常娜娜

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

電力電子領(lǐng)域中，三電平技術(shù)可輸出高質(zhì)量、低諧波的電能，但是三電平逆變技術(shù)所需的開關(guān)管較多[1]。此外，直流側(cè)母線串聯(lián)的電容無法準(zhǔn)確平衡兩側(cè)電壓，影響了逆變器輸出的波形。因此，研究三電平逆變技術(shù)的直流側(cè)電容的中點(diǎn)電位平衡問題意義重大[2]。

中點(diǎn)電位平衡的研究中，文獻(xiàn)[3]提出了控制中點(diǎn)電位平衡因子，以平衡中點(diǎn)電位的方法。文獻(xiàn)[4]中的方法增加了兩個(gè)控制開關(guān)器件，達(dá)到了控制中點(diǎn)電位平衡的目的。文獻(xiàn)[5]在SVPWM調(diào)制方法的基礎(chǔ)上，采用中矢量不參與調(diào)制的方法，實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電位平衡。文獻(xiàn)[6]采用判斷中點(diǎn)電流方向和中點(diǎn)電位誤差改變小矢量的作用時(shí)間，以平衡直流側(cè)中點(diǎn)電位。

1 NPC型逆變器中點(diǎn)平衡問題

NPC型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。對(duì)于NPC型逆變器，每一橋臂由4個(gè)開關(guān)管、4個(gè)續(xù)流二極管和2個(gè)箝位二極管組成。例如，a橋臂中，VT1和VT3互補(bǔ)，VT2和VT4互補(bǔ)，則逆變器開關(guān)函數(shù)可表達(dá)為：

其余兩橋臂與a橋臂相似。

NPC型逆變器有三個(gè)橋臂，每一個(gè)橋臂有三種工作狀態(tài)，共有27個(gè)工作狀態(tài)。在空間矢量中表示27個(gè)矢量，去掉冗余矢量，剩下19個(gè)矢量。其中，零矢量3個(gè)，小矢量12個(gè)，中矢量6個(gè)，大矢量6個(gè)，如圖2所示。

圖1 NPC型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 三電平NPC逆變器空間矢量圖

空間矢量中，大矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和零矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流無影響；小矢量的兩種冗余開關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流的影響相反，且是可控的量；中矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)會(huì)對(duì)中點(diǎn)電流產(chǎn)生影響，且是不可控的量。通常，通過調(diào)整小矢量冗余開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間來控制中點(diǎn)電位的偏差和波動(dòng)。

2 中點(diǎn)電位平衡的研究

udc為中點(diǎn)電位誤差，取值為上、下兩電容的電壓差值；in為中性點(diǎn)電流；ij為負(fù)載電流；C為直流側(cè)電容。udc和in決定了冗余小矢量作用時(shí)間，可表示為：

以第Ⅰ扇區(qū)為例說明小矢量的分配原則，見圖3。

圖3 第一扇區(qū)矢量圖

其中，Uref為 V1、V2、V3所合成的電壓；T1、T2、T3分別為V1、V2、V3對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，其中V3包含POO和ONN兩個(gè)小矢量。假設(shè)一個(gè)平衡因子K取值在0～1，在一個(gè)開關(guān)周期中以V3中的矢量為例，ONN和POO的作用時(shí)間分別為KT1和(1-K)T1。

通過式（2）和式（3）可得，當(dāng)選擇矢量ONN時(shí)，流出中性點(diǎn)的電流為：

計(jì)算過程與求取基波電流值ia0、ib0及ic0相似。所以，平衡因子的取值依據(jù)為：

（1）當(dāng)中點(diǎn)電位為零時(shí)，平衡因子K=0.5，小矢量ONN和POO的作用時(shí)間相同；

（2）當(dāng)ia0Udc＞0時(shí)，平衡因子K＜0.5，ONN的作用時(shí)間減小，POO的作用時(shí)間增大；

（3）當(dāng)ia0Ude＜0時(shí)，平衡因子K＞0.5，ONN的作用時(shí)間增大，POO的作用時(shí)間減小。

控制時(shí)，需判斷流進(jìn)中點(diǎn)的電流方向和中點(diǎn)電位的誤差，進(jìn)而得到K的取值大小，并確定相應(yīng)矢量的作用時(shí)間，最終達(dá)到直流側(cè)兩電容中點(diǎn)電位平衡的目的。

3 仿真驗(yàn)證

通過MATLAB/simulink仿真模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示?？梢姡到y(tǒng)在0.02 s后，上下母線電壓趨于平衡，并達(dá)到中點(diǎn)電壓平衡。

4 結(jié) 論

本文分析了NPC型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了三電平NPC逆變器中點(diǎn)電位平衡問題。此外，通過MATLAB軟件搭建模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖4 加入中點(diǎn)平衡后上下母線電壓

圖5 逆變器輸出線電壓波形

圖6 中點(diǎn)電壓后相電壓與相電流