許杭蓬 陳權(quán) 李國麗 杜祥

關(guān)鍵詞： 三電平NPC逆變器; 脈寬調(diào)制; 電壓空間矢量; 中點(diǎn)電流; 中點(diǎn)電位平衡; 全調(diào)制度

中圖分類號： TN123+.5?34; TM13 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0129?05

Research on neutral?point voltage balance of three?level NPC inverter

based on improved SVPWM

XU Hangpeng1，2， CHEN Quan1，3， LI Guoli1，4， DU Xiang1，2

（1. School of Electrical Engineering and Automation， Anhui University， Hefei 230601， China;

2. National Engineering Laboratory of Energy?Saving Motor & Control Technology， Anhui University， Hefei 230601， China;

3. Electric Energy Quality Engineering Research Center of Ministry of Education， Anhui University， Hefei 230601， China;

4. Collaborative Innovation Center of Industrial Power?Saving and Electric Energy Quality Control， Anhui University， Hefei 230601， China）

Abstract： The three?level NPC inverter is applied to high?voltage and high?power occasions for its advantages of high DC voltage utilization rate， low switching voltage and low output voltage harmonics. The problem of neutral?point voltage balance has always been the key to the three?level NPC inverter research. The traditional space vector modulation method is improved in this paper. The medium and small vectors which are located in different small triangles of each sector and affect the neutral?point potential are redistributed or virtualized without changing the lengths of original vectors， so as to completely eliminate the effect of voltage vectors on the neutral?point potential in theory. The neutral?point voltage balance capability control of the method is flexible and effective at the full modulation depth. The correctness of the proposed method was verified in the simulation and experiment.

Keywords： 3?level NPC inverter; pulse width modulation; voltage space vector; neutral?point current; neutral?point potential balance; full modulation depth

0 ?引 ?言

有關(guān)三電平NPC逆變器和逆變器調(diào)制策略的研究較多[1?3]。中點(diǎn)電壓平衡問題一直是三電平NPC逆變器研究的關(guān)鍵?？臻g矢量調(diào)制（SVPWM）方法具有控制簡單、直流電壓利用率高、輸出諧波低等優(yōu)勢，而被廣泛運(yùn)用和研究[4?6]。但是SVPWM模式的缺點(diǎn)是沒有考慮到有鏈接負(fù)載時(shí)，電壓矢量對中點(diǎn)電流的影響。虛擬空間矢量調(diào)制（VSVPWM）方法雖然能在理論上完全消除電壓矢量對中點(diǎn)電流的影響;但是由于不同的虛擬矢量的構(gòu)建方法，VSVPWM模式的電壓平衡能力在調(diào)制度小于0.67時(shí)受到的限制[7?9]。在文獻(xiàn)[10]中利用零矢量、中矢量和大矢量構(gòu)建的虛擬中、小矢量法，雖然使得虛擬矢量產(chǎn)生的共模電壓幅值僅為傳統(tǒng)虛擬空間矢量法的[12]，但是脈沖序列輸出諧波大，控制復(fù)雜，基本上不采用NTV法的電壓矢量。

本文基于SVPWM對各個(gè)扇區(qū)的小三角形進(jìn)行不同的矢量虛擬。為了不增加計(jì)算量，同時(shí)提高該方法的可移植性，虛擬的空間矢量不改變原來空間矢量的幅值，從而在不改變計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上，可完全消除電壓矢量對中點(diǎn)電流的影響，該方法理論上在調(diào)制度允許范圍內(nèi)都有效。

1 ?三電平逆變器基本原理及其空間電壓矢量對中點(diǎn)電流的影響

1.1 ?三電平逆變器基本原理

三電平NPC逆變器的拓?fù)淙鐖D1所示。

直流母線上的兩個(gè)電容器C1和C2起到濾波和緩沖作用。每相橋臂由4個(gè)IGBT [SX1～SX4]和2個(gè)鉗位二極管[DX1，DX2]組成（X=a，b，c），通過控制4個(gè)開關(guān)管[SX1～SX4]，來控制每相電壓的輸出電平。表1為開關(guān)狀態(tài)與輸出電平的關(guān)系。

三電平空間矢量圖如圖2所示。三電平逆變器空間電壓矢量有27個(gè)空間電壓矢量，其中零矢量有兩個(gè)冗余矢量，每個(gè)小矢量有一個(gè)冗余小矢量，故共有19個(gè)有效電壓矢量。

1.2 ?空間電壓矢量對中點(diǎn)電流的影響

直流母線的兩電容器的電壓與流過電容的電流iC有關(guān)，假設(shè)在很短的時(shí)間t內(nèi)iC不變，電容器Ci的電壓[UCi]為：

[UCi=1Ci0tiCidt+UCi0， ? i=1，2] ? ? ?（1）

本文中中點(diǎn)電壓Unp和中點(diǎn)電壓偏移量[ΔUnp]的定義如下：

[Unp=1C20tiCidt+UCi0ΔUnp=Unp-12UDC] ? ? ? ?（2）

電壓矢量對中點(diǎn)電流影響很大，文獻(xiàn)里都有詳細(xì)的分析，這里不再贅述。表2為不同電壓矢量對中點(diǎn)電流的影響。

2 ?改進(jìn)的SVPWM中點(diǎn)電位平衡方法

本文采用的改進(jìn)SVPWM方法，針對各扇區(qū)不同的小三角形，利用各區(qū)域基本空間電壓矢量，分別構(gòu)建對產(chǎn)生中點(diǎn)電流的電壓矢量的虛擬矢量，理論上完全能消除電壓矢量中點(diǎn)電流的影響。

2.1 ?改進(jìn)的SVPWM算法

下面以第Ⅰ扇區(qū)為例，說明改進(jìn)的SVPWM方法。

如圖3所示，當(dāng)參考電壓矢量[Vref，1]位于三角形1內(nèi)時(shí)，根據(jù)NTV原則，合成參考電壓矢量[Vref，1]的基本電壓矢量為[V0]，[VS1]，[VS2]。其中小矢量[VS1]和[VS2]產(chǎn)生中點(diǎn)電流，利用正、負(fù)電壓小矢量的中點(diǎn)電流方向相反特性對[VS1]和[VS2]進(jìn)行虛擬，如下：

[VVS1=0.5VS1（POO）+0.5VS1（ONN）VVS2=0.5VS2（OON）+0.5VS2（PPO）] （3）

[VS1]和[VS2]產(chǎn)生的中點(diǎn)電流[inp（VS1）]，[inp（VS2）]為0。

[inp（VS1）=-0.5ia+0.5iainp（VS2）=-0.5ic+0.5ic] ? ? （4）

各個(gè)矢量的作用時(shí)間變?yōu)椋?/p>

[TVS1（ONN）=TVS1（POO）=12TVS1TVS2（PPO）=TVS2（OON）=12TVS2TVO（OOO）=TVO] （5）

當(dāng)參考電壓矢量[Vref，2]位于三角形2內(nèi)時(shí)，合成參考電壓矢量[Vref，2]的基本電壓矢量為[VM1]，[VS1]，[VS2]。對[VS1]和[VS2]的虛擬類似于在三角形1內(nèi)的方式，對中矢量[VM1，2]虛擬如下：

[VM1，2=12（VS1（ONN）+VS2（PPO））+K1?VM1（PON）+ ? ?1-2K12（VS1（PPO）+VS2（OON））] （6）

式中：[K1]為分配系數(shù)，0<[K1]<0.5，中矢量[VM1，2]產(chǎn)生的中點(diǎn)電流[inp（M1，2）]也為0。

[inp（M1，2）=12（ia+ic）+K1?ib+1-2K12（ia+ic） ? ? ? ? ? =K1?（ia+ib+ic）=0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）]

此時(shí)作用時(shí)間如下：

[TVS1（ONN）=12TVS1+1-2K14-2K1?TM1TVS1（POO）=12TVS1+14-2K1?TM1TVS2（PPO）=12TVS2+1-2K14-2K1?TM1TVS2（OON）=12TVS2+14-2K1?TM1TVM1，2（PON）=K12-K1?TM1] （8）

當(dāng)參考電壓矢量[Vref，3]位于小三角3內(nèi)時(shí)，合成參考電壓矢量的是[VM1]，[VS1]，[VL1]。對小矢量[VS1]的虛擬同前面類似，對中矢量[VM1，2]虛擬如下：

[VM1，2=12VM1（PON）+12VS1（ONN）+VS2（PPO）] （9）

中矢量產(chǎn)生的中點(diǎn)電流[inp（M1，3）]也為0。

[inp（M1，3）=12g（ia+ib+ic）=0] （10）

小三角形3內(nèi)各電壓矢量作用時(shí)間為：

[TVS1（ONN）=12TVS1+13TM1TVS1（POO）=12TVS1TVS2（PPO）=13TM1TVL1（PNN）=12TVL1TVM1，3（PON）=13TM1] ? （11）

當(dāng)[Vref，4]位于小三角形4內(nèi)時(shí)的方法同[Vref，3]在小三角形3內(nèi)類似，這里不再贅述。對電壓矢量進(jìn)行虛擬的過程，未改變原矢量的模值和方向。

2.2 ?K1的取值與中點(diǎn)電壓最大偏差的關(guān)系

由前面分析可知，當(dāng)參考矢量[Vref，2]位于第二個(gè)小三角形內(nèi)時(shí)，虛擬中矢量[VM1，2]中K1（0<[K1]<[12]）是一個(gè)確定的分配系數(shù)，它的取值影響著中點(diǎn)電位。 表3是借助Matlab軟件，調(diào)制度為0.65，UDC為600 V時(shí)，得出的K1取值和最大中點(diǎn)電壓偏移[ΔUnpmax]的擬合曲線。

圖4為Matlab下調(diào)制度K、調(diào)節(jié)系數(shù)K1和最大中點(diǎn)電壓偏移[ΔUnpmax]的擬合曲線?？紤]到中點(diǎn)電壓偏移量和計(jì)算速度，本文中K1取值為0.2。

3 ?仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ?仿真分析

借助Matlab軟件下Simulink仿真環(huán)境，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)：直流側(cè)電壓UDC為600 V;直流母線電容器容量C1，C2為4 700 μF;開關(guān)頻率為fc為4 500 Hz;調(diào)制度為0.8。圖5，圖6分別為傳統(tǒng)與改進(jìn)SVPWM兩種方法下的仿真結(jié)果。

圖7為兩種方法下基于仿真數(shù)據(jù)的調(diào)制度K與最大中點(diǎn)電壓偏移[ΔUnpmax]的擬合曲線圖，可看出本文所提改進(jìn)的方法同傳SVPWM方法相比，具有抑制中點(diǎn)電壓偏移的能力，仿真驗(yàn)證了本文所提方法的正確性。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建NPC三電平逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置：直流電壓為20 V;濾波電容為4 700 μF;逆變器輸出頻率為50 Hz;開關(guān)頻率為4 500 Hz;調(diào)制度為0.8。圖8為傳統(tǒng)SVPWM方法下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;圖9為改進(jìn)SVPWM方法下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 ?結(jié) ?論

本文針對三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡問題，在傳統(tǒng)SVPWM方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)參考電壓矢量所在作用區(qū)域，合理地構(gòu)建虛擬小、中矢量，有效地抑制了空間電壓矢量對中點(diǎn)電流的影響，理論上這種中點(diǎn)電壓平衡能力在全調(diào)制度范圍都有效。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了改進(jìn)的SVPWM方法在不同的調(diào)制度K下都能有效地控制中點(diǎn)電壓的偏移。

參考文獻(xiàn)

[1] NABAE A， TAKAHASHI I， AKAGI H. A new neutral?point?clamped PWM inverter [J]. IEEE transactions on industry applications， 1981， 17（5）： 518?523.

[2] 費(fèi)萬民，呂征宇，姚文熙.三電平逆變器特定諧波消除脈寬調(diào)制方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（9）：11?15.

FEI Wanming， L? Zhengyu， YAO Wenxi. Research on selected harmonic elimination PWM technique applicable to three?level voltage inverters [J]. Proceedings of the CSEE， 2003， 23（9）： 11?15.

[3] 龔博，程善美，秦憶.基于載波的三電平中點(diǎn)電壓平衡控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（6）：172?177.

GONG Bo，CHENG Shanmei， QIN Yi. A three?level neutral point voltage balance control strategy based on carriers of SPWM [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（6）： 172?177.

[4] SEO J H， CHOI C H， HYUN D S. A new simplified space?vector PWM method for three?level inverters [J]. IEEE transactions on power electronics， 2001， 16（4）： 545?550.

[5] 姜衛(wèi)東，王群京，史曉鋒，等.中點(diǎn)箝位型三電平逆變器在空間矢量調(diào)制時(shí)中點(diǎn)電位的低頻振蕩[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（3）：49?55.

JIANG Weidong， WANG Qunjing， SHI Xiaofeng， et al. Low frequency oscillation of neutral point voltage of neutral?point?clamped three?level VSI under SVPWM control [J]. Proceedings of the CSEE， 2009， 29（3）： 49?55.

[6] 趙輝，李瑞，王紅君，等.60°坐標(biāo)系下三電平逆變器SVPWM方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（24）：39?45.

ZHAO Hui， LI Rui， WANG Hongjun， et al. Study on SVPWM method based on 60° coordinate system for three?level inverter [J]. Proceedings of the CSEE， 2008， 28（24）： 39?45.

[7] 張瑾，齊鉑金，張少如.Z源三電平中點(diǎn)鉗位逆變器的空間矢量調(diào)制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（9）：108?114.

ZHANG Jin， QI Bojin， ZHANG Shaoru. A space vector PWM algorithm for Z?source three?level NPC inverters [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2010， 25（9）： 108?114.

[8] 張曄，湯鈺鵬，王文軍.三電平逆變器空間矢量調(diào)制及中點(diǎn)電位平衡研究[J].電氣傳動(dòng)，2010，40（2）：33?36.

ZHANG Ye， TANG Yupeng， WANG Wenjun. Research on SVPWM method and neutral?point voltage balance in three?level inverter [J]. Electric drive， 2010， 40（2）： 33?36.

[9] CHOUDHURY A， PILLAY P， WILLIAMSON S S. A hybrid PWM?based DC?link voltage balancing algorithm for a three?level NPC DC/AC traction inverter drive [J]. IEEE journal of emerging and selected topics in power electronics， 2015， 3（3）： 805?816.

[10] 王志強(qiáng)，鄧臣臣，谷鑫，等.基于中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器的改進(jìn)型虛擬空間矢量調(diào)制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（18）：230?238.

WANG Zhiqiang， DENG Chenchen， GU Xin， et al. The improved virtual space vector modulation strategy based on neutral?point?clamped three?level inverter [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2017， 32（18）： 230?238.