NPC三电平逆变器电压平衡研究_聂振宇

电工电能新技术

AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy

Vol．32，No．1Jan．2013

NPC三电平逆变器电压平衡研究

12

聂振宇，郭小斌

（1．浙江海洋学院，浙江舟山316000；2．江西省电力设计院，江西南昌330029）

摘要：对应用较多的空间电压矢量脉宽调制的二极管箝位式三电平逆变器的工作情况进行了介绍，针对此逆变器在实际使用中电容电压不平衡的问题进行了分析，提出了利用检测直流侧电容电压差值和中点电流瞬时值进行滞环控制以切换两个等效的矢量作用脉冲序列来使电容电压达到平衡的方法。实验结果表明，此方法可以有效地抑制电容电压不平衡的程度，使电容电压不平衡度在2倍滞环环宽以内。器件开关损耗和开关频率比较低且调制方法较简单、易行，具有一定的实用价值。

关键词：三电平逆变器；空间电压矢量；中点电压平衡；滞环控制；DC-AC变换器

中图分类号：TM464

文献标识码：A

3076（2013）01-0043-04文章编号：1003-

1引言

二极管箝位式三电平逆变器自从1980年日本

（OOO）、（NNN）；长矢量有6个，别为（PPP）、开关状态分别为（PNN）、（PPN）、（NPN）、（NPP）、（NNP）、（PNP）；中矢量有6个，开关状态分别为（PON）、（OPN）、（NPO）、（NOP）、（ONP）、（PNO）；短矢量实际上只有6个，每个短矢量具有两个不同在这两种开关状态中可分为正短矢量的开关状态，

和负短矢量，以第一扇区Ⅰ的短矢量VS1为例，正短矢量为（POO），负短矢量为（ONN），其他短矢量以及中矢量、长矢量、零矢量如图1所示。

由于其输出电学者南波江章在IAS年会上提出后，

压谐波含量低、器件承受开关应力低、适用于中高压许多学大功率场合等优良的特性成为了研究热点，者对其调制方式和中点电压平衡控制等进行了大量的研究工作，使二极管箝位式三电平逆变器逐步实用化。由于二极管箝位式三电平逆变器最常采用空本文针对中点电压平衡控制间电压矢量调制方式，

这个热点问题，通过分析空间电压矢量控制下二极管箝位式三电平逆变器工作原理，提出利用检测两个电容电压差值和中点电流瞬时值进行滞环控制以切换两个等效的矢量作用脉冲序列来使电容电压达到平衡，实验结果表明此方法简单、可靠，易于用数字电路实现。

2三电平SVPWM调制技术

三电平SVPWM调制技术实质上是由两电平

SVPWM调制技术发展而来的，将三相可能出现的开关状态组合全部考虑在内，可得到27个电压向量。这27个向量分布在六个大扇区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ中，其中零矢量有1个，但开关状态有三种，分

09-27收稿日期：2011-Fig．1

图1三电平逆变器空间电压矢量图

Spacevoltagevectordiagramofthree-levelinverter

对于多电平SVPWM控制其构成所需电压矢量

作者简介：聂振宇（1981-），男，江西籍，讲师，工学硕士，主要从事船舶电力电子装置研究和开发方面的工作；

郭小斌（1979-），男，江西籍，工程师，主要从事电力系统发电厂、变电站、新能源电气设计工作。

44电工电能新技术第32卷

的方法也是由两电平构成所需电压向量的方法是类似的。首先判断需要构成的电压参考矢量所处的大扇区，然后再判断电压参考矢量在大扇区中处于哪个区域，根据矢量作用的伏秒原理，用三个顶点矢量去合成电压参考向量。以扇区1为例，将大扇区划分为0～5六个部分。假设参考电压矢量处于0区则作用脉冲序列可为（POO）（PPO）（PPP）域，

（PPO）（POO）或者（ONN）（OON）（OOO）（OON）（ONN）。这两个作用脉冲序列是等效的，所不同的是前者采用正短矢量，后者采用负短矢量，两者对直流侧电容中点的电压影响恰好是相反的。对于1～5其他部分，也可以找出对应的两个等效的作用脉冲序列，对其他扇区也是类似。

由于中矢量没有与之等效的冗余矢量，是不平衡的，

因此中矢量对电容电压的影响无法像短矢量那样通过正负矢量的切换来自动平衡电容电压。

当短矢量VS1以正矢量状态（POO）作用时，等效模型如图3所示，负载一般为感性负载。假设bc相电流Ic的实际方向与图中参考方向相电流Ib，

此时中点电流IO=Ib+Ic=－Ia。如果此时将一致，

正矢量切换成负矢量状态（ONN）作用时，等效模型由于负载电流不能突变，各相电流保持如图4所示，

切换前的大小不变，此时可得出中点电流IO=Ia，此时中点电流与切换前的中点电流方向恰好相反，而大小是相等的，对电容电压差值的变化影响是相反的。因此可得到以下结论：通过切换正、负短矢量可以维持NPC三电平逆变器直流侧电容中点的电对于两个相邻的短矢压平衡。进一步还可以推出，

如果将其中一个正短矢量或负短矢量切换为另量，

（例如由POO切换至一个负短矢量或正短矢量，

OON时）其对电容电压的影响也是相反的，这样通过以上结论可知，要使逆变器直流侧电容中点电压就必须利用正、负短获得平衡尽量地减小不平衡度，矢量的相互切换来达到目的。

3各矢量对中点电压的影响

以图1中扇区1的矢量为例，当长矢量作用时，

无论是VL1或者VL2，电容中点O与负载不连接，所电容电压保持不变。当中矢量以中点电流为零，

VM1作用时，等效模型如图2所示。

图2Fig．2

中矢量作用时三电平逆变器等效模型Equivalentmodelofthree-levelinverterwhenmiddlevectorworking

图3Fig．3

正短矢量POO作用时三电平逆变器等效模型Equivalentmodelofthree-levelinverterwhenpositiveshortvectorPOOworking

C2容值相等，电容C1、即C1=C2=C，每个电容电压初始值都为Ud/2。按照图示所示的电压和电流参考方向有：

IC1=CIC2

IO=IC1－IC2

dUC1

dt

（1）（2）

4中点电压平衡调制策略

为了能够维持三电平逆变器直流侧中点电压的

dUC2

=C

dt

平衡，很多学者提出了许多非常有效的方法。文献［2］中提出了在一个矢量作用脉冲序列中同时使用利用电容电压差值符号以及中点电流正负短矢量，

方向来改变正负短矢量作用时间的长短以使电容中点电压达到平衡。但是这种方法必须要根据电容电压差值以及电流大小来改变正负短矢量的作用时间长短，其系数较难精确确定，实时性较差，而且一个

d（UC1－UC2）dΔU

=C=Ib=C

dtdt

（3）

由于ΔU初始值为零，当Ib＞0时，ΔU＞0；当Ib＜0时，ΔU＜0。只要b相负载电流不为零，电容电压就

第1期聂振宇，等：NPC三电平逆变器电压平衡研究45

此时应该在下一个参考电压作用脉冲序列中趋势，

选择与上一个正负极性相同的短矢量的脉冲序列。IO＜0时，④当ΔU＜－H，电容电压不平衡程度较大且这种不平衡程度有逐渐加大的趋势，此时应该在下一个参考电压作用脉冲序列中选择与上一个正负极性不同的短矢量的脉冲序列。⑤当－H＜ΔU＜H时，此时电容电压不平衡程度不大，无需判断为降低开关损耗和开关切换次数，在中点电流方向，

下一个参考电压作用脉冲序列中选择与上一个正负

图4Fig．4

负短矢量ONN作用时三电平逆变器等效模型Equivalentmodelofthree-levelinverterwhennegativeshortvectorONNworking

极性相同的短矢量的脉冲序列。此控制策略在用数字电路实现时，只需利用软件运用条件判断语句即可实现，不需要进行复杂的运算。环宽H可以采用下式近似估算

［5］

作用脉冲序列分为9段，器件开关损耗较大，开关频3］研究了利用检测中点电流的方向率较高。文献［

同时考虑不同功率因数时中点电位的控制，实现算4］引入平衡因子方动态响应不高。文献［法复杂，

法检测电压和负载电流，通过调整短矢量的时间分但是由于电容电压配因子实现对中点电位的控制，

是动态变化的，时间分配因子大小较难确定。本文在借鉴前人研究成果的基础上提出了一种检测两个电容电压差值和中点电流瞬时值进行滞环控制以切换两个等效的矢量作用脉冲序列来使电容电压达到平衡的方法。该方法能够较好地平衡中点电压。以作用图1扇区Ⅰ中的区域3中参考电压矢量为例，脉冲序列为（PPO）（POO）（PON）（POO）（PPO）或（ONN）（OON）（PON）（OON）（ONN），作用脉冲序列以短矢量开始和结束，一个作用脉冲序列只需分5段，每次作用序列中相邻矢量切换时只需改变某一相中两个器件的开关状态，这样就降低了开关器件的损耗和开关频率。

电容电压的不平衡程度可以用两个电容的差值ΔU来衡量，要使电容电压平衡，即使ΔU要尽量小，式（3）中表明了中点流过的电流IO与ΔU的变化率成正比，假设滞环环宽为H，可采用以下滞环控制策IO＞0时，略：①当ΔU＞H，电容电压不平衡程度较大且这种不平衡程度有逐渐加大的趋势，此时应该在下一个参考电压作用脉冲序列中选择与上一个正IO负极性不同的短矢量的脉冲序列。②当ΔU＞H，＜0时，电容电压不平衡程度较大且这种不平衡程度有逐渐减小的趋势，此时应该在下一个参考电压作用脉冲序列中选择与上一个正负极性相同的短矢IO＞0时，量的脉冲序列。③当ΔU＜－H，电容电压不平衡程度较大且这种不平衡程度有逐渐减小的

。

H=0．5

ITs

C

（4）

I为负载电流有效值；Ts为一个参考电压作用式中，

脉冲序列时间；C为电容值。

5实验结果

按照上述中点电压平衡调制策略，制作了用

DSP芯片控制的NPC三电平逆变电路实验装置。直流侧直流电压值为800V，负载为一台异步电动机，额定电压为380V，额定电流30A，定子绕组Y连直流侧电容C为2200μF，环宽H取5V，逆变器接，

输出基波频率为50Hz，利用六个扇区的长矢量、中矢量和短矢量构造正二十四边形参考电压矢量，调制系数m=0.713，以下各图均为稳态时的波形图。图5为线电压波形比较图，图6为电容电压波形比较图，采用了本文所述的中点电压平衡策略后，电容

图5

Fig．5

输出线电压波形比较图

Comparisondiagramofoutputlinevoltage

46电工电能新技术

具有一定的实用价值。耗和开关频率，参考文献（References）：

第32卷

电压不但是平衡的，而且两个电容电压差值幅值波2］动范围几乎在2H即10V以内，这与文献［所用的方法取得的效果是一样的。

［1］翁海清，SunXud-孙旭东，刘丛伟，等（WengHaiqing，

ong，LiuCongwei，etal．）．三电平逆变器直流侧电压平衡控制方法的改进（ImprovementonDC-voltagebal-ancecontrolmethodofthree-levelinverter）［J］．中国电机工程学报（ProceedingsoftheCSEE），2002，22（9）：94-97．

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Guocheng，ShuMantang，etal．）．中点箝位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究（ResearchonSVPWMmethodanditsneutral-point-potentialcontrolforthree-levelNeutral-Point-Clampedinverter）［J］．中国电机工程学报（ProceedingsoftheCSEE），2006，26（5）：105-109．

图6

Fig．6

电容C1电压波形比较图

［3］KatsutoshiYamanaka，AhmetMHava．Anovelneutral

pointpotentialstabilizationtechniqueusingtheinforma-tionofoutputcurrentpolaritiesandvoltagevector［J］．IEEETrans．onIndustryApplications，2002，38（6）：1572-1580．

［4］NabaelA，TakahashiI，AkagiH．Anewneutral-point

clampedPWMinverter［J］．IEEETrans．onIndustrial523．Application，1981，17（5）：518-［5］姚文熙，吕征宇，费万民，等（YaoWenxi，LvZhengyu，

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ComparisondiagramofvoltageofcapacitanceC1

6结论

本文提出了利用检测两个电容电压差值和中点

电流瞬时值进行滞环控制以切换两个等效的矢量作实验证用脉冲序列来使电容电压达到平衡的方法，明本方法能够使电容中点电压达到平衡，由于每个作用序列只分为5段矢量作用，相邻矢量切换只需改变某相两个器件的开关状态，降低了器件开关损

Researchonbalanceofvoltageofneutralpointclampedthree-levelinverter

NIEZhen-yu1，GUOXiao-bin2

（1．ZhejiangOceanUniversity，Zhoushan316000，China；2．PowerDesignInstituteofJiangxi，Nanchang330029，China）

Abstract：Thepaperintroducedtheoperationprincipleofcommonlyuseddiode-clampedthree-levelinverterwhichismodulatedbyspacevoltagevectorpulsewidthmodulationmethod．Thepaperisaimedatanalyzingtheproblemofunbalancecapacitancevoltageoftheinverterinpracticalapplication，anditproclaimsthemethodthatdetectsthedifferencevalueofthetwocapacitancesvoltagesatDC-sideandinstantaneousvalueofthecurrentatneutralpoint．Thesevaluesareusedinhysteresiscontroltocutovertwoequivalentspacevectorpulsetrainssoastokeepthebal-anceofcapacitancevoltage．Theresultoftheexperimentshowsthatthemethodcansuppresstheunbalanceddegreeofcapacitancevoltageeffectively，anditmakestheunbalanceddegreeofcapacitancevoltagelessthandoublewidthofhysteresis．Theswitchinglossofdeviceandswitchingfrequencyislower，andthemodulationmethodissimplerandeasiertooperateindigitalcontroller，andithassomeusefulvalue．

Keywords：three-levelinverter；spacevoltagevector；balanceofneutralpointvoltage；hysteresiscontrol；DC-AC

inverter