一種調控三電平NPC逆變器中點電壓平衡的不對稱PWM策略

李 銳，鄭中祥，魏 華，吳浩偉，陳 濤

一種調控三電平NPC逆變器中點電壓平衡的不對稱PWM策略

李 銳1，鄭中祥1，魏 華1，吳浩偉1，陳 濤1

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

三電平NPC中點電壓不平衡會帶來開關管電壓應力增加、輸出電壓電流波形畸變等問題。本文通過建立NPC的受控源模型詳細分析了中點電壓不平衡對輸出電壓電流波形影響，在此基礎上提出了一種新的不對稱SPWM（ASPWM）方案。該方案根據中點電壓的波動大小調整正負調制波的直流偏置和幅值，從而消除中點電壓波動對輸出電壓電流的影響。最后通過RT-LABshi實時仿真試驗驗證了該方案的有效性。

三相三電平NPC 中點平衡 受控源模型 PWM策略

0 引言

多電平逆變器可以降低輸出電壓的諧波含量，減小開關器件的電壓應力，其中三電平中點鉗位型逆變器研究和應用最為廣泛。但是中點電壓不平衡會導致輸出電壓電流諧波含量增加，若電壓波動程度劇烈或出現較大穩態偏差，會導致橋臂開關管電壓應力增加，甚至使開關管過壓損壞。

許多學者對中點不平衡的特性進行了相關理論分析。文獻[1～5]闡明了影響中點電壓波動的因素有調制比、功率因數、輸出電流諧波以及負序電流等。針對中點電壓不平衡問題，許多學者提出了相應的控制策略。文獻[1]、[7～9]均是通過改進SVPWM來調控中點的平衡。文獻[1]基本思想是充分利用冗余小矢量的對中點電壓影響的對稱特性，在每個調制周期內調節正負小矢量的時間分配，從而實現平衡。文獻[7][8]利用冗余小矢量與中矢量合成新的虛擬矢量，保證虛擬矢量對中點電壓不產生任何的影響，從而保持中點電壓的平衡。文獻[9]則是考慮到中矢量是造成中點電壓波動的來源，因此完全采用冗余小矢量代替中矢量進行調制，保證中點電壓的平衡。總的來說，SVPWM方案控制復雜，計算量大，并且加入平衡算法后都會導致開關頻率增加以及開關頻率處諧波含量增加。文獻[3]、[10～15]均是通過改進PWM調制方式來解決中點不平衡的問題，均采用了零序電壓注入的調制方案。通過在調制波中注入特定的零序電壓使中點電流為零，解決中點電壓波動。文獻[13～15]都采用了雙調制波SPWM調制方案，該方案基于虛擬矢量控制的思想，利用三相電流和為零的特點，設計了一種雙調制信號的調制策略，保證在每個開關周期內中點電流平均值為零，但這種雙調制波SPWM方案增加了開關頻率。上述方案著重點都在于消除中點電壓波動，沒有關注中點電壓波動對輸出波形具體會產生怎樣的影響，文獻[16][17]則是從消除中點不平衡對輸出電流電壓波形影響的角度出發，對SVPWM調制策略進行改進，其基本思路是在構成空間矢量圖時將中點的不平衡考慮進來，各種空間矢量是考慮實際實時的中點電壓不平衡狀態后的矢量，在此矢量圖中再進行平衡調控，從而保證輸出波形不受中點不平衡的影響。該方案的優點在于能夠消除中點不平衡對輸出波形的影響，并且具有調節平衡的能力，缺點是算法變的十分復雜，在每個調制周期內各個空間矢量大小方向需要根據不平衡情況計算。

本文首先建立了三相三電平NPC逆變器的受控源模型，該模型具有非常明確的物理意義，可以很直觀的分析得出中點電壓不平衡對輸出電壓和電流波形的影響。然后基于模型和分析，提出了一種正負調制波幅值不對稱的一種調制方案，能夠快速調節中點電壓平衡，并能在中點電壓不平衡情況下消除對輸出波形的影響。

1 三相三電平NPC的受控源模型

圖1所示為三電平NPC拓撲結構，對逆變器的建模方法有很多，但是基本原理都是基于沖量等效的原則，各種建模方法也各有利弊。為了從物理上更為直觀的分析三相三電平NPC中點電壓不平衡的問題，本文選用了一種將每相橋臂等效為受控源的建模方法[19]。將等效受控源建模方法應用到三相三電平NPC拓撲中，可以建立如圖2所示的等效受控源電路模型。其中d和d（x表示a、b、c）的表達式與具體采用的調制方式有關。

圖2所示模型中以輸入直流母線中點為參考點，可以得到每相電壓的表達式如式(1)所示，中點電流如式(2)所示。假設C1=C2=C，可以得到中點電壓變化量Δ與中點電流的關系如式（3）所示。式(1)～(3)具有通用性，在不同調制方式下僅d和d的表達式不同。觀察式(1)我們可以發現由于相電壓表達式中含有關于Δ的項，中點電壓不平衡會影響輸出相電壓波形。式(2)(3)顯示了調制方式和輸出電流對中點電壓平衡的影響。

圖1 三相三電平NPC逆變器拓撲結構

圖2 三相三電平NPC逆變器受控源模型

2 中點電壓不平衡對輸出波形的影響

利用上一節建立的受控源模型分析常規SPWM策略下中點電壓不平衡對輸出波形的影響。式(1)是每相電壓的表達式，當采用SPWM調制方式時，具體表示為式(4)。

根據圖2所示等效模型可以推導出星形連接的負載端中點N到參考點o的電壓表達式如(6)所示。式(6)可以看作是三個方程，聯立這3個方程進一步可以得到N點電壓和直流側中點電壓波動的關系，如式(7)所示：

3 零序電壓注入式ASPWM方案

(13)

基于上述的思路，采用一種新的PWM方案，這種方案具體描述如下：

1）加入零序分量

2）幅值調整

按照上述方法改造后的調制波表達式如式(14)。

按照式(14)進行調制，當某個電容電壓偏高時，非對稱調制波V對應半波部分面積會加大，逆變器抽取電壓偏高電容能量的時間增加，從而主動使中點電壓恢復平衡。同時式(14)所示的V表達式總是滿足V≤1，該調制方法對直流電壓利用率沒有任何損失。

采用這種調制后，最后得到的每相電壓表達式為：

1）可動態實時調節中點電壓，使中點電壓迅速恢復平衡；

2）相比較傳統零序電壓注入方法，該方案不會造成直流電壓利用率的下降；

3）相比較其他中點電位平衡算法，該方法可以保證即使中點電壓持續存在不平衡，輸出電壓和電流不會產生更多的諧波；

4）該方案實現簡單易于拓展，能方便的運用于各種多電平逆變器的直流電壓平衡控制。

4 半實物實時仿真試驗結果

為了驗證ASPWM算法的有效性，基于實時仿真技術，在RT-LAB平臺上對算法進行了驗證。實驗平臺如圖4所示，ASPWM算法在一塊集成了DSP28335、AD7864的控制板上實現，并通過一個接口板與RT-LAB仿真機相連，在RT-LAB內建立有三電平逆變器的實時模型。

圖4 實驗平臺

在RT-LAB中建立如圖1所示的實時三電平逆變器模型，該模型具體參數如下：

表1 設備參數

4.1 中點電壓不平衡對波形影響的試驗

設置電容C1電壓保持為500 V，電容C2電壓保持為100 V，調制比為0.95，常規SPWM調制與ASPWM調制下輸出電壓波形以及THD分析如圖5所示。

圖5（a）所示波形分別是電容C1電壓和輸出線電壓V，在波形前半段采用常規SPWM調制，后半段改為采用ASPWM調制，可以看到ASPWM調制下輸出電壓波形明顯優于常規SPWM調制。常規SPWM調制下輸出電壓中出現了大量的2次、4次等偶次諧波分量，ASPWM調制方法則完全消除了不平衡對輸出波形中諧波的影響。從圖5（b）的THD分析結果中可以看到，常規PWM控制下2、4次等偶次諧波非常嚴重，其中2次諧波達到28.69%，4次諧波達到5.94%，整體THD達到了29.35%；而采用APWM算法后，偶次諧波基本被消除，整體THD降低到了1.34%。

4.2 中點電壓不平衡控制效果試驗

1）不平衡恢復的動態效果

在表1參數下進行實驗對比，調制比為0.95，將電容1電壓鉗位為500 V，電容2電壓鉗位為100 V，在某一時刻放開電壓鉗位。兩種調制方式下中點電壓不平衡恢復的過程如圖6所示，圖中所示分別是電容1和2的電壓。從圖6中可以看到，兩種算法最終都能實現中點電壓平衡的恢復，而ASPWM算法由于主動根據電壓不平衡進行調控，具有明顯更快的恢復速度。ASPWM調制下恢復時間小于2 s，而常規SPWM調制方式恢復時間長達9 s。值得注意的是在ASPWM控制下，不平衡的整個動態過程中輸出電壓波形始終保持非常好的正弦輸出。

圖5 中性點電壓偏移時輸出電壓波形

2）參數不對稱時的不平衡控制效果

在表1參數下進行實驗對比，調制比為0.95，將電容1并聯350歐電阻，電容2并聯250歐電阻，人為造成電路上的不對稱。兩種調制方式下中點電壓平衡的控制效果如圖7所示，在波形前半段采用常規SPWM調制，后半段切換為ASPWM調制，圖中波形分別是電容1、2的電壓以及兩個電壓的差值。可以看到，常規SPWM調制下電容1和2的電壓差達到了40 V，而采用ASPWM方法后，電壓差減小到了10 V左右。可以看到ASPWM具有更優的中點電壓平衡控制效果，并且即使存在不平衡情況下仍能保持輸出電壓波形很好的正弦度。

圖6 中性點電壓動態恢復過程

圖7 中性點電壓平衡控制效果

5 結論

本文建立了三相三電平NPC逆變器的受控源模型，根據此模型詳細分析了中點電壓波動對輸出波形的影響。基于上述分析提出了一種不對稱SPWM方案，可以快速調節中點電壓平衡，并且可以有效的消除中點電壓不平衡對輸出波形的影響。該調制方案具有以下優勢：1）不會降低直流電壓利用率；2）消除了中點電壓不平衡對輸出電壓電流波形的影響；3）算法簡單，沒有提高變換器開關頻率，可以簡單擴展到更多電平的逆變器控制。最后基于RT-LAB平臺的試驗結果驗證了該方案的有效性。

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Asymmetric PWM method to obtain balanced NP voltage in a three-level neutral-point-clamped converter

Li Rui1, Zheng Zhongxiang1, Wei Hua1,Wu Haowei1, Chen Tao1

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TM464

A

1003-4862(2022)08-0001-06

2022-02-10

海洋核動力平臺技術、裝備研制及示范應用（2017YFC0307800）

李銳（1987-），男，博士研究生。研究方向：船舶電力系統與裝備。E-mail: learoylr@136.com