一種調(diào)控三電平NPC逆變器中點電壓平衡的不對稱PWM策略

李 銳，鄭中祥，魏 華，吳浩偉，陳 濤

一種調(diào)控三電平NPC逆變器中點電壓平衡的不對稱PWM策略

李 銳1，鄭中祥1，魏 華1，吳浩偉1，陳 濤1

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205）

三電平NPC中點電壓不平衡會帶來開關(guān)管電壓應(yīng)力增加、輸出電壓電流波形畸變等問題。本文通過建立NPC的受控源模型詳細(xì)分析了中點電壓不平衡對輸出電壓電流波形影響，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的不對稱SPWM（ASPWM）方案。該方案根據(jù)中點電壓的波動大小調(diào)整正負(fù)調(diào)制波的直流偏置和幅值，從而消除中點電壓波動對輸出電壓電流的影響。最后通過RT-LABshi實時仿真試驗驗證了該方案的有效性。

三相三電平NPC 中點平衡 受控源模型 PWM策略

0 引言

多電平逆變器可以降低輸出電壓的諧波含量，減小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，其中三電平中點鉗位型逆變器研究和應(yīng)用最為廣泛。但是中點電壓不平衡會導(dǎo)致輸出電壓電流諧波含量增加，若電壓波動程度劇烈或出現(xiàn)較大穩(wěn)態(tài)偏差，會導(dǎo)致橋臂開關(guān)管電壓應(yīng)力增加，甚至使開關(guān)管過壓損壞。

許多學(xué)者對中點不平衡的特性進(jìn)行了相關(guān)理論分析。文獻(xiàn)[1～5]闡明了影響中點電壓波動的因素有調(diào)制比、功率因數(shù)、輸出電流諧波以及負(fù)序電流等。針對中點電壓不平衡問題，許多學(xué)者提出了相應(yīng)的控制策略。文獻(xiàn)[1]、[7～9]均是通過改進(jìn)SVPWM來調(diào)控中點的平衡。文獻(xiàn)[1]基本思想是充分利用冗余小矢量的對中點電壓影響的對稱特性，在每個調(diào)制周期內(nèi)調(diào)節(jié)正負(fù)小矢量的時間分配，從而實現(xiàn)平衡。文獻(xiàn)[7][8]利用冗余小矢量與中矢量合成新的虛擬矢量，保證虛擬矢量對中點電壓不產(chǎn)生任何的影響，從而保持中點電壓的平衡。文獻(xiàn)[9]則是考慮到中矢量是造成中點電壓波動的來源，因此完全采用冗余小矢量代替中矢量進(jìn)行調(diào)制，保證中點電壓的平衡。總的來說，SVPWM方案控制復(fù)雜，計算量大，并且加入平衡算法后都會導(dǎo)致開關(guān)頻率增加以及開關(guān)頻率處諧波含量增加。文獻(xiàn)[3]、[10～15]均是通過改進(jìn)PWM調(diào)制方式來解決中點不平衡的問題，均采用了零序電壓注入的調(diào)制方案。通過在調(diào)制波中注入特定的零序電壓使中點電流為零，解決中點電壓波動。文獻(xiàn)[13～15]都采用了雙調(diào)制波SPWM調(diào)制方案，該方案基于虛擬矢量控制的思想，利用三相電流和為零的特點，設(shè)計了一種雙調(diào)制信號的調(diào)制策略，保證在每個開關(guān)周期內(nèi)中點電流平均值為零，但這種雙調(diào)制波SPWM方案增加了開關(guān)頻率。上述方案著重點都在于消除中點電壓波動，沒有關(guān)注中點電壓波動對輸出波形具體會產(chǎn)生怎樣的影響，文獻(xiàn)[16][17]則是從消除中點不平衡對輸出電流電壓波形影響的角度出發(fā)，對SVPWM調(diào)制策略進(jìn)行改進(jìn)，其基本思路是在構(gòu)成空間矢量圖時將中點的不平衡考慮進(jìn)來，各種空間矢量是考慮實際實時的中點電壓不平衡狀態(tài)后的矢量，在此矢量圖中再進(jìn)行平衡調(diào)控，從而保證輸出波形不受中點不平衡的影響。該方案的優(yōu)點在于能夠消除中點不平衡對輸出波形的影響，并且具有調(diào)節(jié)平衡的能力，缺點是算法變的十分復(fù)雜，在每個調(diào)制周期內(nèi)各個空間矢量大小方向需要根據(jù)不平衡情況計算。

本文首先建立了三相三電平NPC逆變器的受控源模型，該模型具有非常明確的物理意義，可以很直觀的分析得出中點電壓不平衡對輸出電壓和電流波形的影響。然后基于模型和分析，提出了一種正負(fù)調(diào)制波幅值不對稱的一種調(diào)制方案，能夠快速調(diào)節(jié)中點電壓平衡，并能在中點電壓不平衡情況下消除對輸出波形的影響。

1 三相三電平NPC的受控源模型

圖1所示為三電平NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對逆變器的建模方法有很多，但是基本原理都是基于沖量等效的原則，各種建模方法也各有利弊。為了從物理上更為直觀的分析三相三電平NPC中點電壓不平衡的問題，本文選用了一種將每相橋臂等效為受控源的建模方法[19]。將等效受控源建模方法應(yīng)用到三相三電平NPC拓?fù)渲校梢越⑷鐖D2所示的等效受控源電路模型。其中d和d（x表示a、b、c）的表達(dá)式與具體采用的調(diào)制方式有關(guān)。

圖2所示模型中以輸入直流母線中點為參考點，可以得到每相電壓的表達(dá)式如式(1)所示，中點電流如式(2)所示。假設(shè)C1=C2=C，可以得到中點電壓變化量Δ與中點電流的關(guān)系如式（3）所示。式(1)～(3)具有通用性，在不同調(diào)制方式下僅d和d的表達(dá)式不同。觀察式(1)我們可以發(fā)現(xiàn)由于相電壓表達(dá)式中含有關(guān)于Δ的項，中點電壓不平衡會影響輸出相電壓波形。式(2)(3)顯示了調(diào)制方式和輸出電流對中點電壓平衡的影響。

圖1 三相三電平NPC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 三相三電平NPC逆變器受控源模型

2 中點電壓不平衡對輸出波形的影響

利用上一節(jié)建立的受控源模型分析常規(guī)SPWM策略下中點電壓不平衡對輸出波形的影響。式(1)是每相電壓的表達(dá)式，當(dāng)采用SPWM調(diào)制方式時，具體表示為式(4)。

根據(jù)圖2所示等效模型可以推導(dǎo)出星形連接的負(fù)載端中點N到參考點o的電壓表達(dá)式如(6)所示。式(6)可以看作是三個方程，聯(lián)立這3個方程進(jìn)一步可以得到N點電壓和直流側(cè)中點電壓波動的關(guān)系，如式(7)所示：

3 零序電壓注入式ASPWM方案

(13)

基于上述的思路，采用一種新的PWM方案，這種方案具體描述如下：

1）加入零序分量

2）幅值調(diào)整

按照上述方法改造后的調(diào)制波表達(dá)式如式(14)。

按照式(14)進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)某個電容電壓偏高時，非對稱調(diào)制波V對應(yīng)半波部分面積會加大，逆變器抽取電壓偏高電容能量的時間增加，從而主動使中點電壓恢復(fù)平衡。同時式(14)所示的V表達(dá)式總是滿足V≤1，該調(diào)制方法對直流電壓利用率沒有任何損失。

采用這種調(diào)制后，最后得到的每相電壓表達(dá)式為：

1）可動態(tài)實時調(diào)節(jié)中點電壓，使中點電壓迅速恢復(fù)平衡；

2）相比較傳統(tǒng)零序電壓注入方法，該方案不會造成直流電壓利用率的下降；

3）相比較其他中點電位平衡算法，該方法可以保證即使中點電壓持續(xù)存在不平衡，輸出電壓和電流不會產(chǎn)生更多的諧波；

4）該方案實現(xiàn)簡單易于拓展，能方便的運(yùn)用于各種多電平逆變器的直流電壓平衡控制。

4 半實物實時仿真試驗結(jié)果

為了驗證ASPWM算法的有效性，基于實時仿真技術(shù)，在RT-LAB平臺上對算法進(jìn)行了驗證。實驗平臺如圖4所示，ASPWM算法在一塊集成了DSP28335、AD7864的控制板上實現(xiàn)，并通過一個接口板與RT-LAB仿真機(jī)相連，在RT-LAB內(nèi)建立有三電平逆變器的實時模型。

圖4 實驗平臺

在RT-LAB中建立如圖1所示的實時三電平逆變器模型，該模型具體參數(shù)如下：

表1 設(shè)備參數(shù)

4.1 中點電壓不平衡對波形影響的試驗

設(shè)置電容C1電壓保持為500 V，電容C2電壓保持為100 V，調(diào)制比為0.95，常規(guī)SPWM調(diào)制與ASPWM調(diào)制下輸出電壓波形以及THD分析如圖5所示。

圖5（a）所示波形分別是電容C1電壓和輸出線電壓V，在波形前半段采用常規(guī)SPWM調(diào)制，后半段改為采用ASPWM調(diào)制，可以看到ASPWM調(diào)制下輸出電壓波形明顯優(yōu)于常規(guī)SPWM調(diào)制。常規(guī)SPWM調(diào)制下輸出電壓中出現(xiàn)了大量的2次、4次等偶次諧波分量，ASPWM調(diào)制方法則完全消除了不平衡對輸出波形中諧波的影響。從圖5（b）的THD分析結(jié)果中可以看到，常規(guī)PWM控制下2、4次等偶次諧波非常嚴(yán)重，其中2次諧波達(dá)到28.69%，4次諧波達(dá)到5.94%，整體THD達(dá)到了29.35%；而采用APWM算法后，偶次諧波基本被消除，整體THD降低到了1.34%。

4.2 中點電壓不平衡控制效果試驗

1）不平衡恢復(fù)的動態(tài)效果

在表1參數(shù)下進(jìn)行實驗對比，調(diào)制比為0.95，將電容1電壓鉗位為500 V，電容2電壓鉗位為100 V，在某一時刻放開電壓鉗位。兩種調(diào)制方式下中點電壓不平衡恢復(fù)的過程如圖6所示，圖中所示分別是電容1和2的電壓。從圖6中可以看到，兩種算法最終都能實現(xiàn)中點電壓平衡的恢復(fù)，而ASPWM算法由于主動根據(jù)電壓不平衡進(jìn)行調(diào)控，具有明顯更快的恢復(fù)速度。ASPWM調(diào)制下恢復(fù)時間小于2 s，而常規(guī)SPWM調(diào)制方式恢復(fù)時間長達(dá)9 s。值得注意的是在ASPWM控制下，不平衡的整個動態(tài)過程中輸出電壓波形始終保持非常好的正弦輸出。

圖5 中性點電壓偏移時輸出電壓波形

2）參數(shù)不對稱時的不平衡控制效果

在表1參數(shù)下進(jìn)行實驗對比，調(diào)制比為0.95，將電容1并聯(lián)350歐電阻，電容2并聯(lián)250歐電阻，人為造成電路上的不對稱。兩種調(diào)制方式下中點電壓平衡的控制效果如圖7所示，在波形前半段采用常規(guī)SPWM調(diào)制，后半段切換為ASPWM調(diào)制，圖中波形分別是電容1、2的電壓以及兩個電壓的差值。可以看到，常規(guī)SPWM調(diào)制下電容1和2的電壓差達(dá)到了40 V，而采用ASPWM方法后，電壓差減小到了10 V左右。可以看到ASPWM具有更優(yōu)的中點電壓平衡控制效果，并且即使存在不平衡情況下仍能保持輸出電壓波形很好的正弦度。

圖6 中性點電壓動態(tài)恢復(fù)過程

圖7 中性點電壓平衡控制效果

5 結(jié)論

本文建立了三相三電平NPC逆變器的受控源模型，根據(jù)此模型詳細(xì)分析了中點電壓波動對輸出波形的影響。基于上述分析提出了一種不對稱SPWM方案，可以快速調(diào)節(jié)中點電壓平衡，并且可以有效的消除中點電壓不平衡對輸出波形的影響。該調(diào)制方案具有以下優(yōu)勢：1）不會降低直流電壓利用率；2）消除了中點電壓不平衡對輸出電壓電流波形的影響；3）算法簡單，沒有提高變換器開關(guān)頻率，可以簡單擴(kuò)展到更多電平的逆變器控制。最后基于RT-LAB平臺的試驗結(jié)果驗證了該方案的有效性。

[1] Dong Ho Lee, Seong R. Lee, and Fred C. Lee. An analysis of midpoint balance for the neutral-point-clamped three-level VSI [C]. IEEE Annu. Power Electron. Spec. Conf. Rec., 1998.

[2] Nikola Celanovic and Dushan Boroyevich. A comprehensive study of neutral-point voltage balancing problem in three-level neutral-point-clamped voltage source PWM inverters [J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2000, 15(2): 242-249.

[3] S. Ogasawara and H. Akagi. Analysis of variation of neutral point potential in neutral-point-clamped voltage source PWM inverters [C]. Conf. Rec. IEEE IAS Annu. Meeting, 1993.

[4] J. Pou, D. Boroyevich, and R. Pindado. Effects of imbalances and nonlinear loads on the voltage balance of a neutral-point-clamped inverter [J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2005, 20(1): 123-131.

[5] H. du Toit Mouton. Natural balancing of three-level neutral-point-clamped PWM inverters[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2002, 49(5): 1017-1025.

[6] Amirnaser Yazdani and Reza Iravani. A generalized state-space averaged model of the three-level NPC converter for systematic DC-voltage-balancer and current-controller design[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2005, 20(2): 1105-1114.

[7] 李世軍, 羅隆福, 佘雙翔, 等. 基于空間矢量和特定消諧脈寬調(diào)制的三電平逆變器調(diào)制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30 (12): 34-40.

[8] Wei-dong Jiang, Shao-wu Du, Liu-chen Chang, Yi Zhang and Qin Zhao. Hybrid PWM Strategy of SVPWM and VSVPWM for NPC Three-Level Voltage-Source Inverter [J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2010, 25(10): 2607-2619.

[9] Amit Kumar Gupta and Ashwin M. Khambadkone. A simple space vector PWM scheme to operate a three-level NPC inverter at high modulation index including over modulation region, with neutral point balancing[J]. IEEE Transaction on Industry Application, 2007, 43(3): 751-760.

[10] 宋強(qiáng), 劉文華, 嚴(yán)干貴, 等. 基于零序電壓注入的三電平NPC逆變器中點電位平衡控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2004, 24(5): 67-62．

[11] 張兵, 王政, 儲凱, 等．NPC型三電平逆變器容錯控制模式下的母線電容電壓波動分析及其抑制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30 (7): 52-61.

[12] Chenchen Wang and Yongdong Li. Analysis and calculation of zero-sequence voltage considering neutral-Point potential balancing in three-level NPC converters[J]. IEEE Transaction on Industry Electronics, 2010, 57(7): 2262-2271.

[13] 谷鑫, 姜勃, 耿強(qiáng), 等．基于3次諧波控制及脈沖波動分析的三電平SHE-PWM調(diào)制優(yōu)化策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2015, 30(7): 88-96.

[14] Jordi Zaragoza, Josep Pou, Salvador Ceballos, et al. Voltage-Balance Compensator for a Carrier-Based Modulation in the Neutral-Point-Clamped Converter [J]. IEEE Transaction on Industry Electronics, 2009, 56(2): 305-314.

[15] 李寧, 王躍, 郭偉, 王兆安. 三電平 NPC 變流器雙調(diào)制波載波調(diào)制策略調(diào)制波最優(yōu)解的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(10): 38-48.

[16] Jordi Zaragoza, Josep Pou, Salvador Ceballos, et al. A comprehensive study of a hybrid modulation technique for the neutral-point-clamped converter [J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2009, 56(2): 294-304.

[17] Amit Kumar Gupta and Ashwin M. Khambadkone. New feedforward space-vector PWM method to obtain balanced AC output voltages in a three-level neutral-point-clamped converter[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2002, 49(5): 1026-1034.

Asymmetric PWM method to obtain balanced NP voltage in a three-level neutral-point-clamped converter

Li Rui1, Zheng Zhongxiang1, Wei Hua1,Wu Haowei1, Chen Tao1

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TM464

A

1003-4862(2022)08-0001-06

2022-02-10

海洋核動力平臺技術(shù)、裝備研制及示范應(yīng)用（2017YFC0307800）

李銳（1987-），男，博士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)與裝備。E-mail: learoylr@136.com