一種三電平NPC 變換器中點(diǎn)電位平衡控制策略

蔣佳琛，一政

（1.天水電氣傳動研究所集團(tuán)有限公司，甘肅 天水 741020；2.大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，三電平NPC變換器因其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且具有輸出電壓正弦度好、諧波小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高電壓大功率交流調(diào)速、有源濾波、無功補(bǔ)償以及新能源等領(lǐng)域。但三電平NPC變換器研究的關(guān)鍵問題在于直流母線中點(diǎn)電壓的平衡控制［1］，此問題的存在嚴(yán)重影響了裝置的可靠性和穩(wěn)定性。因此，對三電平NPC變換器直流側(cè)中點(diǎn)電壓平衡問題的研究具有十分重要的意義［2］。

本文以三電平NPC變換器為研究對象，重點(diǎn)研究調(diào)制模式對其中點(diǎn)電位的影響，確定了通過改變偏移量P的大小來改變?nèi)娖絅PC變換器的調(diào)制模式，進(jìn)而達(dá)到直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡的方法。

1 直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡原因

三電平NPC變換器中點(diǎn)電位不平衡最直接的表現(xiàn)是直流側(cè)上、下電容的電壓不均衡。其實(shí)質(zhì)是在一個周期內(nèi)中點(diǎn)電流流入和流出不相等，中點(diǎn)電壓變化量不為零，即充放電電壓不相等，導(dǎo)致中點(diǎn)電壓不平衡。下面對直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡的原因進(jìn)行具體分析。

（1）空間矢量調(diào)制法的影響。三電平NPC變換器共有27個空間矢量，這些矢量分為四類：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量。零矢量和大矢量對中點(diǎn)電位沒有影響，小矢量和中矢量對直流側(cè)中點(diǎn)電位會產(chǎn)生影響，其帶來的影響與網(wǎng)側(cè)電流的現(xiàn)狀有關(guān)；而成對小矢量對直流側(cè)中點(diǎn)電位作用相反。傳統(tǒng)電壓矢量脈寬調(diào)制策略只要采用成對小矢量，就具有直流側(cè)電位自我調(diào)節(jié)的能力，但這種中點(diǎn)電位自我調(diào)節(jié)能力是受脈寬調(diào)制限制的。由于成對小矢量本身的作用時間很短，調(diào)整的力度會很小，所以自我調(diào)節(jié)的能力很弱。如果有不成對的小矢量使用，那么勢必會對中點(diǎn)電位產(chǎn)生影響，不同區(qū)域的累積，就會使得直流側(cè)中點(diǎn)電位的偏移很大。

（2）死區(qū)的影響。在三電平NPC變換器實(shí)際應(yīng)用中，通常都需加入死區(qū)來避免橋臂直通、確保功率器件可靠換相，從而保證裝置可靠穩(wěn)定工作。但由于死區(qū)的加入，使得原本成對的小一組矢量變成成對不等時或者不成對，導(dǎo)致直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡。

（3）由于工藝等原因，直流側(cè)兩個電容的參數(shù)不可能完全一樣。這種差異的存在也是直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡的一種原因。另外，直流側(cè)中點(diǎn)電位的偏移還受電容容量的影響，電容容量越大，在相同電流作用下其產(chǎn)生的偏移就會越小。

（4）負(fù)載類型的影響。三電平NPC變換器根據(jù)功能通常分為整流器和逆變器。作為整流裝置使用時，其負(fù)載多種多樣，分類標(biāo)準(zhǔn)不同，類型也不同。通常有線性負(fù)載或非線性負(fù)載，對稱負(fù)載或非對稱負(fù)載，阻性或者感性負(fù)載。負(fù)載的性質(zhì)不同，對于直流側(cè)中點(diǎn)電位的影響程度也不同。比如，阻性負(fù)載對中點(diǎn)電位平衡的影響較小，感性負(fù)載對中點(diǎn)電位平衡的影響較大。作為逆變器使用時，若采用脈寬調(diào)制策略，這種策略也會造成直流側(cè)中點(diǎn)電位偏移現(xiàn)象。另外，直流側(cè)中點(diǎn)電位的偏移程度不僅和負(fù)載的種類有關(guān)，還受到負(fù)載功率等級大小的影響。

（5）成對的小矢量會使直流側(cè)中點(diǎn)電位具有自我調(diào)節(jié)的能力。在實(shí)際的閉環(huán)控制中，即使能夠保證成對的小矢量等時長使用，但也不能保證同一時刻使用。這種情況的存在也會使直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡，其帶來的影響程度與采用的閉環(huán)控制策略和控制參數(shù)有關(guān)。

在實(shí)際的裝置設(shè)備中，導(dǎo)致中點(diǎn)電位不平衡的原因還有很多。結(jié)合以上分析，把這些原因分為兩類：一類是由采用的脈寬調(diào)制策略本身決定的，另一類是由于負(fù)載導(dǎo)致的。因此，本文為了解決直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡問題，從脈寬調(diào)制策略入手，優(yōu)化脈寬調(diào)制策略，采用閉環(huán)控制策略去調(diào)節(jié)直流側(cè)中點(diǎn)電位。

2 三電平NPC變換器的工作模式

脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）調(diào)制方式的選擇對變換器的工作性能是至關(guān)重要的。本文采用載波法，在三電平拓?fù)渲校d波調(diào)制又分為單調(diào)制波雙載波和雙調(diào)制波單載波兩種調(diào)制方式［3］。前者較為常用，后者研究較少。本文基于雙調(diào)制波單載波的調(diào)制方式，主要分析調(diào)制方式的基本原理，通過偏移量和調(diào)制度的關(guān)系確定調(diào)制模式，從而分析不同調(diào)制模式下三電平NPC變換器的工作特性［4］。

2.1 雙調(diào)制波單載波的基本原理及調(diào)制模式

雙調(diào)制波單載波脈寬調(diào)制的控制方法是將傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)的每相1個調(diào)制波引入偏移量得到2個調(diào)制波，然后和一個三角波載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷［5-6］。三相調(diào)制波與三角載波相交如圖1所示。

圖1 雙調(diào)制波單載波調(diào)制原理圖

三電平NPC變換器每相的1、3管與2、4管都是互補(bǔ)運(yùn)行的，即控制1管的脈沖信號與3管相反，控制2管的脈沖信號與4管相反。因此，只需要得到每相1、2管的脈沖信號，分別取反后就是3、4管的脈沖信號。三電平NPC變換器雙調(diào)制波單載波調(diào)制方法框圖如圖2所示。

圖2 三電平NPC變換器雙調(diào)制波單載波調(diào)制原理框圖

圖中P為偏移量，Ur（r=a，b，c）為三相調(diào)制電壓，根據(jù)圖1可以得到兩組三相調(diào)制電壓為：

其中M為調(diào)制電壓的峰值，即調(diào)制度。采用三角載波，幅值設(shè)為1。通過比較第一組調(diào)制波Ur1與載波Uz的大小來控制1、3管，當(dāng)Ur1>Uz時，1管開通，3關(guān)斷；否則1關(guān)斷，3開通。通過比較第二組調(diào)制波與載波Uz的大小來控制2、4管，原理與控制1、3管時相同。

根據(jù)調(diào)制原理，可以確定調(diào)制度M范圍為0

當(dāng)P＝0時，為單極性模式；

當(dāng)P不等于0時結(jié)合仿真波形圖3，此時調(diào)制波Ua1的峰值等于載波峰值時，開始出現(xiàn)從部分雙極性到雙極性的過渡。如ua1的峰值等于-M+P,載波的幅值固定為1，進(jìn)行如下推導(dǎo)：

圖3 雙調(diào)制波與載波相交示意圖以及A相電壓Uan

-M+P<0時，在圖3中，便無法產(chǎn)生對應(yīng)時刻正跳變，處于部分雙極性模式，此時P

反之，P>M時，能夠產(chǎn)生正跳變，如果這一時刻能夠產(chǎn)生正跳變，那么在同一周期內(nèi)，其他時刻必然能夠產(chǎn)生正跳變，因此處于雙極性模式。

以上分析，只列舉了一組調(diào)制波其中的一相，由于每組調(diào)制波三相的幅值相同，另外兩相情況一樣。綜合以上分析，得到三電平NPC變換器調(diào)制模式與偏移量P、調(diào)制度M的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 調(diào)制模式隨偏移量P與調(diào)制度M大小關(guān)系變化曲線

3 直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡控制方法

3.1 三電平NPC變換器閉環(huán)控制

本文基于DQ變換實(shí)現(xiàn)對三電平NPC變換器的閉環(huán)控制。閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 三電平NPC變換器中點(diǎn)電位平衡控制框圖

具體實(shí)現(xiàn)方案如下：首先將交流側(cè)三相電壓電流量從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，再變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，得到的電壓電流量都為直流量，便于進(jìn)行精確控制［7-8］。通過以上坐標(biāo)變換，可以得到直流反饋量id、iq，讓id跟蹤輸出的電流信號，讓iq趨近于0，消除電流中的無功分量，提高功率因數(shù)，這樣就構(gòu)成電流環(huán)，采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后，將經(jīng)過電流環(huán)輸出的兩個電壓量進(jìn)行DQ反變換，得到三相正弦量，并將幅值限制在1以內(nèi)。結(jié)合前面所介紹的三電平NPC變換器雙調(diào)制波單載波的脈寬調(diào)制策略，對上述得到的三相正弦量引入偏移量P，這樣就得到兩組調(diào)制波，再和載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈沖信號。

3.2 直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡控制

在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡控制［9］。根據(jù)上文中調(diào)制模式的分析，可知偏移量P和調(diào)制度M的大小關(guān)系影響調(diào)制模式。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，調(diào)制度M是網(wǎng)側(cè)三相交流量通過DQ變換得到的直流量與給定量作差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后再經(jīng)過DQ反變換得到的三相正弦量的峰值，其大小是通過上述計(jì)算所得，因此不能通過調(diào)節(jié)M去實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡控制。因此，可以通過改變偏移量P的大小來改變變換器的調(diào)制模式，從而達(dá)到直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡控制這一目標(biāo)［10-11］。

由于在同一調(diào)制度下，單極性模式下直流側(cè)兩電容電壓差的波動范圍較大，中點(diǎn)電位平衡控制能力較弱。在部分雙極性模式下，當(dāng)M不變時，隨著P的增大，直流側(cè)波動減小，平衡度變好，網(wǎng)側(cè)電流畸變減小。但缺點(diǎn)是開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)在增加，帶來的開關(guān)損耗也因此增大。在雙極性模式下，在同一調(diào)制度下，隨著偏移量P的增大，直流側(cè)平衡度隨之變好，網(wǎng)側(cè)電流畸變增加，同理，開關(guān)器件的開關(guān)損耗也會增加。在實(shí)際的閉環(huán)控制中，直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡度、網(wǎng)側(cè)電流的畸變以及開關(guān)器件的開關(guān)損耗需要綜合考慮，盡量使得調(diào)制模式處于部分雙極性或者雙極性模式下。

4 系統(tǒng)仿真

主電路為并網(wǎng)逆變器，仿真電路如圖6所示。

圖6 主電路仿真模型圖

5 仿真結(jié)果及其分析

仿真參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)線電壓380V，頻率50Hz，網(wǎng)側(cè)電阻為10Ω，電感為1.3mH，直流側(cè)上下兩個電容都為1500uF，載波頻率2000Hz。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果

通過仿真可以看出，三電平NPC變換器脈寬調(diào)制的三種調(diào)制模式會給直流側(cè)中點(diǎn)電位帶來不同的影響。綜合來看，雙極性模式下直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡度較好，網(wǎng)側(cè)電流畸變也較小，但開關(guān)損耗比單極性模式和部分雙極性模式都大，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該多方面綜合考慮。