綦 慧 盧昭禹

（北京工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程，北京 100124）

I型NPC式三電平變流器中點(diǎn)電位平衡控制的研究與實(shí)現(xiàn)

綦 慧 盧昭禹

（北京工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程，北京 100124）

隨著清潔能源技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對高壓輸/配電技術(shù)提出了更高要求。為此，I型二極管鉗位式（NPC）三電平變流器以輸出功率大、器件電壓應(yīng)力低等特點(diǎn)逐漸進(jìn)入了實(shí)用階段。本文中三電平變流器系統(tǒng)采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），變流器電流控制采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下（dq）固定頻率的直接電流控制策略，并針對變流器中的中點(diǎn)電位平衡控制方法進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。這種方法不僅不需要額外的硬件電路，而且大量的系統(tǒng)理論仿真實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了該方法的可行性與優(yōu)越性。

三電平變流器；電壓空間矢量調(diào)制；直接電流控制；中點(diǎn)電位平衡

清潔能源代替化石能源已成為能源發(fā)展的必然趨勢。隨著清潔能源開發(fā)技術(shù)的不斷突破，要保障大型清潔能源基地的集約開發(fā)和電力的可靠送出，適應(yīng)大規(guī)模清潔能源安全并網(wǎng)，需要加快發(fā)展高壓輸變電[1]。三相三電平變流技術(shù)作為一種新興變流器技術(shù)，因其具有開關(guān)器件電壓應(yīng)力低、對電網(wǎng)諧波污染小等優(yōu)勢，已經(jīng)在電力、能源特別是中高電壓輸變電領(lǐng)域獲得越來越多的關(guān)注[2]。I型二極管鉗位式三電平拓?fù)渚哂休敵鲋C波小、控制效率高的特點(diǎn)[3]，在三電平變流器領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。但是，當(dāng)變流器運(yùn)行電流流過直流側(cè)電容中點(diǎn)時(shí)，中點(diǎn)電位不平衡成為三電平變流器不可避免的問題。中點(diǎn)不平衡將會造成交流側(cè)電流畸變，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，威脅到電網(wǎng)安全。

針對中點(diǎn)不平衡問題，文獻(xiàn)[4]提出了一種基于FPGA的混合控制策略，通過對冗余矢量的選擇來獲得優(yōu)化的開關(guān)序列，實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)電位控制；文獻(xiàn)[5]分析了死區(qū)時(shí)間對中點(diǎn)電位的影響，由于死區(qū)的存在，不同電平對中點(diǎn)電容的充放電時(shí)間存在差異，從而導(dǎo)致中點(diǎn)電平失衡，采用直接控制死區(qū)時(shí)間的方法控制對中點(diǎn)沖放電的時(shí)間，最終達(dá)到中點(diǎn)控制的目的；文獻(xiàn)[6-7]提出了通過分析三相電流來處理中點(diǎn)不平衡的情況，最終都是通過調(diào)節(jié)小矢量作用時(shí)間的方法來控制中點(diǎn)電位。以上方法都有效抑制了中點(diǎn)電位的波動區(qū)間，但都沒有注意到中點(diǎn)電位在零附近整體振動的問題。

本文針對中點(diǎn)電壓控制整體偏移、振蕩的缺陷，基于SVPWM調(diào)制技術(shù)與直接電流控制策略的三電平變流器，分析了變流器中點(diǎn)電位波動以及整體偏移的根本原因，提出了一種新的三電平中點(diǎn)電位平衡控制方法。該方法基于三電平變流器直流側(cè)中點(diǎn)電壓反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，以控制電壓空間基礎(chǔ)小矢量的選擇和作用時(shí)間達(dá)到控制中點(diǎn)電位的目的。理論仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效抑制中點(diǎn)電位的波動及在零點(diǎn)處整體的偏移振動。

1 三電平變流器中點(diǎn)電位分析

1.1 I型二極管鉗位式三電平變流器

I型NPC式三電平變流器的主電路如圖1所示。

圖1 I型NPC式三電平變流器的主電路

圖1中三電平變流器交流側(cè)接三相進(jìn)線電感，功率開關(guān)部分為 I型三電平二極管鉗位式變流橋，直流側(cè)兩個(gè)電容Cd1和Cd2串接，三個(gè)極點(diǎn)分別為正（P）、零（O′）、負(fù)（N），Cd1、Cd2充電電流分別為 ic1、ic2，電壓為 Udc1、Udc2；中點(diǎn)電流iO′，直流電流idc；交流側(cè)電流ia、ib、ic，三相電流對稱，直流、交流電流正方向如圖 1所示。對直流側(cè)零點(diǎn)O′應(yīng)用Kirchof電流定律，得到

其中

由文獻(xiàn)[8]知有如下電流關(guān)系

其中

定義中點(diǎn)電位平衡方程如下：

當(dāng)變流器運(yùn)行時(shí)不滿足式（7）的都稱為中點(diǎn)不平衡。不平衡的現(xiàn)象分為兩種：①中點(diǎn)電位波動。當(dāng)Cd1和Cd2充放電量的大小和動作時(shí)間不會完全一致時(shí)，Udc1、Udc2的變化步調(diào)也會不同，中點(diǎn)必定會存在一定的波動；②整個(gè)中點(diǎn)電壓相對零點(diǎn)偏移時(shí)，即如果Cd1、Cd2的充放電電流存在固定的差異，相應(yīng)的 Udc1、Udc2的差距就會越來越大，形成中點(diǎn)電壓的零點(diǎn)偏移。中點(diǎn)電位波動會直接影響交流側(cè)電流的正弦度，降低變流器功率因數(shù)；中點(diǎn)偏移使得功率電路交流進(jìn)線側(cè)相電壓產(chǎn)生畸變，最極端的情況可能導(dǎo)致三電平變成兩電平，使整個(gè)直流電壓都積壓在其中一個(gè)電容上。此時(shí)如果功率電路設(shè)計(jì)閾值不夠大，就會損壞電容和功率開關(guān)器件。

由式（2）、式（3）可知，影響直流側(cè)兩個(gè)電容分壓的根本原因在于兩個(gè)電容的充放電流。在一段時(shí)間內(nèi)，如果將兩個(gè)電容的充放電流一致，則中點(diǎn)電位保持在一個(gè)動態(tài)的平衡狀態(tài)；充放電流存在偏差，也就是iO′不為零，中點(diǎn)電壓不再平衡。如果這種電流偏差存在波動，中點(diǎn)電位就會在一個(gè)范圍內(nèi)波動；若同一電流偏差持續(xù)時(shí)間較長，則隨著電容充放電量差異的擴(kuò)大，中點(diǎn)電壓會形成較大的偏移，這種電流差異的來源與器件開頭狀態(tài)Sij存在直接關(guān)系。變流器系統(tǒng)控制采用dq坐標(biāo)下固定頻率的直接電流控制策略[9]，原理圖如圖2所示。

圖2 三電平變流器dq坐標(biāo)下直接電流控制原理

圖 2中，id*為有功電流、iq*為無功電流，是 dq坐標(biāo)系下的直流時(shí)不變信號；dq坐標(biāo)下直接電流控制的思想是把三相正弦交流電流變換為兩相靜止坐標(biāo)下的直流信號進(jìn)行獨(dú)立控制，利用PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)電流的無靜差控制，得到良好的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能；PI輸出后給PWM發(fā)生器生成12路的PWM控制信號，這些信號組成了新的開關(guān)狀態(tài)Sij。中點(diǎn)電流的差異來源就是開關(guān)狀態(tài)的不合理造成的，要解決這種差異來源，還需要深入分析PWM信號的發(fā)生機(jī)制。

1.2 三電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制

電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）是PWM調(diào)制最實(shí)用、最直觀的一種算法，具有電壓利用率高、概念清晰等特點(diǎn)[10]。三電平變流器電壓空間基礎(chǔ)矢量圖如圖3所示。

圖3 三電平變流器電壓空間矢量圖

三電平電壓狀態(tài)存在3個(gè)電平，其合成電壓空間基礎(chǔ)矢量狀態(tài)共有 33=27個(gè)。由圖可知，這些矢量根據(jù)模長可以分為4類，分別是零矢量、小矢量、中矢量、大矢量，不同的矢量對應(yīng)一組Sij的開關(guān)組合，不同的組合會產(chǎn)生不同的中點(diǎn)電流iO`。由式（1）、式（2）可得如下關(guān)系，即

且三相變流器交流電流滿足如下方程：

以圖3中灰色區(qū)域?yàn)槔Y(jié)合式（8）、式（9）進(jìn)行推導(dǎo)，得到基礎(chǔ)矢量與中點(diǎn)電流關(guān)系，見表1。

由表1可知，零矢量和大矢量對中點(diǎn)電流沒有影響，小矢量每個(gè)位置都有一對作用相反的中點(diǎn)電流存在，中矢量產(chǎn)生一個(gè)固定的中點(diǎn)電流。根據(jù)SVPWM合成參考電壓矢量原則：取最近的3個(gè)基礎(chǔ)空間矢量合成，圖3中的陰影部分可以分為4個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域都會有小矢量的作用，R1、R2有兩對小矢量，R3、R4有一對小矢量作用。定義中點(diǎn)電壓為

表1 電壓空間矢量-開關(guān)組合Sij-中點(diǎn)電流

表1 電壓空間矢量-開關(guān)組合Sij-中點(diǎn)電流

矢量類別 矢量 開關(guān)組合 中點(diǎn)電流iO'0 0 0 SaOSbO'ScO' 0 1 1 1 SaPSbPScP0零矢量-1 -1 -1 SaNSbNScN0 1 1 0 SaPSbPScO' -ic0 0 -1 SaO'SbO'ScN+ic0 -1 -1 SaO'SbNScN-ia小矢量1 0 0 SaPSbO'ScO' +ia中矢量 1 0 -1 SaPSbO'ScN-ib1 -1 -1 SaPSbNScN0大矢量1 1 -1 SaPSbPScN0

ΔUdc圍繞著一個(gè)電位的振蕩就是中點(diǎn)電壓波動，ΔUdc波動中點(diǎn)不在零電壓稱為中點(diǎn)電位的偏移。當(dāng)ΔUdc＞0時(shí)，上電容電壓大于下電容電壓，需要減小上電容的充電電流，也就是iO′＜0；相反ΔUdc＜0時(shí)，增加下電容的充電電流，即iO′＞0。小矢量可以滿足上述控制要求，只要對每個(gè)區(qū)域中基礎(chǔ)小矢量的選擇及其作用時(shí)間進(jìn)行控制，就可以對中點(diǎn)電流進(jìn)行控制。

2 中點(diǎn)電位平衡控制方法

中點(diǎn)電位平衡控制的目的是，抑制三電平變流器中點(diǎn)電位的波動和偏移。抑制中點(diǎn)電位的波動通過小矢量的選擇來實(shí)現(xiàn)，以圖3中R3區(qū)域?yàn)槔?，根?jù)表1可以得到如下小矢量選擇思路，如圖4所示。

圖4 小矢量選擇策略

電容電壓充放電過程有一定時(shí)間的滯后。在此為了更快實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)偏移的矯正，在不影響系統(tǒng)控制性能的前提下，本文采用一種增加小矢量的作用時(shí)間作用時(shí)間的方法來更快的實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡控制。

這種方法以三電平直流側(cè)兩個(gè)分壓電容的電壓差作為反饋，采用PI控制器，中點(diǎn)電壓給定為0，控制環(huán)輸出直接疊加到SVPWM調(diào)試調(diào)制的小矢量作用時(shí)間 TL上，中點(diǎn)控制環(huán)的量級小于直接電流環(huán)，以免造成電流環(huán)的波動。其控制框圖如圖5所示。

圖5 小矢量作用時(shí)間控制環(huán)

在 Matalab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了控制系統(tǒng)仿真，仿真模型運(yùn)行在整流模式，得到系統(tǒng)中點(diǎn)電位波形圖，如圖6所示。

圖6 無中點(diǎn)電位平衡控制的中點(diǎn)電壓仿真波形圖

圖7 采用控制小矢量選擇和作用時(shí)間的中點(diǎn)電壓

對比圖 6、圖 7可知，變流器系統(tǒng)沒有中點(diǎn)電位平衡控制時(shí)中點(diǎn)電壓存在 8V的波動，且有較大的電位偏移。在加入中點(diǎn)電位平衡控制算法后，中點(diǎn)電位得到的明顯的改善，電壓波動范圍縮小到3.5V，大部分的中點(diǎn)電位偏移得到了控制，但中點(diǎn)電位波動中心存在一定的振蕩。

這種中點(diǎn)波動中心的振蕩來源于中矢量的作用。由表1可知，中矢量作用時(shí)也存在中點(diǎn)電流，但是中點(diǎn)電流方向是不定的，也沒有相應(yīng)的反作用來抵消，中矢量中點(diǎn)電流在與小矢量中點(diǎn)電流疊加的過程中，如果中矢量與小矢量電流作用方向相同，就會出現(xiàn)調(diào)節(jié)作用過強(qiáng)的情況，使得中點(diǎn)電壓存在低頻紋波，中點(diǎn)電壓波動整體振蕩。為了減小中點(diǎn)電位波動的低頻紋波，本文提出了一種改進(jìn)的控制器，優(yōu)化了小矢量作用時(shí)間控制環(huán)。

這種方法的基本思路是，在中點(diǎn)電位在一個(gè)極小的區(qū)間內(nèi)時(shí)，切斷中點(diǎn)電位控制作用，從而抑制出現(xiàn)調(diào)節(jié)作用過強(qiáng)的情況。方法是在變流器系統(tǒng)中點(diǎn)控制PI調(diào)節(jié)器中加入遲滯因子K，K的取值為

式中，h為遲滯帶寬。改進(jìn)后的中點(diǎn)電位平衡控制框圖如圖8所示。

圖8 改進(jìn)的小矢量作用時(shí)間控制環(huán)

圖9 采用帶遲滯因子小矢量作用時(shí)間控制的中點(diǎn)電壓仿真波形圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證中點(diǎn)電位平衡算法的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下制作了一臺2kW的I型NPC式三電平變流器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。變流器采用TMS320F2812作為主控制芯片，EPM3256（CPLD）作為邏輯協(xié)處理器，功率開關(guān)采用Infineon的F3L50R06三電平NPC式變流橋模塊。實(shí)驗(yàn)中變流器運(yùn)行在整流模式，系統(tǒng)設(shè)置的主要參數(shù)見表2。

變流器系統(tǒng)檢測采集了直流側(cè)電壓Udc、上電容Cd1電壓Udc1，中點(diǎn)電壓需要經(jīng)過運(yùn)算才能得到，計(jì)算及顯示在調(diào)試DSP的上位機(jī)軟件Code ComposerStudio（CCS）中完成。圖10所示為CCS中觀測的中點(diǎn)電位波形圖。

表2 變流器整流模式實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖10 CCS觀測的中點(diǎn)電位波形

圖 10（a）為變流器整流狀態(tài)下沒有中點(diǎn)電位平衡控制的中點(diǎn)電位，中點(diǎn)電壓波動峰峰值為10V，電位偏移達(dá)到了 10V；在圖 10（b）中加入中點(diǎn)電位平衡控制后的中點(diǎn)電壓偏移得到了有效的抑制，電壓波動幅度為6V，但可以看到中點(diǎn)電位整體存在一個(gè)低頻振動；圖 10（c）采用改進(jìn)后的中點(diǎn)電壓波形，顯示這種低頻振動明顯減少，三電平變流器中點(diǎn)電位平衡。為了進(jìn)一步驗(yàn)證中點(diǎn)電位平衡控制對整個(gè)變流器系統(tǒng)的影響，通過示波器直接觀測了系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)電壓電流以及變流橋交流側(cè)線電壓波形，如圖11所示。

圖11 示波器觀測實(shí)驗(yàn)波形

圖 11（a）、圖 11（b）所示分別為加入中點(diǎn)電位平衡控制前后的交流側(cè) A相電壓電流波形圖，CH1通道為電網(wǎng)交流A相工頻電壓波形ea，CH2為變流器系統(tǒng)交流側(cè)A相電流波形ia。從兩個(gè)圖的對比可以看出，中點(diǎn)電位平衡控制前后系統(tǒng)電流波形基本沒有變化，說明中點(diǎn)電位平衡控制并沒有影響系統(tǒng)電流環(huán)的作用，電流正弦度較高，功率因數(shù)較高。

圖 11（c）、圖 11（d）所示為加入中點(diǎn)電位平衡控制前后變流橋交流側(cè)線電壓 Uab的波形，都是完整的五電平波形；放大波形，將S1（S3）、S2（S4）區(qū)域中相同位置波形對比可以看出，加入中點(diǎn)電位平衡后的線電壓波形波頭更加平整，且各個(gè)電平的偏移得到了改善。

4 結(jié)論

本文提出了一種帶遲滯因子的三電平變流器中點(diǎn)電位平衡控制方法，有效抑制了中點(diǎn)電壓的偏移和低頻振動。分析了I型NPC式三電平變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電流環(huán)控制策略，導(dǎo)出中點(diǎn)不平衡的根本原因，隨后進(jìn)一步探索了三電平SVPWM調(diào)制方法各矢量對中點(diǎn)電流的作用。根據(jù)矢量作用特點(diǎn)選用小矢量作為中點(diǎn)電位平衡的控制對象，包括小矢量的擇優(yōu)方法及作用時(shí)間調(diào)節(jié)，并進(jìn)一步優(yōu)化了小矢量作用時(shí)間控制環(huán)。仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種方法效果顯著，系統(tǒng)中點(diǎn)電位得到了良好的控制，并且保持了變流器電流控制環(huán)的作用效果，沒有對系統(tǒng)造成干擾。

[1]劉振亞.特高壓交直流電網(wǎng)[M].北京: 中國電力出版社,2013.

[2]李永東,肖曦.大容量多電平變換器：原理·控制·應(yīng)用[M].北京: 科學(xué)出版社,2005.

[3]Nabae A,Takahashi I,Akagi H.A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1981,17(5): 518-523.

[4]Bartsch A,Senicar F,Kratz S,et al.Enhanced FPGA based three level space vector pulse width modulation with active neutral point balancing,"in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE),2013 IEEE,vol.,no[Z].2013: 1748-1753.

[5]Sprenger M,Alvarez R,Bernet S.Direct dead-time control-a novel dc-link neutral-point balancing method for the three-level neutral-point-clamped voltage source inverter,"in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE),2012 IEEE,vol.,no[Z].2012: 1157-1163.

[6]Rao Ak,Reddy CP,Jain P,et al.P[C]//in IECON 2012-38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society,2012: 129-133.

[7]Sahoo S K,Sultanat R,Anbarasu A.Common mode-voltage elimination and dc-link balancing for three-level inverter[C]//Sustainable Energy and Intelligent Systems (SEISCON 2011),International Conference on,2011.7: 284-289,20-22.

[8]何湘寧,陳阿蓮.多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[9]張興.PWM 整流器及其控制策略的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2003.

[10]達(dá)正花.電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2004,16(3): 65-68.

電池管理系統(tǒng)供電電路

近日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布專利“電池管理系統(tǒng)供電電路”，專利權(quán)人為寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司。

本實(shí)用新型公開了一種電池管理系統(tǒng)供電電路，其包括電池管理系統(tǒng)、繼電器、控制電源和供電電源，控制電源能夠通過繼電器控制供電電源與電池管理系統(tǒng)連通。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、無需附加專用的開關(guān)便可以自動控制和切換狀態(tài)，對動力鋰離子蓄電池的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行供電，保證電池管理系統(tǒng)在電動汽車處于行駛運(yùn)行和充電兩種狀態(tài)時(shí)正常工作，具有較低的制造成本和較長的使用壽命。

Research and Implementation of the Neutral PointVoltage Balance for I-type NPC Three-Level Converter

Qi Hui Lu Zhaoyu
(Beijing University of Technology,Beijing 100124)

With the development of clean energy,more requirements for high voltage electricity transmission and distribution are proposed.The I-type diode neutral point clamped (NPC) three-level converter is practical used for its high capacity and low device voltage stress.In this paper,three-level space vector pulse width modulation (SVPWM) and the direct current control at fixed frequency based on the rotational coordinates (dq) are adapted in the converter.The neutral point voltage (NPV) imbalance is specifically analyzed to design a control method.This method does not need any additional hardware circuit.Results of simulation and experiments have demonstrated the feasibility and superiority of the proposed approach.

three-level converter; space vector; direct current control; neutral point voltage balance

綦 慧（1971-），女，博士，副教授，主要從事電力電子與電氣傳動、新能源相關(guān)的研究工作。