馬大俊，胡存剛，，王群京，張超

（1.安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽合肥230601；2.安徽大學安徽省工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽合肥230601；3.安徽大學教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽合肥230601）

三電平ANPC逆變器中點電壓平衡的VSVPWM控制策略

馬大俊1，胡存剛1，2，3，王群京2，3，張超1

（1.安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽合肥230601；2.安徽大學安徽省工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽合肥230601；3.安徽大學教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽合肥230601）

提出了一種用于控制三電平ANPC逆變器中點電壓平衡的改進式虛擬空間矢量調(diào)制（VSVPWM）方法，該方法使用與傳統(tǒng)VSVPWM調(diào)制方法一樣的基本矢量參與合成虛擬小矢量和虛擬中矢量，并根據(jù)采樣得到的中點電壓偏移情況以及三相電流的大小。在低調(diào)制度時，重新計算合成虛擬小矢量的正負小矢量的分配系數(shù)；在調(diào)制度較高時，重新選擇產(chǎn)生不同中點電流的改進式虛擬中矢量，從而達到動態(tài)調(diào)節(jié)中點電壓平衡的目的。此方法增強了中點電壓平衡的控制效果，且實現(xiàn)了對整個矢量空間范圍內(nèi)中點電壓的控制。最后，通過仿真和實驗驗證了所提出的控制策略的有效性。

三電平逆變器；有源中點鉗位；中點電壓；虛擬空間矢量調(diào)制

Abstract:An improved virtual space vector PWM（VSVPWM）strategy was proposed to balance the neutralpointpotential（NP）forthree-levelactiveneutral-point-clamped（ANPC）inverter.Theimprovedvirtualvectors′synthesis method was based on the VSVPWM strategy.According to the NP offset and three-phase currents，when the modulation index was lower，the partition coefficient of a pair of short vectors could be recalculated，and when the modulation index was high，the appropriate improved virtual medium vectors which produce different neutral point current could be reselected in the next fundamental period.Therefore，the NP could be controlled effectively.This strategy can balance the NP wherever the reference vector locates in the space vector diagram（SVD）.Lastly，simulation and experimental results are provided to verify the effectiveness of the proposed control strategy.

Key words:three-level inverter；active neutral-point-clamped；neutral point potential；virtual space vector pulsewidth modulation

多電平逆變器具有功率器件承受電壓應力小、輸出諧波含量小以及效率高等優(yōu)點，受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注［1-2］。三電平有源中點鉗位型（active neutral point clamped，ANPC）逆變器的拓撲由德國學者Bruckner T于2001年首次提出［3］，該拓撲采用功率開關器件代替了傳統(tǒng)中點鉗位型（neutral point clamped，NPC）逆變器拓撲［4-5］中的鉗位二極管，產(chǎn)生了4種冗余的零電壓狀態(tài)，在逆變器的工作中，通過合理使用這些冗余的零電壓狀態(tài)即可平衡各功率開關器件的損耗分布［6］。

NPC拓撲存在著中點電壓不平衡的問題，當直流側(cè)電容電壓偏差較大時會造成輸出電流波形畸變率增大，低次諧波含量增加，嚴重時甚至有可能會造成功率開關器件和濾波電容的損壞。因此，近年來NPC逆變器的中點電壓平衡問題受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注［6-14］。文獻［6-8］通過分析中點電壓和零序電壓的關系，提出了采用載波移相PWM和基于零序電壓注入的中點電壓平衡控制方法，該方法只能在一定的調(diào)制度和功率因數(shù)下對中點電壓進行有效平衡控制；文獻［9-10］提出了基于空間矢量調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）的中點電壓平衡控制策略，這些控制方法都是采用傳統(tǒng)的最近三矢量（nearest three vector，NTV）方法來合成參考矢量，在調(diào)制度較大和功率因數(shù)較低時，中點電壓平衡不能得到有效的控制；文獻［11］提出了一種簡化的三電平SVPWM算法，將三電平空間矢量里6個中矢量的頂點中相對面的2個頂點兩兩相連，得到的3條線將該六邊形區(qū)域平均分成6個四邊形的扇區(qū)，該算法可以得到相應的7段式開關序列，但簡單的7段式開關序列會造成明顯的中點電位不平衡；文獻［12-15］提出了虛擬空間矢量調(diào)制方法（virtual SVPWM，VSVPWM），在穩(wěn)定狀態(tài)時理論上中點電壓能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，但在實際動態(tài)運行過程中，由于受到器件的參數(shù)、直流電壓的波動、負載變化和其他非線性因素等的影響不能保證中點電壓理論上的平衡，且在調(diào)制度較大時不能快速地實現(xiàn)中點電壓控制。

本文針對三電平ANPC逆變器中點電壓不平衡的問題，提出了一種用于控制中點電壓平衡的改進式虛擬空間矢量調(diào)制策略。該策略選擇與傳統(tǒng)VSVPWM調(diào)制方法一樣的基本矢量參與合成虛擬小矢量和虛擬中矢量，且當合成虛擬中矢量的3個矢量的系數(shù)不同時，產(chǎn)生的中點電流也不同，而這些不同的中點電流對中點電壓的影響也不同，所以本文重新定義了3個不同的虛擬中矢量。根據(jù)采樣得到的中點電壓偏移情況以及三相電流的大小，在調(diào)制度較低時，重新計算合成虛擬小矢量的正負小矢量的分配系數(shù)；在調(diào)制度較高時，重新選擇產(chǎn)生不同中點電流的改進式虛擬中矢量，從而來動態(tài)地調(diào)節(jié)中點電壓的平衡。該策略增強了中點電壓平衡的控制效果，且克服了傳統(tǒng)的SVPWM以及VSVPWM控制策略在某些區(qū)域內(nèi)無法控制中點電壓平衡的不足。最后，通過仿真和實驗驗證了該控制策略的有效性。

1 三電平ANPC拓撲

三相三電平ANPC逆變器的拓撲如圖1所示。

圖1 三電平有源中點鉗位逆變器拓撲Fig.1 Three-level ANPC converter topology

圖1中，每相橋臂都由6個功率開關器件組成，分別為Sx1，Sx2，Sx3，Sx4，Sx5和Sx6，其中x表示a相、b相或者c相。因為有源鉗位的作用，每相橋臂都可以輸出P，O，N3種狀態(tài)，對應輸出的電壓分別為Udc/2，0，-Udc/2。因為用功率開關器件Sx5和Sx6代替了傳統(tǒng)的二極管鉗位型逆變器中的鉗位二極管，所以三電平ANPC的拓撲有了4種冗余的零狀態(tài)，分別為OU1，OU2，OL1和OL2，通過合理地分配這4種冗余零狀態(tài)的作用時間就可以平衡開關器件的損耗［16］。三電平ANPC逆變器每相都有6種開關狀態(tài)，如表1所示。其中開關狀態(tài)“1”表示功率開關器件處于開通狀態(tài)，開關狀態(tài)“0”表示功率開關器件處于關閉狀態(tài)。

表1 三電平ANPC逆變器的開關狀態(tài)Tab.1 Switching states of three-level ANPC converter

2 空間矢量調(diào)制

傳統(tǒng)的三電平空間矢量圖如圖2所示，整個空間矢量圖分為A～F 6個大區(qū)，每個大區(qū)性質(zhì)類似。三電平逆變器的基本矢量按照模長可以分為6個大矢量、6個中矢量、6對正負小矢量以及3個零矢量。

圖2 三電平空間矢量圖Fig.2 Three level space vectors diagram

大矢量和零矢量對中點電壓沒有影響，而中矢量和正負小矢量對中點電流的影響如表2所示。令電流從逆變器流向負載為正，中點電壓Unp由直流下側(cè)電容電壓減去直流上側(cè)電容電壓，則當三相輸出電流ia(t)，ib(t)，ic(t)為正時，中矢量和正負小矢量對中點電壓的影響如表3所示。由表3可知，正小矢量和中矢量使中點電壓減小，負小矢量使中點電壓增加。

表3 不同矢量對中點電壓的影響Tab.3 Effect on NP with different vectors

3 改進式VSVPWM及中點電壓平衡控制策略

由表2和表3可知，成對的正、負小矢量對中點電壓的影響相反，因此可以通過控制正、負小矢量的作用時間來控制中點電壓平衡。但中矢量對中點電壓的影響是根據(jù)電流方向確定，其自身無法調(diào)節(jié)。

3.1 改進式虛擬空間矢量的定義

以A區(qū)為例，定義改進的虛擬空間矢量。設電流從逆變器流向負載為正，中點電壓的偏移由直流下側(cè)電容電壓減去直流上側(cè)電容電壓，且在1個開關周期Ts內(nèi)，三相輸出電流ia，ib，ic為恒定值。為了簡化矢量分區(qū)和作用時間的計算，本文引入了g-h坐標系。

虛擬小矢量的定義：利用一對冗余的正負小矢量合成虛擬小矢量。以矢量ONN，POO為例，構建虛擬小矢量：

矢量ONN作用時的中點電流為ia，矢量POO作用時的中點電流為-ia。所以在矢量VVS1作用時間TVS1期間內(nèi)，流出逆變器中點的電荷為

當kS1=0.5時，流出逆變器中點的電荷量為零，則虛擬小矢量VVS1在作用時間TVS1期間內(nèi)，對逆變器的中點電位沒有影響。同理可以合成出虛擬小矢量VVS2。

改進式虛擬中矢量的定義：使用小矢量ONN，PPO以及中矢量PON合成改進式的虛擬中矢量。

矢量ONN作用時產(chǎn)生的中點電流為ia，矢量PON作用時產(chǎn)生的中點電流為ib，矢量PPO作用時產(chǎn)生的中點電流為ic。則改進的虛擬中矢量VIVM1在其作用時間TIVM1內(nèi)，流出逆變器中點的電荷為

根據(jù)式（4）可得出如下結論：

1）當kM1=1/3時，虛擬中矢量在空間矢量圖中的位置及坐標如圖3所示，A大區(qū)內(nèi)小區(qū)的分區(qū)方法如表4所示。此時流出逆變器中點的電荷為零，所以kM1=1/3時虛擬中矢量對中點電位沒有影響。這與傳統(tǒng)的VSVPWM調(diào)制方法中的虛擬中矢量的定義一樣。理論上該虛擬中矢量對中點電位沒有影響，但是當中點電位發(fā)生波動時，卻無法有效地對其進行調(diào)節(jié)。

圖3kM1=1/3時的三電平空間矢量圖Fig.3 Three level space vectors diagram whenkM1=1/3

表4kM1=1/3時A區(qū)內(nèi)小區(qū)的判斷規(guī)則Tab.4 Judgment rule in first sextant whenkM1=1/3

2）當kM1=1/6時，改進的虛擬中矢量在空間矢量圖中的位置及坐標如圖4所示，A大區(qū)內(nèi)小區(qū)的分區(qū)方法如表5所示。此時流出逆變器中點的電荷為

如果ic＞ia，則QIVM1＞0，電流流出逆變器，直流上側(cè)電容電壓因充電而升高，直流下側(cè)電容電壓因放電而降低。

如果ic＜ia，則QIVM1＜0，電流流入逆變器，直流上側(cè)電容電壓因放電而降低，直流下側(cè)電容電壓因充電而升高。

圖4kM1=1/6時的三電平空間矢量圖Fig.4 Three level space vectors diagram whenkM1=1/6

表5kM1=1/6時A區(qū)內(nèi)小區(qū)的判斷規(guī)則Tab.5 Judgment rule in first sextant whenkM1=1/6

3）當kM1=1/2時，改進的虛擬中矢量在空間矢量圖中的位置及坐標如圖5所示，A大區(qū)內(nèi)小區(qū)的分區(qū)方法如表6所示。流出逆變器中點的電荷為

圖5kM1=1/2時的三電平空間矢量圖Fig.5 Three level space vectors diagram whenkM1=1/2

表6kM1=1/2時A區(qū)內(nèi)小區(qū)的判斷規(guī)則Tab.6 Judgment rule in first sextant whenkM1=1/2

3.2 逆變器中點電壓平衡控制策略

由上述分析可知，對于虛擬小矢量，可以通過選擇合適的kS1來調(diào)節(jié)中點電壓的平衡；對于虛擬中矢量，kM1=1/3時虛擬中矢量對中點電位沒有影響，而kM1=1/6時虛擬中矢量對中點電位的影響與kM1=1/2時相反，因此可以根據(jù)中點電壓以及輸出電流的大小，在下一開關周期Ts內(nèi)動態(tài)地選擇kM1的值，來控制中點電壓的平衡。本文以A區(qū)為例闡明控制逆變器中點電壓平衡的方法，其它區(qū)可以以此類推。

3.2.1 A1區(qū)中點電壓平衡控制策略

當參考矢量Uref落在A1區(qū)時，流出逆變器中點的電荷為

產(chǎn)生的中點電壓的偏移為

當檢測到逆變器的中點電壓偏差為ΔU時，則要在下一個開關周期Ts內(nèi)產(chǎn)生1個-ΔU來平衡中點電壓的波動，如下式：

則根據(jù)下式可求出kS1和kS2的值，并在下一開關周期內(nèi)使用kS1和kS2的值參與合成虛擬小矢量。

3.2.2 A2～A5區(qū)中點電壓平衡控制策略

當參考矢量Uref落在A2～A5區(qū)時，可以使用本文提出的改進的虛擬中矢量來控制逆變器中點電壓的平衡。根據(jù)檢測到的中點電壓偏移值ΔU以及輸出的電流大小，選擇合適的kM1值來平衡中點電壓。

具體的控制過程如下：1）當ΔU＞0時，說明直流下側(cè)電容需要放電。若ic＞ia，則選擇kM1=1/6；若ic＜ia，則選擇kM1=1/2。此時電荷會流出逆變器中點，使得中點電壓降低；2）當ΔU＜0時，說明直流下側(cè)電容需要充電。若ia＞ic，則選擇kM1=1/6；若ia＜ic，則選擇kM1=1/2。此時電荷會流入逆變器中點，使得中點電壓升高；3）當ΔU=0時，說明直流下側(cè)電容既不需要充電，也不需要放電，選擇kM1=1/3。

圖6給出了整個控制策略的系統(tǒng)結構圖，實現(xiàn)了三電平ANPC逆變器中點電壓平衡的閉環(huán)控制。根據(jù)DSP實時采樣得到的直流上、下側(cè)電容電壓值和三相負載電流大小之后，判斷參考矢量的位置，若參考矢量在A1區(qū)內(nèi)，則按照式（10）重新計算正負小矢量的分配系數(shù)，否則通過動態(tài)地選擇kM1的值來控制中點電壓的平衡。最后通過DSP計算產(chǎn)生相應的PWM開關序列，驅(qū)動功率開關器件的工作。

圖6 控制策略的系統(tǒng)結構圖Fig.6 System block diagram of control strategy

4 仿真和實驗

4.1 仿真研究

為了驗證本文所提出的用于控制中點電壓平衡的改進式虛擬空間矢量調(diào)制策略的可行性和有效性，在Matlab中搭建了三電平ANPC逆變器的仿真模型進行驗證，仿真參數(shù)為：直流母線電壓200 V；直流側(cè)電容4 700 μF；開關頻率5 kHz；R-L負載R=11 Ω，L=4 mH；輸出頻率50 Hz。在調(diào)制度m=0.8時，對傳統(tǒng)的SVPWM和論文中提出的改進式虛擬空間矢量調(diào)制策略進行了仿真研究。

在調(diào)制度m=0.8時2種調(diào)制方法下得到的線電壓波形和直流上、下側(cè)電容電壓的波形分別如圖7和圖8所示。

圖7 SVPWM控制策略下的仿真波形Fig.7 Simulation results under SVPWM

圖8 改進式VSVPWM控制策略下的仿真波形Fig.8 Simulation results under improved VSVPWM

對比圖7和圖8的仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的SVPWM方法作用時，直流上、下側(cè)的電容電壓分別分布在100 V上下波動，且波動的幅度較大，中點電壓沒有得到很好的控制；而使用本文提出的改進式虛擬空間矢量調(diào)制策略時，直流上、下側(cè)電容電壓的波形都均勻地分布在100 V上、下波動，且波動的幅度很小，中點電壓得到了很好的控制，從而證明了本文所提出的控制策略的有效性。

4.2 實驗研究

為了進一步驗證本文所提出的控制策略的有效性，在實驗室搭建了基于TMS320F28335 DSP和EPM1270T144I5N CPLD為核心的控制器平臺，采用IRF840 MOSFET為主開關器件的三電平ANPC實驗平臺。實驗平臺技術參數(shù)與仿真一致，死區(qū)時間設置為4 μs。

和仿真一樣，在調(diào)制度為0.8時，對傳統(tǒng)的SVPWM和論文中提出的改進式虛擬空間矢量調(diào)制策略進行了實驗研究。在調(diào)制度m=0.8時2種調(diào)制方法下得到的線電壓波形和直流上、下側(cè)電容電壓波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 SVPWM控制策略下的實驗波形Fig.9 Experiment results under SVPWM

圖10 改進式VSVPWM控制策略下的實驗波形Fig.10 Experiment results under improved VSVPWM

根據(jù)圖9和圖10的實驗波形可以看出，傳統(tǒng)的SVPWM控制策略作用時，直流上、下側(cè)的電容電壓分別分布在100 V上下波動，并沒有達到平衡狀態(tài)；而本文提出的改進式虛擬空間矢量調(diào)制策略作用時，直流上、下側(cè)的電容電壓波形幾乎重合，且均勻地分布在100 V上、下波動，中點電壓得到了有效的控制。實驗波形證實了本文所提出的控制策略的有效性。

5 結論

本文提出了一種用于控制三電平ANPC逆變器中點電壓平衡的改進式VSVPWM調(diào)制策略。該策略中虛擬小矢量由1對冗余的正、負小矢量合成，虛擬中矢量由原來的中矢量和與之相鄰的2個正小矢量合成，當合成虛擬中矢量的3個基本矢量的分配系數(shù)不同時，虛擬中矢量會產(chǎn)生不同的中點電流，從而對中點電壓有著不同的影響，因此本文重新定義了矢量的分配系數(shù)，選擇3個不同的虛擬中矢量來控制中點電壓的平衡。根據(jù)采樣得到的中點電壓偏移情況以及三相輸出電流的大小，當參考矢量在A1區(qū)時，重新計算合成虛擬小矢量的正、負小矢量的分配系數(shù)；當參考矢量在A2～A5區(qū)時，選擇對應的kM1值，即重新選擇產(chǎn)生不同中點電流的改進式虛擬中矢量，從而達到動態(tài)地控制逆變器中點電壓平衡的目的。該策略增強了中點電壓平衡的控制效果，且克服了傳統(tǒng)的SVPWM以及VSVPWM控制策略在某些區(qū)域內(nèi)無法控制中點電壓平衡的不足。

最后搭建了三電平有源中點鉗位型逆變器的仿真模型和實驗平臺，對提出的控制策略進行了驗證，仿真和實驗結果證實了本文所提出的控制策略的有效性。

［1］Deng N，Wang P Y，Zhang X P，et al.A DC Current Flow Con?troller for Meshed Modular Multilevel Converter Multiterminal HVDC Grids［J］.Power and Energ Systems Csee Journal of，2015，1（1）：43-51.

［2］李勇，麥瑞坤，陸立文，等.一種采用級聯(lián)型多電平技術的IPT系統(tǒng)諧波消除與功率調(diào)節(jié)方法［J］.中國電機工程學報，2015，35（20）：5278-5285.

［3］Bruckner T，Bemet S.Loss Balancing in Three-level Voltage Source Inverters Applying Active NPC Switches［C］//Power Electronics Specialists Conference，2001.PESC.2001 IEEE 32nd Annual.2001，2：1135-1140.

［4］王琛琛，李永東.多電平變換器拓撲關系及新型拓撲［J］.電工技術學報，2011，26（1）：92-99.

［5］劉云峰，何英杰，陳娟，等.二極管鉗位多電平空間矢量與載波調(diào)制策略統(tǒng)一理論研究［J］.中國電機工程學報，2015，35（5）：1203-1210.

［6］Wang K，Xu L，Zheng Z，et al.Capacitor Voltage Balancing of a Five-level ANPC Converter Using Phase-shifted PWM［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（3）：1147-1156.

［7］王奎，鄭澤東，李永東.五電平有源中點鉗位型逆變器母線中點電壓平衡問題［J］.中國電機工程學報，2012，32（3）：30-35.

［8］Videt A，Le Moigne P，Idir N，et al.A New Carrier-based PWM Providing Common-mode-current Reduction and DC-bus Balancing for Three-level Inverters［J］.IEEE Transac?tions on Industrial Electronics，2007，54（6）：3001-3011.

［9］Mohzani Z，McGrath B P，Holmes D G.A Generalized Natural Balance Model and Balance Booster Filter Design for Threelevel Neutral Point Clamped Converters［C］//Energy Conver?sion Congress and Exposition（ECCE），2014 IEEE.IEEE，2014：211-218.

［10］Tan G，Deng Q，Liu Z.An Optimized SVPWM Strategy for Five-level Active NPC（5L-ANPC）Converter［J］.IEEE Trans?actions on Power Electronics，2014，29（1）：386-395.

［11］張瑾，齊鉑金，張少如.Z源三電平中點鉗位逆變器的空間矢量調(diào)制方法［J］.電工技術學報，2010，25（9）：108-116.

［12］Monge S B，Somavilla S，Bordonau J，et al.Capacitor Voltage Balance for the Neutral-point-clamped Converter Using the Virtual Space Vector Concept with Optimized Spectral Perfor?mance［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（4）：1128-1135.

［13］胡存剛，王群京，李國麗，等.基于虛擬空間矢量的三電平NPC逆變器中點電壓平衡控制方法［J］.電工技術學報，2009，24（5）：100-107.

［14］桂石翁，吳芳，萬山明，等.變虛擬空間矢量的三電平NPC變換器中點電位平衡控制策略［J］.中國電機工程學報，2015，35（19）：5013-5021.

［15］范波，謝冬冬，趙偉剛.基于VSVPWM的三電平中點電位補償平衡控制［J］.電氣傳動，2014，44（7）：38-43.

［16］Brückner T，Bernet S，Steimer P K.Feedforward Loss Control of Three-level Active NPC Converters［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43（6）：1588-1596.

VSVPWM Strategy for Three-level Active NPC Inverter Neutral Point Potential Balance

MA Dajun1，HU Cungang1，2，3，WANG Qunjing2，3，ZHANG Chao1
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Anhui University，Hefei230601，Anhui，China；2.Anhui Provincial Collaborative Innovation Center of Industrial Energy Saving and Power Quality Control，Anhui University，Hefei230601，Anhui，China；3.Engineering Research Center of Power Quality，Ministry of Education，Anhui University，Hefei230601，Anhui，China）

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20170906

國家自然科學基金資助項目（51307002）；安徽省高校自然科學研究重大項目（KJ2016SD02）

馬大?。?993-），男，碩士研究生，Email：mdj18769@163.com

2016-07-26

修改稿日期：2016-10-18