎上改良優化的成果，在工程實踐中已經展現出其不錯的應用價值[1-9]。T-NPC和傳統三電平電路的異同主要如下：T型三電平逆變器與傳統三電平逆變器相同點在于主要都是用于三相交流電路的逆變過程，二者都包括調制模塊、控制模塊、濾波模塊和含有IGBT的逆變電路模塊;區別就在于逆變電路模塊存在差異，T型三電平電路比傳統三電平電路少了兩個IGBT，這樣降低了維護的成本，同時降低了控制的難度，開關壽命周期變相得到了延長。但逆變器中點電位波動的問題必須要解決，造成逆變器中點電位波動的原因有很多，在平衡電路環節，PWM調制環節，控制環節都會對中點電位波動產生影響。在脈寬調制時，非冗余矢量會造成中點電壓偏移，因此有很多學者在SPWM和SVPWM基礎之上進行和混合式的三電平控制策略[10]，使得中點電位波動問題得到極大改善。

此外，有學者提出在三電平電路里增設平衡電路模塊，這對于中性點電位的抑制具有很好的效果。相關平衡電路的拓撲結構有很多，本文的研究重點不在討論平衡電路的選取，因此本文在建模仿真部分只選取了一種在原有并聯電容上串聯電感[4]的平衡電路。平衡電路參數調整會產生系統誤差，采取什么樣的控制策略對減少系統誤差非常關鍵。傳統的PID控制策略設計簡單，易于實現，然而參數控制需要進行大量的計算，因此有學者在此基礎之上嵌入了自適應調節模塊[11]，從而使系統調節更加智能化，中點波動后調節時間明顯縮短。

但是，長期工作狀態下，平衡電路中的電容電感受到外部干擾會發生變化。電容隨著高溫、高壓和放電深度會發生老化，電感元件受到電磁干擾，耦合亦會發生變化，當平衡電路中的元器件自身大小發生變化后，對于中點電位也會產生波動。

為了解決這一問題，本文通過搭建平衡電路，通過BPPID控制策略實現跟蹤當電容與電感值產生變化后，建立新的傳遞函數關系式，通過調節新傳遞函數PID參數減小中點電壓波動。在matlab/simulink中分別對BPPID控制器進行建模分析，采用BP神經網絡的PID控制器具有可行性。

1 T-NPC及中點電位不平衡因素分析

1.1 T-NPC

圖1 所示為一種T型三電平的拓撲結構圖，采取的平衡電路即圖中兩個橋臂上串聯的電容和電感部分，其中C1和L1為平衡電路的上橋臂，C2和L2為平衡電路的下橋臂。O點即T型三電平的中點。

1.2 中點電位不平衡分析

T-NPC直流側模塊主要分為PWM調制模塊，平衡電路模塊和控制模塊。因此造成中性點電位發生偏移的原因主要從以下幾個模塊去分析：（1）PWM模塊中產生的，非冗余矢量會對電路結構造成中點電壓偏移;（2）控制模塊中，當系統發生變化時，PID控制器的控制參數不能根據系統變化而進行實時跟蹤反饋;（3）平衡電路模塊中，當系統處于長期運行狀態下，直流側電源電壓隨時間變化不穩定并且容易波動，平衡電路中的電容電感受到外部干擾會發生變化。電容因為溫度、電壓和放電深度的影響會發生老化，電感元件受到電磁干擾，耦合亦會發生變化。本文重點討論電感電容元件值發生變化時，結合圖2進行具體分析。

如圖2所示，左側的Udc為傳輸端的直流電源，其中C1和L1為平衡電路的上橋臂，C2和L2為平衡電路的下橋臂。電流流入的正方向如圖所示，對直流側電路進行拉式變換后，再由KCL，可得電流i3輸入與輸出的開環傳遞函數：

（1）

可以通過仿真模型確定系統每一部分參數，從而通過PID調節器修改該傳遞函數的特性。

2 BP神經網絡及基于BP神經網絡的中點電位控制策略

2.1 BP神經網絡

BP（back propagation）神經網絡是一種按照誤差逆向傳播算法訓練的多層前饋神經網絡。本文基于BP神經網絡算法的T型三電平中點電位平衡控制方法具體步驟和特點如下：

步驟一：編寫BP神經網絡PI控制器核心部分S函數。

步驟二：將T型三電平并網逆變器、平衡電路、和BP神經網絡PID控制器連接。

步驟三：將期望值、實際值、偏差作為輸入，進行自學習后，輸出PID的控制參數。

2.1.1 BP神經網絡的S函數

因為BP神經網絡PID控制器不是一個簡單的輸入輸出關系函數，要經過三層處理得到其輸入與輸出關系，因此不能直接用傳遞函數來描述。S函數可以幫助建立起傳遞函數和BP神經網絡之間的橋梁。本文借鑒了別的學者研究成果[12]，編寫了BP神經網絡S

函數的代碼，并將BP神經網絡系統嵌入到T型三電平系統中。

2.1.2 BPPID控制器原理

圖3為BPPID控制器的原理圖，通過收集平衡電路兩端電壓信號，計算出實際電流值，再與預設的電流額定值進行比對得到開環傳遞函數，將該開環傳遞函數的信息輸入到BP神經網絡中進行自學習。

本文使用的BPPID控制器是三層BP網絡結構，即3輸入（IN）（即電流期望值，電流實際值和偏差值），隱含層數（H）為5，輸出層數（OUT）為3（其中該層次對應比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd），T是采樣周期，本文選用的采樣周期為200ms。

2.2 中點電位控制策略

由于本文重點研究的是平衡電路元器件不平衡狀態下的工作狀態，在圖1中IGBT關斷時間，電感L1的能量全部轉移到電容C1上，電感L2的能量全部轉移到電容C2上，此處為了簡化運算不妨在仿真模型中使兩組電容和電感值乘積相等，經仿真驗證，此方法可以有效驗證平衡電路的穩定運行。

3 Matlab/Simulink仿真與分析

為了驗證本文提出的在平衡電路出現不對稱的情況下，BPPID控制策略對于T型三電平逆變器中性點電位是否具有正確性與實際可行性，在Matlab/Simulink平臺中搭建了相應模塊。圖4為T型三電平電路仿真模型。

將系統采樣周期設為200ms，可以得到圖5的波形。

當時間在100ms之后，該傳遞函數誤差會在±0.01dB之間波動，中點電位已經能夠被控制在合理范圍之內。

參考文獻：

[1]畢長煜.基于時間補償的三電平逆變器中點電位平衡控制[J].電氣技術，2016，17（6）：9-12，17.

[2]蘇家慶.一種新的三電平光伏逆變器中點平衡算法[J].電氣技術，2016，17（8）：46-49.

[3]李龍，劉重陽，賁洪奇.基于神經元PI控制的PWM整流器動態特性研究[J].電力系統保護與控制，2013，41（11）：124-128.

[4]潘勝和.NPC型三電平逆變器及其中點電壓平衡的研究[D].武漢：華中科技大學，2014.

[5]單亮.基于TMS320F28335的T型三電平光伏并網逆變器的設計與實現[D].合肥：合肥工業大學，2017.

[6]王慧敏，溫坤鵬，張云，等.基于精細分區控制的三電平逆變器中點電位平衡策略[J].電工技術學報，2015，30（19）：144-152.

[7]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.

[8]吳云，尹若銀.三電平逆變器中點電位平衡電路仿真[J].煤礦機械，2014（5）：57-58.

[9]李會南.基于T型三電平雙模式逆變器的控制技術研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[10]葉滿園，韓祥鵬.T型三電平逆變器中點電壓平衡控制[J].電力系統及其自動化學報，2018，30（09）：16-21.

[11]李闖，黃陳蓉，徐宏健，等.基于神經元ProportionalIntegral自適應控制的T型三電平逆變器中點電位平衡控制研究[J].電氣技術，2019，20（04）：26-31.

[12]楊藝，虎恩典.基于S函數的BP神經網絡PID控制器及Simulink仿真[J].電子設計工程，2014，22（04）：29-31+35.