一种新型三电平NPC变流器直流中点电压平衡控制策略

李 宁，王 跃，蒋应伟，王兆安

(西安交通大学电气工程学院，陕西 西安710049)

引言

三电平中点钳位（NPC）变换器是目前最为常用的多电平变换器[1]，相比于传统的两电平变换器，三电平NPC变换器具有输出功率大、输出波形THD小、器件电压应力和系统EMI低等多方面的优点[2]，因而被广泛的应用于中高压变频调速、有源电力滤波和电力系统无功补偿等领域。

自20世纪90年代以来，针对三电平NPC变换器的研究层出不穷，随着研究的深入，直流电容电压平衡控制问题受到了越来越多学者们的关注。三电平NPC变换器的正常工作是建立在直流侧两个电容电压都稳定在Udc/2的情况下的，但是实际过程中每个电容电压是在Udc/2附近以一个较低的频率波动的（理想情况下为3倍基波频率），同时，由于器件和负载的不对称性以及控制算法的累计误差也会导致实际工作中两个电容电压存在一定的不平衡性，直流电容电压的不平衡严重影响了三电平变换器的性能。

许多学者对三电平NPC变换器的直流电容电压波动进行了分析和研究，提出了多种直流电容电压的平衡控制方案，这些方案总的来说可以分为两大类，即硬件控制策略[3-5]与软件控制策略[6-15]。硬件控制策略往往要额外增加电源或者功率器件及储能器件，这将增大系统体积与成本，降低系统的效率和稳定性，因而应用并不广泛；相比之下，软件控制策略节省了系统的体积与成本，同时具有很高的稳定性，但它增加了软件算法的复杂性。随着高性能DSP的快速发展，复杂的控制算法变得越来越容易实现，因此，软件平衡法也获得越来越多的关注。

目前已知的三电平NPC变换器直流电容电压软件平衡控制策略有许多种，本文从两个方面进行分类：

（1）从直流电容电压平衡控制策略与调制策略（PWM策略）的关系分类

①修正参考值型[8-11]

电容电压的平衡控制策略位于调制策略之前，通过修正调制策略的给定参考值来实现直流电容电压的平衡控制。

②修正调制策略型[12-14]

在调制策略中考虑直流电容电压的平衡控制，得到具有平衡直流电容电压能力的新调制 （控制）策略。

③修正输出值型

电容电压的平衡控制策略位于调制策略之后，通过修正调制策略的输出开关状态来实现直流电容电压的平衡控制。

（2）从有无单独控制环的角度分类

①开环控制策略（前馈控制策略）[15，16]

这类控制策略从三电平NPC变换器的控制理论出发，研究控制算法对直流电容电压波动的影响，根据理论分析得到的结果对原控制算法进行改进，从理论上实现直流电容电压的平衡。

②闭环控制策略[8-14]

闭环控制的基本思想是通过对整个系统的实时检测，实时的修改控制策略中的相关变量，进而控制直流电容电压的平衡。

根据本文的分类，目前应用的三电平NPC变换器直流电容电压软件平衡控制策略主要以修正参考值型和修正调制策略型的闭环控制策略为主，这些控制策略通常都是针对不同的调制策略提出不同的控制方法，很少有任何调制策略都适用的直流电容电压软件平衡控制策略。

针对以上问题，本文提出了一种修正输出值型的直流中点电压平衡控制策略，它的显著优点是对任何调制策略均适用，本文选取了目前最常用的两种三电平PWM控制策略—SPWM和SVPWM，通过仿真和实验验证了本文提出的中点电压平衡控制策略对两种调制策略的适用性。

1 三电平NPC变流器的中点电压波动

图1 三电平NPC变流器主电路拓扑图

如图1所示为三电平NPC变流器主电路拓扑图，其中Udc表示直流总电压，C1、C2为直流侧电容，Sa1-Sa4、Sb1-Sb4和 Sc1-Sc4为三相功率器件，VD1-VD6为钳位二极管，Ua，Ub，Uc为变流器侧输出相电压，ia，ib，ic为变流器侧输出相电流，io为直流电容中点电流，P，O，N为相电压输出的三种开关状态。

如表1所示为三电平NPC变流器输出相电压与该相开关器件开关状态的对应关系，通过图1和表 1 可知，当 x（x=a，b，c）相输出开关状态 O 时，相电流ix将流入或流出直流电容中点，若定义变量sxo表示x相的开关状态Sx是否为O，则有：

表1 三电平NPC变换器输出电平与开关状态的关系

直流电容中点电流io可以表示为：

由式（2）可知，由于三电平NPC变流器各相存在开关状态O，因而直流电容中点电流io不为零，这就导致了直流电容电压的波动。

进一步分析系统线电压与三相开关状态的对应关系，可以得到表2。

表2 三电平NPC变流器输出线电压与开关状态的关系

表2 中1-7组存在多个开关状态对应相同线电压的情况，针对三相三线制系统，存在如式（3）的关系：

根据式（2）、式（3），表 2 中第一组三个开关状态对应中点电流io均为0，2～7组的各个开关状态对应的中点电流io如表3所示。

表3 线电压相同的六对开关状态对应的中点电流

从表2、表3可以发现每组线电压相同的两个开关状态对应的中点电流符号相反，对中点电压的影响也相反，因而可以通过合理选择表2中2～7组的开关状态达到平衡直流电容中点电压的目的。

2 三电平NPC变流器新型中点电压平衡控制策略

在上文理论分析的基础上，本文提出一种新型的三电平NPC变流器中点电压平衡控制策略，整个系统的控制原理图如图2所示。系统中采用常用的基于瞬时功率理论的电压电流双闭环控制策略得到调制策略三相参考电压usa，usb和usc，三相参考电压信号经过PWM调制得到三相预开关状态Sxi（x=a,b,c），最后经过直流中点电压平衡控制环得到实际每相的开关状态Sxo，Sxo通过表格1与x相的四个开关器件的开关状态对应，进而通过每个开关器件的通断达到控制直流中点电压平衡的效果。图2为三电平NPC并网变流器的控制框图，其中ua、ub和uc为电网相电压，ia、ib和 ic为入网电流，Ls和 Rs分别为平波电抗器感抗和电网等效阻抗，C1、C2为直流侧电容，Udc1、Udc2为直流电容电压，Udc为直流侧总电压，Udc*为直流侧总电压给定值，id*、iq*和 id、iq分别为d轴和q轴的给定电流与实际电流，θ为三相软件锁相环（PLL）的输出结果，abc/dq和dq/abc分别表示三相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的旋转变换，PI表示比例积分控制器。由图2可以发现，本文提出的中点电压平衡控制策略可以应用于任意调制策略，是一种修正调制策略输出值的中点电压平衡控制策略。

如图3所示为本文提出的中点电压平衡控制策略的实现流程图，其具体步骤如下：

图3 本文提出的中点电压平衡控制策略流程图

（1）根据调制策略的输出开关状态Sxi(x=a,b,c)判断是否启用中点电压平衡控制策略，当输出开关状态Sxi为表3中6组状态中的一个时才启用算法；

（2）根据三相电流 ix应用公式（1）、（2）计算中点电流io并判断它对中点电压的影响，I=1中点电压降低；I=0中点电压升高。

（3）根据实测Udc2与其理论值Udc/2的关系判断中点电压的偏向情况，△为中点电压预设波动范围，U=2表示中点电压偏高；U=1表示中点电压正常；U=0表示中点电压偏低。

（4）判断当前开关状态是否有利于中点电压平衡，设判据为C，它与U和I的关系见图3中的真值表。C=1表示当前开关状态有利于中点电压平衡；C=0表示当前开关状态不利于中点电压平衡。

（5）根据C值调整输出开关状态。当C=1时，输出调制策略产生的开关状态Sxi，当C=0时输出调制策略产生的开关状态在表3中对应的开关状态Sxo。

3 仿真和实验验证

为了验证本文提出中点电压控制策略的正确性，搭建了三电平NPC并网变流器仿真和实验平台对其进仿真和实验验证。整个系统的控制框图如图2所示，并网变流器直流侧接负载电阻，阻值为100Ω，电网向三电平系统输出有功电流，表4给出了仿真和实验平台的关键参数。

表4 仿真和实验平台关键参数

图4 新型中点电压平衡策略仿真效果图

如图4所示为新型中点电压平衡控制策略的仿真效果图，仿真中对比了采用SPWM策略和SVPWM策略时系统直流电容电压波动、输出相电压和线电压脉冲及入网电流的区别。 图4（a）、（c）、（e）为调制策略为SPWM策略时的仿真效果，在0.4 s时应用本文提出的中点电压平衡控制策略，图4（b）、（d）、（f） 为调制策略为 SVPWM 策略时的仿真效果，在0.4 s时应用本文提出的中点电压平衡控制策略。由图（4）可知，当不采用中点电压平衡控制策略时，采用SPWM策略或SVPWM策略都会引起中点电压的波动，SPWM策略引起的中点电压波动较大，SVPWM策略由于存在误差积累会引起中点电压的偏移，采用本文提出的中点电压平衡控制策略可以有效的抑制中点电压的波动和偏移，改善输出波形效果。

如图5和6所示分别为当调制策略为SPWM策略和SVPWM策略时应用本文提出的中点电压平衡控制策略前后直流电容电压和入网电流的实验对比。实验结果表明当调制策略为SPWM策略时，如果系统不加中点电压平衡控制策略，直流电容电压将在其平均值附近以3倍工频周期波动，当应用本文提出的中点电压平衡控制策略后，电容电压的波动消失；而当调制策略为SVPWM策略时，如果系统不加中点电容电压平衡控制策略，两个直流电容电压上将出现近10 V的电压偏差，该偏差的产生原因主要是SVPWM策略实现过程中计算误差的累积，与仿真相符合，而应用本文提出的中点电压平衡控制策略后，两个直流电容电压的偏差消失。实验充分说明本文提出的中点电压平衡控制策略对任意调制策略都有较好的效果。

4 结论

本文针对目前应用最为广泛的多电平变流器—三电平NPC变流器，对其中点电压平衡控制策略进行分类，提出了一种适合任意调制策略的中点电压平衡控制策略，并通过实验验证了当调制策略为SPWM策略和SVPWM策略时本文提出的中点电压平衡控制策略的有效性。与现有的中点电压平衡策略相比，本文提出的新型策略具有简单易行、普遍适用的优点，但是由于开关状态存在跳变，一个开关周期内开关次数将有所增加，系统的开关损耗将大于常规中点电压平衡控制策略，新策略的损耗受中点电压波动范围△的影响较大，下一步研究将通过降低新策略的损耗来进一步完善该方法。

图5 调制策略为SPWM策略时中点电压平衡控制策略效果

图6 调制策略为SVPWM策略时中点电压平衡控制策略效果

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