三電平逆變器多模式中點電壓平衡策略

王凱凱，陳文博，萬　衡（上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海201418）

三電平逆變器多模式中點電壓平衡策略

王凱凱，陳文博*，萬衡
（上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海201418）

逆變器一直是電氣領域研究的熱點問題，三電平逆變器的廣泛應用得到了研究人員的大量關注，其中三電平逆變器存在的中點電壓不平衡的問題限制了其使用，該問題也漸漸成為近期的研究熱點。所提出的一種三電平逆變器多模式中點電壓平衡策略和算法，較好地實現了中點電壓平衡，通過仿真驗證和實際工程應用，驗證了該算法的可行性和可靠行。

三電平逆變器；中點電壓平衡；混合式平衡；Bang-Bang控制

在大功率的場合，三電平逆變器與傳統的兩電平逆變器相比有諸多優點［1～3］，但是三電平逆變器存在中點電壓不平衡的固有問題，許多文獻［6～9］提出了多種改進方案，但仍然存在一系列缺陷，算法復雜是限制其工程應用的一個重要原因。針對三電平逆變器中點電壓不平衡的問題，本文提出了一種三電平逆變器多模式中點電壓平衡策略，使得控制周期內計算量大大降低，并且可以很好的穩定中點電壓。

1　三電平逆變器中點電壓平衡

三電平逆變器中點電壓平衡，是指在三電平逆變器中，由于直流分壓電容充放電不均衡造成的中點電壓不平衡的問題。圖1為三相三電平逆變器拓撲結構圖。通過圖1的三相電平值可以得到圖2所示的三電平逆變器空間矢量圖。

由圖2根據矢量的長度，將其分為以下5類：大矢量，中矢量，正小矢量，負小矢量和零矢量。圖3描述了不同的矢量對于中點電流的影響。在每一個電壓分量情形下，流入中點的電流各不相同。

圖1　三相三電平逆變器拓撲結構圖

圖2　三電平逆變器空間矢量圖

圖3　三電平逆變器空間矢量對中點電流的關系

在大矢量的作用下，如圖3（a）和圖3（b）所示。由于負載并未連接在中點，而是直接與Cl和C2構成同一回路，因此不存在流入或流出中點的電流，故這兩種分量對電容電壓沒有影響。

在中矢量的作用下，如圖3中的（c）所示。Cl和C2分別與三相負載構成獨立的充放電回路，雖然兩個回路的平均電流相等，但由于兩個充放電的電流之間存在相位差，使Cl和C2的電壓有不同步的波動，因此這種分量下電容電壓會產生變化。

在小矢量的作用下，如圖3（d）、圖3（e）、圖3（f）和圖3（g）所示。交流負載僅僅連接在中點與正電平或負電平之間，即僅連在Cl和C2中的一個電容兩端，這樣就只有一個電容與負載構成充放電回路，當一個電容因充（放）電使電壓上升（下降）時，另一個電容的電壓會有相同程度的下降（上升）。因此，此分量對兩個電容電壓的平衡性影響較大大。

從圖3中的分析可以看出，要確定中、小矢量對中點電壓的影響，就要和中點電流的方向聯系起來。各個分量流入中點的電流可總結如表1。

表1　中小矢量中點的電流

目前較為普遍的控制方式為引入時間控制因子，來分配每一個周期中小電壓分量（矢量）的時間，使得每個周期中流入中點的電流為0。但是在實際控制中，該方法存在以下問題：目前所用的控制芯片大都采用DSP，其運算速度有限。用“時間控制因子”算法，需要消耗大量的計算資源，同時精確的浮點運算對于高頻率控制來說相當困難，在每個周期中，DSP需要處理信號采集、轉換、通信等一些列工作，完成該算法非常困難；在絕大多數情況，即使將影響中點電流的小分量（小矢量）全部替換，也無法使得本周期中平均中點電流為0。該情況下既浪費了大量的計算資源，又無法實現良好的控制效果。所以本文提出多模式中點平衡算法來解決中點電壓平衡問題。

2　多模式中點電壓平衡算法

本節將對多模式中點平衡算法進行詳細介紹，以第I扇區為例，圖4為三電平逆變器第I扇區電壓矢量圖，表2為I區Sn、S0、S1模式，

圖4　三電平逆變器第I扇區電壓矢量圖

表2　I區Sn、S0、S1模式

表中落入第I扇區中各個小扇區的電壓可由表2所示矢量表示，比如若電壓矢量落入I-A區，可由OOO，POO，PPO，PPP四個矢量組合生成。表2中第1列與第4列所生成的電壓一樣，但是合成的矢量不同，結合表1可以看出，兩種矢量對中點電流的影響正好相反。正常情況下，采用7段式PWM控制方案，表2中m取值0.5，定義此模式為Sn模式，該組合可定義為IA-Sn。由于OOO矢量對中點電流沒有影響，所以m取值為1或0時，中點電壓不變。我們定義m=0時，為S0模式；m=1時，為S1模式，其組合為IA-S0，IA-S1。

由表1可知，IA-Sn、A-S0和IA-S1中，流入中點的電流如式（1）：

若該式的電流符號不滿足要求，則需要考慮改為另一種模式。

表3　IA-S2模式

表3為IA-S2模式，當IA-Sn、A-S0和IA-S1都無法滿足中點電流要求時，可考慮采用此模式。此模式下流入中點的電流為式（2）：

式（2）與式（1）符號相反，因此，在IA扇區中，可以考慮此種變換模式。

再以I-C扇區為例：

在IC-S0模式時，電流為式（3）所示：

IC-S1模式時，電流為公式（4）所示：

在某些情況下，Sn，S0和S1可能都無法滿足中點電流要求。這時就要使用S2模式。

表4是IA-S2模式，其流入中點電流為式（5）所示：

表5是IA-S3模式，流入中點電流為式（6）所示：

以上幾種模式在PWM實現中，均滿足每一個開關管在一個周期中切換一次的要求。

表4　IC-S2模式

表5　IC-S3模式

另外，對于B扇區和D扇區，只存在S0與S1模式。

若以上Sn，S0-S3模式均無法滿足要求，并且重點電壓值已經達到Vmmm或Vppp等級，此時需將三電平控制方式切換為兩電平控制模式Sl，即每一項兩個開關管當做兩電平逆變器中一個開關管使用，此時對中點電壓不造成影響，等待合適的周期出現來調整中點電壓。具體的算法流程圖下：

（1）檢測中點電壓，設Vp為電壓高值，Vm為電壓低值，Vpp為電壓過高值，Vmm為電壓過低值；

（2）判斷中點電壓所處區域（Vp，Vpp，Vm，Vmm）；

（3）當中點電壓處于Vp與Vm之間時，本周期不變化矢量組合，采用Sn模式，判斷結束；

（4）當中點電壓＞Vp，本周期需確保流入中點電流為負（電流需要從中點流出）；當中點電壓＜Vm，本周期需確保流入中點電流為正（電流需要流入中點）；

（5）若第4條成立，檢測三相電流，讀入電流值等待計算；

（6）判斷所需生成電壓所在大扇區；

（7）判斷所需生成電壓所在的小扇區；

（8）計算S0-S4組合下，流入中點的電流符號，計算采用定點計算，粗略計算出電流的正負和大小即可；

（9）以此刻中點電壓＞Vp為例，此刻需要確保流入中點電流為負。按照第8步的計算，找出S0-S3中，電流為負且絕對值最大的組合Sx。若電壓大于Vp但小于Vpp，且S0-S3中無一組合滿足條件，則采用符號為正，或者符號為負但絕對值最小的模式Sx；若此時電壓已經＞Vpp，則采取緊急策略，選擇采用兩電平控制方式Sl或直接并入平衡電阻，亦可同時采取兩種方法進行控制；

（10）將Sx組合的PWM控制策略輸出，本周期結束。

上面為多模式中點電壓平衡算法的具體算法步驟，本算法的優點如下：

（1）在所有24個小扇區中，都有多種可替代的矢量組合，該組合在設計時提前編入程序，節省了多種組合在轉換時所需的計算時間。這些組合變化較多，占用內存資源比傳統方法多一些，因此對于DSP控制，可以看做用空間換時間的策略；

（2）此控制方式為Bang-Bang控制，控制規則簡單，避免了每個周期都需要大量計算的情況；

（3）若想實現精確控制，可將Vpp與Vmm設置為中點電壓值；

（4）當采并入中點平衡電阻也無法平衡電壓時，可采用兩電平控制策略，等待中點電壓可控周期的出現，逐步將中點電壓控制在安全范圍之內。

3　算法仿真驗證

上一小節提出了多模式中點電壓平衡算法，并且給出了詳細的算法步驟，為了驗證算法的正確性和可行性，本節將對算法進行仿真驗證，圖5為仿真電路圖，圖6為扇區計算以及時間計算模塊，圖7為每一項PWM輸出控制模塊。

圖5　仿真電路圖

圖6　扇區計算以及時間計算模塊

圖7　每項PWM輸出控制模塊

圖7中，Vref代表輸出參考電壓值，Sector為大扇區，Section為小扇區，DegreeInSection為大扇區內的角度，T1-T3為計算出的時間。TA1-TC2為每項PWM的控制時間，ModeA1-ModeC2為控制每一項開關管開關的模式，取值為1或2，其中Mode1為開關管初始狀態為0，整個周期的狀態為0-1-0。Mode2為開關管初始狀態為1，整個周期的狀態為1-0-1。在上一小節的例子中，設置了Vp為251 V，Vm為249 V，仿真結果如圖8～圖10所示。

由仿真結果可知，本文所提出的多模式中點電壓平衡算法是正確可行的，有效的控制了中點電壓的平衡，相比傳統的方法，該策略可以將電壓較好的控制在目標范圍內。

圖8　與傳統方法比較

圖9　生成的A相電壓

圖10　C相電壓斬波

4　總結

本文主要對三電平中點電壓平衡的問題進行了詳細的研究，首先分析了各矢量對中點電壓平衡問題的影響，然后用實例的形式說明了多模式中點電壓平衡算法并給出了詳細的算法流程，最后通過仿真驗證了所提的算法是正確有效的，且本算法已在實際生產中得到了應用，應用結果表明該算法穩定可靠，有很好的實際應用價值。

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王凱凱（1989-），男，漢族，江蘇邳州人，碩士研究生，主要研究方向為電氣智能控制與決策，wkaven@163.com；

陳文博（1986-），男，漢族，遼寧大連人，講師，博士研究生，主要研究方向為電氣控制與仿真，46742892@qq.com。

A Multi-Mode Neutral Point Voltage Balance Control Strategy of Three-Level Inverters

WANG Kaikai，CHEN Wenbo*，WAN Heng
（College of electronic&Electrical Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Inverter has always been a hot issue in the field of electrical research，the three level inverter iswidely used to geta lotofattention of the researchers，themidpointvoltage imbalance problem of three-level inverters limiting its use，this problem is becoming a research focus in the recent.Amultimodalmidpoint voltage balancing strategy and algorithm of three-level inverterswas proposed，itmaked themidpoint voltage balance.The algorithm was verified feasible and reliable by simulation and practicalengineering applications.

three-level inverter；neutral-pointvoltage balance；hybrid balance；Bang-Bang control

TM 464

A

1005-9490（2016）04-1005-05

2015-08-06修改日期：2015-09-26

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.047