T型三电平并网变流器的中点电压不平衡控制分析

孟祥伟，李 征

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

在电力电子技术的飞速发展应用当中，已经越来越多的使用多电平电路，大容量高压的电池储能并网系统中，多电平比两电平电路有显著的优势，三电平电路会越来越多的使用在储能PCS中。当前，三电平电路已经被越来越多的投入到实际应用当中了，所以对它的研究是一个非常重要的课题。三电平变流器比传统的两电平变流器有很多的优点，比如较小的开关损耗，还有如果输出电流满足相同的谐波条件，在三相三电平变流器中，我们可以选用较小的滤波电感，这将在很大程度上减小空间和成本。

当前，在三电平变流器中，三相二极管箝位型有着很广泛的应用，并且在某些场合可以达到很好的效果，但三相T型三电平[1]比三相二极管箝位型3电平变流器导通损耗更小，并且如果在大电流、低电压和较低开关频率的情况下，三相T型三电平变流器的效率会更高，损耗会更小，所以研究三相T型三电平电路有很大的实用价值。

中点电压的不平衡，在T型三电平电路之中存在已久[2]，自出现以来国内外学者就纷纷进行研究。T型3电平变流器的固有问题是不平衡的上下两端电容电压，两个串联的电容对变流器的直流侧进行分压，所以产生了3个电平PON。如果上下两端的电容电压不同，将产生很大的问题，轻则对变流器的性能造成影响，更甚会损坏开关器件。中点电位不平衡的影响有：1）电容寿命会受长期不正常的电容电压影响。2）产生不正常的输出电压电流波形和较大的谐波污染。3）在中点电压出现不平衡时，三电平变流器在传递有功功率时将转化为两电平。4）功率开关管在某些管压较大时使用寿命会大大减少，当不平衡严重时开关管可能会造成损坏，严重影响变流器的性能。

三电平变流器工作时，输出电压波形正常的要求是中点电压平衡，变流器的安全运行也受中点电压平衡影响，变流器的输出波形质量也跟它有很大关系，所以在进行三电平变流器的控制研究时，重要课题之一就是研究如何控制中点电压平衡。

1 产生原理

中点电压不平衡的原因可以从两个方面来说，一是中点电压会在三电平变流器转换能量时传输能量，这时串联的上下两个电容电压分压会产生不均衡，这是内因[3]；二是是电容的参数不可能一模一样，电容电压会在其容量值偏小时产生一定的波动，这时在其硬件上就会造成不平衡，这是外因。

但是，总的来说有以下几点[4]：

1）中点电流的相位和大小同负载的功率因数和大小有着相当程度的联系，这将会在一定程度上影响中点电压。

2）中线电流可以由中、小矢量产生，中点电位也会由此产生偏移。

3）在输出电压影响的情况下，越大的输出电压就会有越大的调制比，越少的小矢量参与，我们就越难控制中点电位。

4）考虑到电容的工艺，不会有一模一样的电容参数，这样必然会产生中点电压偏移。

5）电容容值不能太多的受成本和工艺的影响，中点电压不平衡会随容值的减小而变大。

不平衡的中点电压会造成许多危害，例如在变流器中，一些功率开关管的电压变大，能量转换系统的可靠性减小；低次谐波会从变流器侧输出，这样变流器输出的效率将大大减小；直流侧母线端的上下电容使用期限也会降低，因此在三电平电路中，为保障电路稳定运行，必须要解决中点电压不平衡问题。

对于中点电位不平衡问题，我们只讨论其内因，根据三相T型三电平变流器的工作原理，我们建立其开关模型[5]，如图1所示。

图1 等效开关模型Fig.1 Equivalent switching model

由电路原理知：

综上得：

所以，在单相的情况下，当输出是高电平时，sap为1，否则取0；saN当输出为低电平时，为1，否则取0；当输出是零电平时，sa0为 1，否则取 0；

可见中点电流的方向对中点电位的偏移方向可以造成直接的影响，i0在流出中点O时，上电容会被充电，这时Vdc2电压会减小，Vdc1电压会升高；i0在流入中点O时，下电容会被充电，这时Vdc1电压会减小，Vdc2电压会升高。

2 控制方法

针对前文讨论的中点电压不平衡的内因，将采用在原有的T型三电平并网变流器的调制策略中加入均压算法[6]来解决这一问题。

具体策略如下：

在主电路当中，我们让直流端上下电容电压Vdc1和Vdc2的容量都为CD，如果产生ΔVo=Vdc1-Vdc2的直流电压偏移，并且也是一个PWM周期，中点电流则必须满足式（5）时，这时才会产生平衡的电容中点，输出电流还有开关组合可以由中点电流产生，例如在C区（第Ⅲ大扇区）中，公式（6）即为中点电流。

已知ta1+ta2=ta。

在该开关周期里，小矢量的分配在C区中表达如下式（7）：

其中

负开关状态组合（如0NN）的持续时间为ta2，正开关状态组合（如P00）的作用时间为ta1。

这种中点电压进行补偿的开环策略，可以很好的控制中点电压的不平衡，但有个前提条件，就是要准确的检测直流母线上下电容的电压、容量和各相电流等参数，有一定的难度。但使用闭环控制就可以较好的避过这个问题，因此对于Δt有：

这里取符号函数为sgn，比例常数为kp。

以此类推，我们也能得到在第Ⅲ扇区中Δt的值如表1，这样我们也能通过线性变换和旋转，把其他扇区变换到到第Ⅲ扇区，并通过表2来找到相应的电流，再由具体的小区域由表1替换相应的电流，以此来得到Δt。

表1 第Ⅲ扇区在闭环时Δt的值Fig.1 Δt values ofⅢ sector under closed loop

表2 选择各扇区的输出电流Tab.2 Selection of the output current of each sector

3 实验结果

本文对T型三电平变流器的中点电位不平衡进行了研究和分析，为了验证上述均压算法的理论正确性和实际应用效果，我们设计了一套基于DSP的三相T型三电平功率转换系统，这套系统额定100 kW，采用SVPWM调制算法，我们的芯片采用的是TI的TMS320F28335。实验中采用的参数为：0.26 mH的滤波主电感取值，0.087 mH的隔离变压器漏感，fs=10 kHz的开关频率，380 V的网侧线电压有效值，650 V的直流侧电压。

当加入中点电压平衡算法后，可以看到在充电30 kW时，图2是T型三电平变流器运行时的波形。其中下侧电容电压值是Vdc2，上侧电容电压值是Vdc1，a相的交流电流是ia。因此我们可以得到，在充电30 kW下加入中点电位平衡算法后，T型三电平变流器工作时有着稳定的上下侧电容电压，并可以持续保持平衡。

图2 上下电容电压（有中点电压不平衡控制）图Fig.2 The upper and lower capacitors'voltage with the control of midpoint potential unbalanced

因为如果去掉中点电压平衡控制算法后，直流端上下电容的电压可能会不相等，随着功率不断升高会越来越危险，因此当不用中点电位平衡算法的时候，只能让变流器工作在充电20 kW。

图3是不用中点电压平衡算法的时候，变流器工作在充电20 kW时的波形。其中下侧电容电压值是Vdc2，上侧电容电压值是Vdc1，a相的交流电流是ia。

图3 上下电容电压（充电20 kW时不加中点电压不平衡控制）图Fig.3 The upper and lower capacitors'voltage without the control of midpoint potential unbalanced under 20 kW charge state

综上所述，在去掉中点电压平衡算法的时候，让变流器工作在充电20 kW，我们可以看到直流侧上下电容的电压出现了偏移，偏移会随着功率的升高而越变越大。因此得出我们所用的中点电位平衡控制算法通过实验的检测是可行和有效的。

4 结 论

本文对T型三电平中点电压不平衡的产生原理和控制方法进行了深入的研究和分析，然后为了解决固有的T型三电平中点电压不平衡，设计了一种均压算法，为了验证该算法，设计了一套基于DSP的三相T型三电平并网变流器系统。实验结果表明，加入中点电位平衡算法后，T型三电平变流器工作时有着稳定的上下侧电容电压，并可以持续保持平衡，因此文中提出的中点电位平衡算法是可行和正确的。

[1]宋文祥，陈国呈，武慧，等.一种具有中点电压平衡功能的三电平空间矢量调制方法及其实现 [J].中国电机工程学报，2006，26（12）:95-100.SONG Wen-xiang，CHEN Guo-cheng，WU Hui，et al.Anovel SVPWMstrategy and its implementation considering neutralpoint potential balancing for three-level NPC inverter[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（12）:95-100.

[2]宋文祥，陈国呈，陈陈.基于矢量合成的三电平空间电压矢量调制方法[J].电工技术学报，2007，22（10）:91-96.SONG Wen-xiang，CHEN Guo-cheng，CHEN Chen.A space vector modulation of three-level NPC invecter based on synthesizing vectors concept[J].Transactions of China Electrotenical Society，2007，22（10）:91-96.

[3]窦真兰，张同庄，凌禹.三电平NPC整流器空间矢量脉宽调制及中点电位平衡控制[J].电力自动化设备，2008，28（2）:65-69.DOU Zhen-lan，ZHANG Tong-zhuang，LING Yu.SVPWMand neutral-point-potential control of three-level NPC rectifier[J].Electrial Power Autonmation Equipment，2008，28（2）:65-69.

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