多電平變換器中性點電壓平衡控制的拓展型教學案例設計

葉 舒， 張 峰

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引 言

為了適應高壓大功率應用場景，多電平變換器由兩電平逐步向高電平等級發展。拓撲結構的不斷創新，對變換器的調制及控制策略提出了更高的要求［1-3］。經過數10年的發展，多電平變換器技術已日趨成熟，但均衡功率開關電壓應力、提高變換器的功率密度、減少電壓電流的諧波失真以及抗電磁干擾等，依然是多電平變換器技術面臨的重要課題［4-5］。嵌套式中點可控型（nested neutral-point piloted，NNPP）五電平變換器作為一種新型變換器拓撲結構，具有功率密度高、魯棒性好、靈活性強等優點，在GE的中高壓產品中得到了廣泛應用［6］。由于該變換器的功率開關器件較多，調制策略靈活，過程中需要考慮直流側電容和懸浮電容電壓的平衡、紋波抑制以及減少諧波失真等問題，給變換器的調制及控制帶來了一定的挑戰，但同時也提供了優化和創新的空間，非常適合作為相關課程的實驗教學案例，其目的是讓學生更加深刻地理解所學知識，理論聯系實際，綜合提升學生的仿真和實驗能力，培養工程實踐能力和創新思維。

本實驗教學以五電平NNPP變換器為例進行研究，從變換器的拓撲結構、運行原理和空間矢量脈寬調制（pulse width modulation，PWM）策略出發，介紹了多種直流側中性點電壓的平衡控制方法，基于Matlab/Simulink平臺搭建系統仿真模型，并進行仿真結果分析和參數優化。合理規劃知識點，由淺入深，從易到難，讓學生在有限的課程時間內，將所學理論知識和實踐結合，初步具備獨立完成多電平變換器建模仿真的能力，同時激發學生的學習熱情和創新精神，引導其主動思考，開拓思路，從現有的知識和方法出發，進一步提出優化策略和改進方案。

1 五電平NNPP變換器運行原理

1.1 五電平NNPP變換器拓撲結構

五電平NNPP變換器以三電平T型拓撲結構為基本模塊進行嵌套組合，并通過懸浮電容進行電壓鉗位，其結構簡單對稱，減少了所需的功率開關器件數量，模塊化的嵌套方式支持拓撲向高電平等級拓展，能夠更好地適用于中高壓及大功率場合［7］。變換器的單相拓撲結構如圖1所示。

1.2 五電平NNPP變換器調制策略簡述

電路的拓撲結構是多電平逆變器的基礎，而每一種拓撲需要有與之相匹配的調制策略對變換器進行控制。目前，關于五電平NNPP變換器調制策略展開的研究較少。文獻［8］中針對該變換器提出了一種基于空間矢量脈寬調制（Space Vector PWM，SVPWM）的調制策略。SVPWM是常用的PWM調制策略之一，具有開關損耗小、計算簡單、電壓利用率高等優點。本節對五電平NNPP變換器的運行原理進行簡要闡述，便于后續展開中性點電壓平衡的分析。如圖1所示，在單相12個絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）中，上、下橋臂中成對出現的IGBT控制策略完全一致，后文中為簡化分析視其為一體。將變換器輸出的5個電平等級記為2E、E、0、-E、-2E，其對應的開關組合用羅馬數字Ⅴ～Ⅰ表示，如表1所示。其中，2E和-2E電平分別對應一種開關組合，E電平和-E電平分別對應2種開關組合，以字母A、B進行區分，0電平對應3種開關組合，以字母A、B、C進行區分。

表1 五電平對應的開關組合及開關狀態

五電平等級對應的開關組合及電流通路分別如圖2所示，設圖中i＞0。

2 基于五電平NNPP變換器中性點電壓平衡控制的教學案例研究

中性點電壓平衡是保障多電平變換器安全穩定運行的關鍵技術之一。目前，基于PWM的中性點電壓平衡策略主要包括虛擬空間矢量調節法、閉環控制調節法、零序電壓注入法、優化開關序列調節法、時間調節因子法、輔助電路調節法等［9-14］。對于五電平NNPP變換器，由于其電平等級較高，且中性點電壓平衡策略和懸浮電容電壓控制策略相互影響、相互制約，增加了控制的難度，給學生的學習帶來了一定的挑戰，但同時也給學生掌握較為復雜的變換器控制方法提供了良好的平臺。本文設計的教學案例選取了3種中性點電壓平衡控制方法進行講述，分別對變換器的穩態和暫態運行模式進行分析；對比3種方法的優缺點，明確方案設計的出發點，進行引導式教學，讓學生從控制策略的基本原理出發，通過仿真實驗，掌握五電平NNPP變換器中性點電壓控制，進而能夠將所學知識拓展到其他拓撲結構和電平等級的變換器中。

2.1 固定時間調節因子法

采用固定的時間調節因子λ是調節中性點電壓的一種常用方法。該方法通過調整空間矢量圖中冗余電壓矢量的作用時間，改變流過中性點的電流，從而達到平衡電壓的目的。該方法的優點是簡單、直觀、易于實施；缺點是不夠靈活，無法根據電壓的偏移程度選取最優占空比，過小的λ取值無法完全消除中性點電壓偏移，而過大的λ容易形成諧波和窄脈沖。另外，λ的取值范圍在0和1之間，對電壓偏移的調節能力有限，在某些調制下，λ取極值也無法完全實現中性點的電壓平衡。

2.2 自適應調節因子法

文獻［7］中提出了一種自適應的時間調節因子法，根據不同扇區選擇相應的開關組合，通過流過中性點的電荷量，以及中性點電壓偏移的方向，實時計算調節因子λ，從而得到每段開關組合的作用時間。該方法解決了固定時間調節因子法存在的問題，可根據實際電路運行狀況對中性點電壓進行動態調整，算法的魯棒性較好，控制靈活；缺點是計算復雜度較高，對電路參數獲取的實時性要求較高，算法的延時會引入一定的計算誤差。自適應調節因子法流程如圖3所示。

2.3 動態段式切換法

文獻［15］中提出了一種動態段式切換空間矢量脈寬調制策略，該策略根據采樣電壓在空間矢量圖中所在的奇偶三角形的不同，動態地切換七段式和九段式調制策略，調制過程滿足最近三角形原則，實現了開關組合的最優選擇，不會增加額外的諧波和波形畸變。控制策略僅和空間基本矢量相關，降低了算法復雜度，與拓撲結構和電平等級耦合度低，算法易于實現且通用性好，可應用于其他結構和電平等級的變換器中，具備較好的工程應用價值。方法流程如圖4所示。

3 基于Matlab/Simulink的系統仿真建模與分析

3.1 五電平NNPP變換器仿真建模

本案例分析采用Matlab/Simulink進行系統建模，搭建五電平NNPP變換器仿真模型。模塊化系統示意圖如圖5所示。

變換器的參數設置如表2所示。

3.2 仿真實現與結果分析

當系統運行在穩態狀態下，采用3種中性點電壓平衡策略時的仿真波形如圖6所示。其中，直流側中性點電壓偏移ΔUdc＝0.5×（Udcp-Udcn）。圖6（a）顯示了采用固定時間調節因子λ時，輸出線電壓Uab、相電壓Uao、ΔUdc、Udcp和Udcn的波形，λ∈［0，1］。設ηUdc為觸發調節因子的電壓偏移值，η不可過小，否則會導致頻繁調節，極大地增加開關損耗，工業上通常取η＝5%。本案例中，當ΔUdc＜ηUdc時，λ＝0；當ΔUdc＞ηUdc時，λ＝0.8。由仿真結果可知，因λ和η取值范圍有限，采用固定時間調節因子時，直流側電壓難以完全平衡，直流側電壓偏移的程度嚴重依賴η的取值。圖6（b）和（c）分別顯示了采用自適應時間調節因子法和動態段式切換法的仿真波形，可見中性點電壓均得到了較好的平衡。3種方法下，穩態下ΔUdc的峰峰值分別為0.48、0.57和0.38 V。采用自適應調節因子法的中性點電壓紋波較大，電壓的平衡以增加電壓紋波為代價；采用動態段式切換法的中性點電壓平衡和紋波抑制效果最佳。

當中性點電壓受到干擾發生顯著偏移，系統運行在非穩態狀態下時，分別觀察采用自適應調節因子法和動態段式切換法時的中性點電壓平衡能力。由圖7可見，兩種策略都可以實現中性點電壓的平衡。初始狀態下，中性點電壓偏移量約為12 V，采用自適應時間調節因子法時，電壓平衡所需時間約為80 ms；采用動態段式切換法時，電壓平衡所需時間約為42 ms，比自適應調節因子法節約了47.5 %的時間。

4 結 語

本教學案例通過對嵌套式中點可控型五電平變換器的中性點電壓平衡問題展開討論，簡要介紹了變換器的拓撲結構和運行原理，分析了基于SVPWM的3種中性點電壓平衡策略——固定的時間調節因子法、自適應調節因子法和動態段式切換法。搭建了系統仿真模型，從穩態下的中性點電壓平衡效果，紋波抑制效果，以及非穩態下的電壓平衡能力等方面對3種方法進行了對比。本教學課程以一種較復雜拓撲結構的變換器作為案例，生動地向學生演示了多電平變換器的建模方法、調制策略以及特定問題的解決思路，促使學生主動思考，幫助學生鞏固和提升多電平變換器的理論知識、增強實踐能力，培養學生的科學創新意識。