謝路耀 金新民 吳學(xué)智 尹靖元 童亦斌
(1.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310023 2.北京交通大學(xué)新能源研究所 北京 100044)
總結(jié)近年風(fēng)電行業(yè)發(fā)展態(tài)勢,一方面海上風(fēng)能發(fā)展提速,風(fēng)機(jī)功率大型化趨勢明顯;另一方面,并網(wǎng)質(zhì)量與可靠性要求提高,低諧波與電網(wǎng)故障穿越等風(fēng)機(jī)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)苛[1]。而采用高壓電力電子器件與多電平技術(shù)的中壓全功率風(fēng)電變流器,在降低單位容量造價、提高并網(wǎng)電流質(zhì)量和電網(wǎng)故障穿越性能上優(yōu)勢明顯,成為大型風(fēng)機(jī)的完美解決方案[2]。在眾多的多電平拓?fù)渲校琋PC(neutral point clamped)三電平拓?fù)洌ㄒ妶D1),控制簡單、器件數(shù)目小,具有最為廣泛的工業(yè)應(yīng)用。相對于兩電平變流器,其優(yōu)點有:①功率器件承受電壓減小至直流母線電壓的一半;②輸出電壓 du/dt減小一半;③相同開關(guān)頻率下輸出波形質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于兩電平[3]。
圖1 NPC三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of NPC three-level converter
目前主流的 NPC三電平控制策略包括基于零序注入的SPWM與SVPWM兩種,它們的特點是:
(1)基于零序注入的 SPWM:將注入零序分量的正弦調(diào)制波與平移的三角載波進(jìn)行比較,生成對應(yīng)的開關(guān)管脈沖[4]。此種方式的特點是實現(xiàn)簡單,且注入合適的零序分量使中間矢量居中后,可以等效實現(xiàn)傳統(tǒng)七段式(Nearest Three Vectors,N3V)SVPWM[5,6]。通過注入零序分量也可以實現(xiàn)對中點電位的控制,但由于無法準(zhǔn)確判定疊加零序分量后相壓的正負(fù),使零序分量的計算方法過于復(fù)雜[7-9]。且在高調(diào)制系數(shù)、低功率因數(shù)下,此方法仍然無法實現(xiàn)開關(guān)周期內(nèi)平均中點電流為零[9]。
(2)SVPWM:將三相電壓在 αβ坐標(biāo)系下用一旋轉(zhuǎn)的參考矢量等效,按矢量分解原理和參考矢量的位置將其分解為附近幾個開關(guān)矢量并制定其持續(xù)時間,使幾個開關(guān)矢量在開關(guān)周期內(nèi)的協(xié)同作用效果和參考矢量的作用效果相同[10]。SVPWM需復(fù)雜的扇區(qū)判定與矢量分解計算,優(yōu)點是物理意義明晰,便于對調(diào)制策略進(jìn)行解析與優(yōu)化。因此,早期較深入的中點平衡分析[11]和具優(yōu)良性能的中點平衡控制方式[12]都基于SVPWM展開。此外,通過優(yōu)化的扇區(qū)劃分、矢量序列選擇和冗余小矢量配比可實現(xiàn)降低開關(guān)頻率、提高波形質(zhì)量[5,6]甚至在開關(guān)周期內(nèi)實現(xiàn)平均中點電流為零[13]等優(yōu)化控制目標(biāo)。
應(yīng)用于大功率風(fēng)電并網(wǎng)變流器的 NPC三電平控制策略,必須兼顧并網(wǎng)電流質(zhì)量和個別極端情況下的中點電位平衡控制。特別是在電網(wǎng)不對稱跌落時,變流器三相電流不對稱,在網(wǎng)壓恢復(fù)期間又必須對電網(wǎng)進(jìn)行無功支撐,功率因數(shù)低、三相不對稱等惡劣工況對中點電位的平衡控制提出了嚴(yán)峻考驗。在調(diào)制策略的選擇上,采用不同的SVPWM調(diào)制策略確實可以解決上述復(fù)雜問題,但就實現(xiàn)方式來說,多種SVPWM在相互轉(zhuǎn)化上存在扇區(qū)重新劃分、矢量再次分解和開關(guān)序列表重新排序等問題,這些都使調(diào)制策略變得異常復(fù)雜。
為解決上述困難,本文提出了一種基于零序注入與調(diào)制波分解的三電平控制策略,其實現(xiàn)簡單,可等效實現(xiàn)多種SVPWM的控制效果,并可在幾種SVPWM控制效果間平滑轉(zhuǎn)換,是風(fēng)電變流器等需要多目標(biāo)控制三電平變流裝置的完美解決方案。
零序注入型 SPWM 雖然是一種基于相電壓的調(diào)制方式,但零序分量對輸出線電壓不會產(chǎn)生影響,因此一個開關(guān)周期內(nèi),線電壓的伏秒積與未注入零序分量前相等。
為了分析SVPWM是否具有同樣的本質(zhì),將三相線電壓定義為參考矢量,其表達(dá)式為
式中,Vll為線電壓幅值。
將所有線電壓表示的開關(guān)狀態(tài)定位作圖,可以得到三維空間的矢量圖如圖2所示。
圖2 線電壓表示的三維三電平空間矢量圖Fig.2 Line voltage based 3D three level space vector diagram
由于三相線電壓之和為 0,任意以線電壓表示的參考矢量Vref都位于圖2的六邊形平面上。比較圖2與傳統(tǒng)SVPWM三電平空間矢量圖可以發(fā)現(xiàn),不論是形狀還是開關(guān)矢量的分布都一模一樣,且圖2基于線電壓坐標(biāo)系的參考矢量與傳統(tǒng)SVPWM矢量圖基于αβ坐標(biāo)系的參考矢量有唯一對應(yīng)關(guān)系
式中
假設(shè)參考矢量Vref由V1、V2、…、Vn這n個開關(guān)矢量合成,則由SVPWM的矢量分解關(guān)系式
聯(lián)系式(2)可以得到等效關(guān)系式
即
從式(6)得到,三電平 SVPWM 與零序注入SPWM在宏觀本質(zhì)上是相同的,都是在一個開關(guān)周期內(nèi)基于線電壓伏秒積相等的調(diào)制方式,在SPWM調(diào)制中注入零序分量并不會改變矢量在SVPWM矢量圖中的位置。
本節(jié)將探討在一個開關(guān)周期內(nèi),零序注入SPWM與SVPWM在扇區(qū)劃分、開關(guān)序列排布、冗余矢量分配等方面的微觀聯(lián)系。
根據(jù)上一小節(jié)中討論的結(jié)果,利用式(2)、式(3)表述的數(shù)量關(guān)系,可以在傳統(tǒng) SVPWM 矢量圖中添加線電壓坐標(biāo),如圖3所示。線電壓坐標(biāo)系的添加使SVPWM與零序注入SPWM兩種調(diào)制方式的聯(lián)系更直觀,αβ坐標(biāo)系下的參考電壓矢量在各線電壓坐標(biāo)軸上的投影放大倍后即為該相線電壓的瞬時值。根據(jù) Vref在各扇區(qū)所表示的相電壓的相對大小,圖3中將相電壓分為最大、最小和中間值,依次以 Vmax、Vmin和 Vmid來表示。根據(jù)圖3和各線電壓關(guān)系,小扇區(qū)的判定可以用表1來表示。
圖3 三電平空間矢量圖Fig.3 Three-level space vector diagram
表1 小扇區(qū)判定表Tab.1 Small sector decision table
在零序注入 SPWM 中,為提高直流電壓利用率,需將三相調(diào)制波電壓限制在[-0.5Vdc0.5Vdc]范圍內(nèi),為此文獻(xiàn)[5,6]中首先注入零序電壓分量
疊加Voffset1后,新的調(diào)制波為
不難發(fā)現(xiàn),疊加 Voffset1其實是對三相調(diào)制波進(jìn)行了居中處理,新的三相調(diào)制波如圖4所示,也依大小分為,有以下關(guān)系
圖4 疊加Voffset1后的三相調(diào)制波波形Fig.4 Three phase modulation waveforms injected with Voffset1
由三相調(diào)制波必須在[-0.5Vdc0.5Vdc]范圍內(nèi),可以得到可繼續(xù)疊加的零序分量Voffset2的范圍
將三相調(diào)制波分解為 Vmax、Vmin和 Vmid后,對各大扇區(qū)的工況分析將完全一致,為節(jié)省篇幅,本文僅對大扇區(qū)Ⅰ(見圖5)下每個小扇區(qū)一個開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)序列分情況進(jìn)行討論。
圖5 大扇區(qū)Ⅰ的空間矢量圖Fig.5 Space vector diagram in big sectorⅠ
根據(jù)式(6),并令0.5Vdc為滿占空比,即
可以計算得到SVPWM調(diào)制下圖5中各小扇區(qū)的占空比dn見表2。
表2 大扇區(qū)Ⅰ中各矢量的占空比Tab.2 Duty circle of each vector in sectorⅠ
文獻(xiàn)[4]描述了一種基于載波平移的多電平SPWM調(diào)制方法,本文提出的三電平控制策略也將使用此調(diào)制方式為基礎(chǔ)。根據(jù)式(8)得到的三相調(diào)制波和表1,繪制載波平移的SPWM在一個開關(guān)周期內(nèi)的矢量序列如圖6所示。從圖6中三相調(diào)制波的相對位置可以得到,不需要任何計算,零序注入SPWM的各矢量占空比就天然滿足表2中SVPWM計算得到的占空比,說明零序注入SPWM的線電壓關(guān)系和 SVPWM的矢量分解完全等效。Voffset2的注入將使三相調(diào)制波上下平移,平移對矢量序列和占空比分布的影響可以用圖7解釋,虛線框為一個開關(guān)周期的長度,當(dāng)前虛線框所處的位置為圖6所對應(yīng)的脈寬序列,疊加Voffset2將使虛線框左右移動,引起開關(guān)周期內(nèi)矢量序列與占空比的改變,但無論如何移動,表2的占空比關(guān)系恒成立,改變的僅僅是冗余矢量及其配比。
圖6 大扇區(qū)Ⅰ中的三相調(diào)制波與矢量序列Fig.6 Three phase modulation waveforms and vector sequences in big sectorⅠ
圖7 開關(guān)周期窗口移動圖Fig.7 Switching period window shift diagram
無論虛線框如何移動,一個開關(guān)周期內(nèi)每相橋臂至多只開關(guān)一次,因此通過零序注入,只能得到傳統(tǒng)五段式或七段式N3V的調(diào)制方法。若想得到更多的扇區(qū)分解方法與矢量序列組合,在零序電壓注入后,還須將調(diào)制波進(jìn)行正負(fù)分解。分解后的正調(diào)制波Vx+和負(fù)調(diào)制波Vx-為
參見圖7b對B相的分解,調(diào)制波的分解使開關(guān)序列的首末分別疊加了占空比同為Δd的N和P序列,等效于SVPWM調(diào)制方式中扇區(qū)劃分和冗余矢量分配的變化,但對該相調(diào)制波的平均幅值沒有絲毫影響,當(dāng)然也不會破壞線電壓伏秒積的平衡關(guān)系。隨著Δd的增大,三電平橋臂將趨于PN轉(zhuǎn)變的兩電平工況,開關(guān)過程容易出現(xiàn)器件端壓超過0.5Vdc的情況,因此,必須在PN狀態(tài)之間疊加一個最小的O狀態(tài)VminO,Δd的最大值也由此計算得到。
減小開關(guān)損耗,就是使某相在一個開關(guān)周期內(nèi)的矢量序列不變化,也就是通過疊加零序使某相調(diào)制波等于0或±0.5Vdc。從圖7發(fā)現(xiàn),通過疊加合適的零序分量,在1、2、3、4小扇區(qū)可以使任意相橋臂不開關(guān),而在 5、6小扇區(qū)只能使相壓為 Vmax與Vmin的兩相橋臂不開關(guān)。其中,在1、2扇區(qū),Vmax與Vmin相既可以等于0也可以等于±0.5Vdc,但等于±0.5Vdc的情況可能使兩個相鄰周期出現(xiàn)P、N變化,因此,只能使其等于 0。綜上所述,在各扇區(qū)要使各相不開關(guān)所需疊加的Voffset2為
扇區(qū)判定依表1進(jìn)行,為了最大限度降低開關(guān)損耗,還可對三相電流實時值進(jìn)行比較,選擇讓電流幅值最大的相不開關(guān)。
為了優(yōu)化輸出電壓的波形質(zhì)量,需要滿足兩個條件[5,6]:①采用 N3V的調(diào)制方法;②滿足最優(yōu)矢量序列的排布原則:非冗余矢量居中,冗余矢量均分并依次排布在序列的首末。
按照規(guī)則,對于傳統(tǒng)七段式N3V,Voffset2為[5,6]
使用本文中調(diào)制波分解的方法,可以達(dá)到比七段式 N3V更優(yōu)的波形質(zhì)量。分析虛線框內(nèi)的開關(guān)周期,在1~4區(qū),的注入已將OOO或PON居中,進(jìn)一步把相分解,可以在開關(guān)序列的始或末添加一個冗余矢量,使一個開關(guān)周期內(nèi)伏秒積的波動更小。以圖7b為例,取30.5d d Δ = ,序列末增加了PPO,并使矢量序列滿足了最優(yōu)波形質(zhì)量的兩條規(guī)則。在5、6扇區(qū),最優(yōu)波形質(zhì)量的規(guī)則已被滿足,對相的分解反而將使調(diào)制方式脫離N3V的原則。扇區(qū)判定依表1進(jìn)行,總結(jié)1~6區(qū)達(dá)到最優(yōu)波形質(zhì)量所需的Δd有以下關(guān)系
注入Voffset1后的三相調(diào)制波,對相進(jìn)行調(diào)制波分解,其流入中點的平均電流Inpav的表達(dá)式可以寫為
可以得到平均中點電流的簡化式
假設(shè)上、下電容不平衡電壓差為ΔV,上、下組電容的容值為C,開關(guān)頻率為f,若在一個開關(guān)周期內(nèi)需要補(bǔ)償不平衡電壓,即
代入式(18)得
若ΔV為0,上式為
式(20)需要滿足式(12)中Δd的約束條件,當(dāng)計算得到的Δd超限時,需按邊界值選取。式(20)說明,在全功率因數(shù)和調(diào)制比范圍,僅需檢測實時相電流和不平衡電壓,就可以通過分解相,對中點電壓進(jìn)行平衡控制。式(21)說明,當(dāng)中點電位恢復(fù)平衡后,必然存在 Δd使一個開關(guān)周期內(nèi)的平均中點電流為零,達(dá)到消除中點電位低頻波動的目的。文獻(xiàn)[13]中討論的基于虛擬矢量的中點平衡控制方法,其實就是式(21)的特例,與文獻(xiàn)[13]相比,本文的中點平衡控制方法免去了繁瑣的扇區(qū)劃分與矢量計算,還可以對中點電位進(jìn)行反饋控制,方式更簡便性能更優(yōu)異。
使用式(13),根據(jù)三相電流的大小,進(jìn)行最小開關(guān)損耗三電平調(diào)制,在各調(diào)制比與功率因數(shù)下得到的波形如圖8所示。可以得到,在功率因數(shù)較高與調(diào)制比較低時,可在電流為峰值時完全實現(xiàn)無開關(guān)損耗;但當(dāng)調(diào)制比較高且功率因數(shù)較低時,由于相電流最大的相正好為V*mid相,且其位于5、6區(qū),式(13)最小開關(guān)的條件無法成立,如圖8d的A、B區(qū)域。在這種情況下,可以優(yōu)化使電流幅值第二大的相進(jìn)行最小開關(guān)損耗控制。
使用式(14)和式(15),可以得到最優(yōu)波形質(zhì)量的傳統(tǒng)七段式 N3V調(diào)制和本文雙調(diào)制波調(diào)制在各調(diào)制比下的三電平輸出電壓波形與FFT分析如圖9。高調(diào)制比時,兩種調(diào)制方式的波形與諧波分布基本相同,這是因為式(14)、式(15)在5、6區(qū)其實相等;在調(diào)制比較低時,雖然總THD兩種調(diào)制方式相當(dāng),雙調(diào)制波調(diào)制略低,但諧波的分布上,雙調(diào)制波調(diào)制的諧波集中分布在開關(guān)頻率及其倍次上,在濾波器的設(shè)計上更簡單且易取得更好的濾波效果。
圖8 最小開關(guān)損耗三電平調(diào)制(基波50Hz,開關(guān)頻率1 800Hz,各變量標(biāo)幺化為1)Fig.8 Minimum switching loss three-level modulation(Fundamental=50Hz,Switching frequency=1 800Hz,all variables are in pu)
圖9 最優(yōu)波形質(zhì)量三電平調(diào)制(基波50Hz,開關(guān)頻率1 800Hz,各變量標(biāo)幺化為1)Fig.9 Optimal waveforms quality three-level modulation(fundamental=50Hz,switching frequency=1 800Hz,all variables are in pu)
圖10 雙調(diào)制波中點平衡三電平調(diào)制(基波50Hz,m=1,開關(guān)頻率1 800Hz,各變量標(biāo)幺化為1)Fig.10 Double modulation waves three-level modulation with neutral point balance(fundamental=50Hz,switching frequency=1 800Hz,all variables are in pu)
使用式(20),可以得到雙調(diào)制波中點平衡調(diào)制的波形如圖10所示。和最優(yōu)波形質(zhì)量的雙調(diào)制波相比,中點平衡的三電平調(diào)制不是基于N3V的調(diào)制方式,在5、6區(qū)調(diào)制波也進(jìn)行了分解。不同調(diào)制方式的中點平衡控制效果見圖11,圖中前20ms為傳統(tǒng)七段式N3V調(diào)制,20~40ms在N3V調(diào)制中加入了中點平衡控制,40ms以后為雙調(diào)制波中點平衡調(diào)制。圖中縱坐標(biāo)為中點波動系數(shù) k,數(shù)值上等于相電流1A、對稱組直流電容1mF、基波頻率50Hz時的中點電位波動值。實際中點波動電壓 ΔV可以將k、對稱組直流電容容值C(mF)、基波頻率f以及相電流幅值I代入下式得到
圖11 各功率因數(shù)下中點平衡控制效果對比(基波50Hz,開關(guān)頻率1 800Hz)Fig.11 Neutral point balance control performance contrast in different power factors(Fundamental=50Hz,Switching frequency=1 800Hz)
圖11中,中點不平衡電壓呈三倍基頻振蕩,調(diào)制比m越接近于1,功率因數(shù)cosφ越接近于0,振蕩幅值越大,此時傳統(tǒng)N3V的中點平衡控制效果已不理想,施加雙調(diào)制波中點平衡調(diào)制后,中點電位的低頻波動被完全消除。
采用 DSP28335作為控制芯片,在交流阻感負(fù)載下對本文的調(diào)制策略進(jìn)行了實驗驗證。實驗條件基波 50Hz,開關(guān)頻率 1 800Hz,對稱組直流電容C=6.8mF,m=0.6,Vdc=125V,負(fù)載 L=1mH,R=1.7?,多種調(diào)制策略的切換和效果對比如圖12所示,其中的正調(diào)制波經(jīng)控制板DA轉(zhuǎn)換得到,調(diào)制方式轉(zhuǎn)換時相電流未出現(xiàn)波動,實現(xiàn)了平滑轉(zhuǎn)換。
圖12 多調(diào)制策略的切換和效果對比Fig.12 The switching and performance contrast of different modulation strategies
實驗條件基波50Hz,開關(guān)頻率1 800Hz,對稱組直流電容 C=430μF,m=0.8,Vdc=125V,負(fù)載L=5mH,R=1.7?,多種調(diào)制策略的中點平衡效果對比如圖13所示。最小開關(guān)損耗調(diào)制時未對中點電位偏移進(jìn)行任何抑制,出現(xiàn)了較大波動;七段式N3V和雙調(diào)制波優(yōu)化THD兩種調(diào)制方式,由于開關(guān)周期首尾的冗余矢量造成的中點偏移剛好互相抵消,僅非冗余矢量造成了中點的波動,中點電位波動情況得到了緩解;中點平衡N3V調(diào)制時波動得到抑制,但還是無法完全消除3倍基頻波動(具體原因參見文獻(xiàn)[11]);雙調(diào)制波中點平衡調(diào)制實現(xiàn)了開關(guān)周期內(nèi)平均中點電流為零,因此中點電位只存在高頻波動,中點電位控制效果最好。
圖13 多調(diào)制策略中點平衡效果對比Fig.13 Neutral point balance performance contrast in different modulation strategies
(1)零序注入型SPWM與SVPWM三電平調(diào)制都是基于線電壓伏秒積相等的調(diào)制方式,使用線電壓坐標(biāo)系空間矢量圖和開關(guān)周期窗口移動圖可以較為直觀地解釋兩種調(diào)制方式在占空比和矢量序列上的一致性。
(2)注入零序電壓使調(diào)制波等于±0.5Vdc或 0可以使該相不開關(guān),通過檢測相電流消除幅值較大相的開關(guān)損耗可以使整機(jī)開關(guān)損耗降至最低。
(3)將幅值居中的調(diào)制波分解,使非冗余矢量居中,冗余矢量對稱首尾排布,可以優(yōu)化輸出線電壓的諧波分布。
(4)檢測實時相電流和中點不平衡電壓,通過中間相調(diào)制波的分解,可以對中點電位進(jìn)行反饋控制,并可在全范圍消除中點電位的低頻波動。
(5)所提出的基于零序注入與調(diào)制波分解的三電平調(diào)制方式,易于編程實現(xiàn)和控制目標(biāo)轉(zhuǎn)換,具有優(yōu)良性能。
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