三電平NPC逆變器中點電位平衡的研究

常娜娜

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

電力電子領域中，三電平技術可輸出高質量、低諧波的電能，但是三電平逆變技術所需的開關管較多[1]。此外，直流側母線串聯的電容無法準確平衡兩側電壓，影響了逆變器輸出的波形。因此，研究三電平逆變技術的直流側電容的中點電位平衡問題意義重大[2]。

中點電位平衡的研究中，文獻[3]提出了控制中點電位平衡因子，以平衡中點電位的方法。文獻[4]中的方法增加了兩個控制開關器件，達到了控制中點電位平衡的目的。文獻[5]在SVPWM調制方法的基礎上，采用中矢量不參與調制的方法，實現了中點電位平衡。文獻[6]采用判斷中點電流方向和中點電位誤差改變小矢量的作用時間，以平衡直流側中點電位。

1 NPC型逆變器中點平衡問題

NPC型逆變器的拓撲結構，如圖1所示。對于NPC型逆變器，每一橋臂由4個開關管、4個續流二極管和2個箝位二極管組成。例如，a橋臂中，VT1和VT3互補，VT2和VT4互補，則逆變器開關函數可表達為：

其余兩橋臂與a橋臂相似。

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

圖1 NPC型逆變器拓撲結構

圖2 三電平NPC逆變器空間矢量圖

空間矢量中，大矢量對應的開關狀態和零矢量對應的開關狀態對中點電流無影響；小矢量的兩種冗余開關狀態對中點電流的影響相反，且是可控的量；中矢量對應的開關狀態會對中點電流產生影響，且是不可控的量。通常，通過調整小矢量冗余開關狀態的作用時間來控制中點電位的偏差和波動。

2 中點電位平衡的研究

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

以第Ⅰ扇區為例說明小矢量的分配原則，見圖3。

圖3 第一扇區矢量圖

其中，Uref為 V1、V2、V3所合成的電壓；T1、T2、T3分別為V1、V2、V3對應的作用時間，其中V3包含POO和ONN兩個小矢量。假設一個平衡因子K取值在0～1，在一個開關周期中以V3中的矢量為例，ONN和POO的作用時間分別為KT1和(1-K)T1。

通過式（2）和式（3）可得，當選擇矢量ONN時，流出中性點的電流為：

計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為：

（1）當中點電位為零時，平衡因子K=0.5，小矢量ONN和POO的作用時間相同；

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

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

控制時，需判斷流進中點的電流方向和中點電位的誤差，進而得到K的取值大小，并確定相應矢量的作用時間，最終達到直流側兩電容中點電位平衡的目的。

3 仿真驗證

通過MATLAB/simulink仿真模塊對系統進行仿真，結果如圖4、圖5和圖6所示。可見，系統在0.02 s后，上下母線電壓趨于平衡，并達到中點電壓平衡。

4 結 論

本文分析了NPC型逆變器拓撲結構，研究了三電平NPC逆變器中點電位平衡問題。此外，通過MATLAB軟件搭建模型，并進行了仿真驗證。

圖4 加入中點平衡后上下母線電壓

圖5 逆變器輸出線電壓波形

圖6 中點電壓后相電壓與相電流