三电平NPC变流器中点电位平衡控制研究

三电平NPC变流器中点电位平衡控制研究

邱婷李兴邱雪梅

西华大学电气与电子信息学院四川省成都市610039

摘要：三电平NPC变流器是目前多电平变流器研究比较多的一种拓扑结构，因为相比于传统两电平变流器来说，三电平变流器具有许多的优势，但其拓扑结构固有的中点电位问题却会严重影响变流器的安全运行。文章介绍了简化三电平SVPWM算法基础上的改进，根据中点电位和小矢量实际情况选择合适的九段式开关序列，以冗余小矢量减缓或消除中点电位不平衡，抑制中点电位不平衡问题。

关键字：三电平NPC变流器；简化三电平空间矢量调制；中点电位平衡控制

1引言

在电力电子技术日趋发达的今天，变流装置在越来越多的方面担当着日趋重要的角色。而三电平变流器[1-3]比传统两电平变流器具有更多优点，如输出电压和电流的谐波较小、IGBT所承受电压相对较低以及等效开关频率低等优点。但三电平NPC变流器自身的中点电位不平衡问题会导致整流器输出电压、电流失真，甚至引起开关器件所受电压应力变大、输出电压谐波等问题[3]，影响电能质量甚至损坏开关器件。针对这个问题，文章对简化三电平SVPWM算法进行了改进，使中点电位得到有效控制。最后通过仿真验证了该算法的有效性和可行性。

2三电平NPC变流器中点电位偏移原理

三电平NPC变流器主电路如图1所示，整流器交流侧每相输出电压都有三种状态：、0、，则交流侧三相电压状态共有27种，对应27个空间电压矢量，19个基本矢量。其中，零矢量与大矢量所对应的开关状态都与直流侧中点无连接，不影响中点电位平衡；中矢量对应开关状态则总会有某相电流流入中点，影响中点电位的平衡；小矢量与中矢量类似，但每个小矢量对应两种具有方向相反中点电流的开关状态，故小矢量会影响中点电位平衡，但可通过其冗余状态实现中点电位平衡，中矢量则不行。

如图2，在简化三电平SVPWM中，除去6个小六边形相互重叠的区域外，三电平空间矢量图被分成6个四边形区域，用S进行编号。可以知道，每一个四边形区域都是两电平空间矢量图，分为6个三角形区域，用N进行编号。要进行SVPWM调制，首先需判断参考矢量在哪个四边形区域，即确定S的值，然后再判断拆分后的参考矢量处于两电平空间矢量图中哪个区域，即确定N的值。参考矢量的拆分示意如图3所示，在S=1的小六边形中，拆分后参考矢量，其中为三电平参考矢量，为基矢量，也是两电平的零矢量。对的合成则完全与两电平SVPWM一致，不再赘述。简化三电平SVPWM的有效性与可行性则可由伏秒平衡原理检验得知。得到两电平矢量序列后，将得到的矢量作用次序中每个矢量都加上基矢量（比如S=1时，加上矢量（100））便得到三电平矢量作用次序，而各矢量作用时间则与两电平相同。

4传统算法的优化

由于中矢量无冗余状态，小矢量则具有对中点电位影响相反的两种冗余状态，故对中点电位的控制一般都通过控制小矢量实现。以参考矢量处于S=1、N=3为例，用简化三电平SVPWM算法得到的矢量次序为onn-oon-ooo-poo-ooo-oon-onn，矢量onn与矢量poo在一个Ts内对中点电位的影响已相互抵消，只余矢量oon对中点电位的影响。将七段式矢量序列改为九段式序列，消除小矢量两个冗余状态对中点电位的影响，如S=1、N=3区域矢量序列改为onn-oon-ooo-poo-ppo-poo-ooo-oon-onn。其余区域类似，将七段式序列改为九段式序列，或根据中点电位和中点电流情况选择七段式或九段式序列，以控制中点电位不平衡情况。

5结论

本文对二极管钳位型三电平变流器中点电位不平衡控制算法进行了研究，并进行了仿真验证。首先，在开关函数基础上对三电平变流器固有的中点电位问题产生原理进行了解释，然后介绍了对简化三电平SVPWM的优化改进，使之能够采取不同的开关序列来抑制中点电位波动，实现了对中点电位波动的有效抑制。

参考文献

[1]窦真兰，张同庄，凌禹.三电平NPC整流器空间矢量脉宽调制及中点电位平衡控制[J].电力自动化设备，2008，02：65-69+79.

[2]桂石翁，吴芳，万山明，黄声华.变虚拟空间矢量的三电平NPC变换器中点电位平衡控制策略[J].中国电机工程学报，2015，19：5013-5021.

[3]周京华，贾斌，章小卫，陈亚爱.混合式三电平中点电位平衡控制策略[J].中国电机工程学报，2013，24：82-89+13.

基金项目：四川省信号与信息处理重点实验室开放基金资助项目（szjj2012-015）