NPC型三電平逆變器SVPWM控制方法及中點電位平衡研究

李 萍，劉國忠

（北京信息科技大學，北京 100192）

0 引 言

近年來，隨著我國經濟發展，電力機車、冶金、化工、軋鋼機械等工業領域對大功率變換裝置的使用日益增加，多電平逆變器相對于傳統兩電平逆變器表現出明顯的優勢，已受到廣泛關注[1-2]。二極管箝位型（NPC）三電平逆變器與兩電平逆變器相比，直流側電壓利用率高；輸出電壓諧波含量少，且可減少輸出濾波器整體尺寸；開關頻率低，硅損耗小；功率開關器件可使用具有較低反向阻斷電壓的芯片，反應速度更快，開關損耗更低。逆變器輸出性能的優劣不僅取決于其電路拓撲結構，而且取決于調制算法。空間電壓矢量脈寬調制技術（SVPWM）直流母線電壓利用率較高，易于實現數字化調制，采樣周期間矢量可實現平滑切換，減少損耗，減少諧波。通過調節冗余小矢量的作用時間達到抑制直流側中點電位偏移的目的，簡便易行，作用效果明顯。

1 NPC型三電平逆變器SVPWM控制策略

1.1 三電平逆變器SVPWM控制基本原理

NPC三電平逆變器電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 NPC型三電平逆變器拓撲結構

圖2 參考電壓空間矢量示意圖

按照一定頻率在空間旋轉的參考電壓矢量為V=r∠θ。當參考電壓矢量旋轉到某個區域時，系統選擇該區域內的3個最近的基本電壓矢量，在一定采樣周期內各矢量分配作用時間合成參考電壓矢量[4]。根據各矢量對應橋臂的開關狀態來驅動功率管的通斷，并控制各功率管的通斷時間。這樣逆變器就會輸出產生三相互差120°的近似正弦波的階梯電壓。

1.2 三電平逆變器SVPWM控制算法

將基本電壓矢量依伏秒平衡法[5-8]擬合參考電壓矢量，根據所選取的電壓矢量及其作用時間控制相應的功率開關器件動作。該方法包括參考電壓矢量位置確定即判斷所在扇區和扇區中的區域、開關矢量選擇和矢量作用順序優化、各矢量作用時間計算。

1.2.1 參考電壓矢量位置確定

參考電壓矢量應落在電壓空間矢量圖中以中矢量為半徑的內切圓內。為了快速利用矢量圖中固有的電壓矢量合成參考電壓矢量，需要確定參考電壓矢量所在位置，因此將以矢量圖中大、小矢量為邊界劃分為6個扇區，如圖2所示。每個扇區以相鄰的3個矢量頂點為邊界劃分為4個區域，如圖3所示。

圖3 扇區1內空間電壓矢量圖

將參考旋轉電壓矢量角度折算到θ∈（-180°～180°），根據角度大小判斷其所在扇區。

1.2.2 開關矢量作用順序

為使各矢量平滑輸出，減少逆變器輸出電壓的諧波含量和減少開關器件的功率損耗，開關矢量選擇及其作用時間確定的基本思想為：所有輸出的首發矢量全部采用正小矢量或負小矢量；相鄰兩矢量切換不能突變，僅相差一相狀態；在每個PWM控制周期內，將參考電壓用其最近的3個基本電壓矢量按照伏秒平衡原理來表示。

1.2.3 開關矢量作用時間

依照伏秒平衡原則列出等式：

表1 扇區II中各區域相應電壓矢量作用順序（負小矢量首發）

式中：Tx、Ty、Tz——在一個采樣周期內空間參考電壓矢量所在區域內的基本電壓矢量Vx、Vy、Vz分別對應的作用時間；

T——采樣周期；

Vref——空間參考電壓矢量。

以第一扇區D1區域為例，推導作用時間計算式。已知

式中：θ——參考電壓矢量Vref的角度；

將 Vx、Vy、Vz、Vref分別帶入式（1）得

等式兩邊實軸與虛軸分量分別相等，則有

從式（4）中得

將 Ty代入式（2）得

其他區域可采用類似方法推導空間矢量作用時間，如表2所示。

參考電壓矢量以一定的幅值和頻率在空間旋轉，在各扇區矢量作用時間都可歸一到扇區1的計算方法，這樣另外5個扇區電壓矢量所對應的作用時間均可按式（1）計算。

表2 第一扇區各區域電壓矢量對應作用時間

不同扇區合成參考電壓矢量過程中，由于各個區域電壓矢量的作用順序不同，對應區域電壓矢量作用時間順序也有變化，如表3所示。

表3 6扇區中各區域電壓矢量作用順序及相應作用時間

2 三電平逆變器中點電位平衡控制的研究

由于逆變器拓撲結構本身的特點，直流側兩電容的充放電平均電流相等，但電流之間存在相位差，暫態過程不對稱；因此，三電平逆變器在能量轉換時，直流側電容上電壓不能保持平衡，中點電位發生偏離[9]，這樣使得交流側輸出產生諧波，逆變器的輸出效率較低，嚴重影響所帶負載工作性能。逆變器中某些開關管所承受的電壓上升、直流側電容電壓不均衡都會影響這些元器件的壽命[6]。通過分析零矢量和大矢量對應開關狀態對中點電流無影響；小矢量對應的兩種冗余開關狀態對中點電流呈互補方式影響。由于電壓矢量在每個區域中都由小、中、大矢量合成，小矢量對電容充放電作用的效果是互補的，采用實時監測直流側電容兩端電壓，根據比較的結果來控制小矢量作用時間的長短，同時彌補中矢量對電容電壓波動的影響；因此，保證在一個采樣周期中可同時實現小矢量和中矢量對電容電壓波動的聯合控制，實現中點電位的動態平衡。當中點之上的電容大于中點之下電容電壓時，將原伏秒計算的負小矢量作用時間乘以一個較小的調整系數，使其在一個采樣周期中作用時間縮短，減緩該矢量或中矢量對中點之下電容造成過度放電的影響；當中點之上的電容小于中點之下電容電壓時，原負小矢量作用時間乘以一個較大的系數，使其在一個采樣周期中作用時間延長，減緩該矢量或中矢量對中點之下電容造成過度充電的影響，這樣可以使中點電位在一個采樣周期內達到動態平衡。

圖4 NPC三電平逆變器SVPWM控制系統

圖5 旋轉參考電壓矢量扇區判斷

圖6 m=0.9，50Hz時逆變器輸出線電壓

圖7 m=0.9，50Hz時逆變器輸出濾波后三相線電壓

圖8 m=0.8，30Hz時逆變器輸出線電壓

3 仿真模型及結果分析

采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建NPC三電平逆變器調制系統模型，如圖4所示。三相電源電壓為380V/50Hz，直線側母線電容為1000μF，采樣周期為0.5μs。圖5為50Hz的空間參考電壓矢量，在一個周期中檢測其逆時針旋轉經過 5，6，1，2，3，4 扇區，且周而復始。當調制比為0.9，參考電壓矢量頻率為50Hz時，逆變器輸出線電壓波形如圖6所示。經過電容濾波，可得到只含基波頻率的線電壓如圖7所示。圖8～圖10分別為不同頻率的參考電壓，在不同調制比下逆變器輸出的線電壓，輸出的線電壓頻率與參考電壓頻率一致，隨著調制比的不同輸出電壓幅值也不同，調制比越小輸出電壓幅值越小。仿真模型中三相整流輸出電壓的一半作為理想直流側母線中點電位。實驗中分別采用帶中點電位平衡控制方法和無此控制方法進行測試，其輸出波形如圖11和圖12所示。通過比較可以看出，帶中點電位平衡控制方法的直流側母線電容兩端電壓均衡，接近理想的中點平衡電壓，而沒有采用此方法的電容兩端電壓不均衡，偏離理想中點電位，導致實際電容中點電位出現偏移。

圖9 m=0.7，10Hz時逆變器輸出線電壓

圖10 m=0.5，10Hz時逆變器輸出線電壓

圖11 帶直流母線電容中點電位平衡策略的直流側母線中點電壓及兩電容電壓

圖12 無直流母線電容中點電位平衡策略的直流側母線中點電壓及兩電容電壓

4 結束語

建立仿真模型，調試系統參數，仿真結果表明，采用SVPWM調制方式可以使逆變器輸出5個電平的線電壓，電壓波形較兩電平逆變器更接近于正弦波，且三相電壓波形對稱，經低通濾波器可以得到較高質量的三相對稱電壓；在一個采樣周期內根據控制系統檢測直流側兩電容端電壓之差與中點電位偏離程度，實時調整作用于負小矢量作用時間的控制系數，從而達到采樣周期內中點電位平衡。證明基于SVPWM控制策略的參考電壓矢量所在扇區及扇區區域判斷、電壓矢量合成和其作用時間分配方法的正確性，以及逆變器直流側中點電位平衡控制方法的有效性。

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