一种兼顾二极管钳位型三电平变换器中点电位平衡的窄脉冲处理方法

王琛琛 管 勃

(北京交通大学电气工程学院 北京 100044)



一种兼顾二极管钳位型三电平变换器中点电位平衡的窄脉冲处理方法

王琛琛 管 勃

(北京交通大学电气工程学院 北京 100044)

综合考虑窄脉冲补偿、中点电位平衡控制及其相互影响，提出一种兼顾三电平变换器中点电位平衡的窄脉冲处理方法。该方法直接分析了窄脉冲对调制波的限制，在完全避免窄脉冲的同时对中点电位平衡控制的影响也极小。仿真和实验结果表明，该方法具有显著的窄脉冲补偿和中点电位平衡控制效果，整体性能明显优于传统的窄脉冲处理方法。

三电平变换器 窄脉冲补偿 中点电位平衡 零序电压注入

0 引言

近年来，三电平变换器在中高压大功率系统中得到了广泛应用[1-5]。不同于传统的两电平变换器，三电平变换器具有如下优势[6-10]：①开关器件需耐受的阻断电压减半；②输出电平数目更多，输出电压波形正弦性更好；③电压变化率(du/dt)减小，EMC问题也相应得到缓解。

对于中高压大功率的二极管钳位型三电平变换器(NPC)而言，存在两个问题需要处理：①窄脉冲问题；②中点电位平衡问题。

不同于两电平变换器，三电平变换器在更宽的输出电压区域内均会出现窄脉冲。且在中高压大功率系统中，为保证可靠的开关和安全，死区和窄脉冲限制时间都设定的较长，如果使用开关速度较慢的IGCTs或GTOs器件，窄脉冲问题则更加突出。窄脉冲会导致开关器件的开关失败，引起输出电压波形畸变，还可能带来开关器件的热积累烧毁[11-15]。另外，为保证三电平NPC变换器正常稳定运行，还需要着重考虑中点电位平衡控制问题。软件算法的方式解决中点电位平衡问题是通过合理的调整注入的零序电压[3-8]。而窄脉冲补偿方法也依赖于对零序电压的合理选择[13]，两者间存在较强的限制影响，需采用一种综合的方法以兼顾窄脉冲补偿和中点电位平衡控制。

传统的窄脉冲处理方法可分为直接窄脉冲剔除法、非最近三矢量SVPWM调制法和零序电压注入法。直接窄脉冲剔除法仅根据设定的窄脉冲限制时间将窄脉冲剔除或拓展到窄脉冲限制宽度。对于开关速度较慢的GTOs或IGCTs器件而言，直接剔除或拓展脉冲而不做其他处理则会使得变换器的输出电压三相不平衡、波形明显畸变，窄脉冲处理效果较差[11]。文献[12]指出，采用非最近三矢量的SVPWM调制方法可直接避免产生窄脉冲，但会导致输出电压中的谐波含量明显增加。零序电压注入的窄脉冲补偿方法[13，14]通过同时向三相电压中注入零序电压来剔除或拓展脉冲，既保证了变换器输出线电压不变，又处理了窄脉冲问题。但该方法在解决某相电压的窄脉冲时，可能又在其他相电压中引入了新的窄脉冲。同时，传统的窄脉冲补偿方法都忽视了窄脉冲补偿和中点电位平衡之间的耦合影响，导致窄脉冲补偿和中点电位平衡的效果都不好。

本文综合考虑窄脉冲补偿和中点电位平衡控制，提出了一种兼顾二极管钳位型三电平变换器中点电位平衡的窄脉冲处理方法。配合以“搜索寻优”的中点电位平衡控制算法，新的窄脉冲处理方法能够取得较好的窄脉冲补偿效果，且对中点电位平衡控制的不利影响也很小。

1 三电平变换器的工作原理、中点电位平衡问题和窄脉冲定义

1.1 三电平变换器的工作原理

三电平NPC变换器的拓扑如图1所示。

图1 三电平NPC变换器拓扑图

当VT1、VT2开通时，U相输出电压为Udc/2；当VT2、VT3开通时，U相输出电压为0；当VT3、VT4开通时，U相输出电压为-Udc/2。同桥臂的4个开关器件，VT1、VT3互补导通，VT2、VT4互补导通，开关状态与输出电平的关系如表1所示。

1.2 三电平变换器的中点电位平衡问题

首先需分析中点电位波动与中点电流之间的关系[6]，如图2所示。

表1 开关状态与输出电平关系

图2 母线电容电压和中点电流示意图

令上下电容电压波动值均为Δv，则CΔv/Δt=iC1，且C(-Δv)/Δt=iC2，波动值与中点电流关系可表示为C(2Δv)/Δt=iC1-iC2=io，同时注意到(2Δv=UC1-UC2)，可得中点电位和需补偿的中点电流iox间关系

(1)

从而三电平变换器中点电位的平衡控制可转换为中点电流的平衡控制。各相的端电压相对于直流侧中点电位有3种输出电平，可表示为Si={-1，0，1}，定义函数Sio为

(2)

易得到瞬时中点电流为

io=Suoiu+Svoiv+Swoiw

(3)

对中点电流在一个开关周期内进行积分得

(4)

以Udc/2为标幺化的基值对输出电压进行标幺化处理，则未注入零序电压的三相输出电压Uuo、Uvo、Uwo的最大范围为±1.15，注入零序电压的三相输出电压Uu、Uv、Uw的最大范围为±1。

(5)

改变Uz即可改变Ui，从而改变dio，最终影响中点电流io。对中点电位的平衡控制实际上是对注入零序电压的合理调整。

1.3 窄脉冲定义

开关器件都存在固有的开通时间ton，min和关断时间toff，min。考虑到三电平变换器的VT1和VT3互补，VT2和VT4互补，将开通时间和关断时间统一成窄脉冲限制时间tmin。当产生的PWM脉冲宽度小于tmin时，开关器件则无法正常开通和关断[13-15]。同时可定义窄脉冲限制电压umin为

umin=tmin/Tc

(6)

式中Tc为载波周期。两电平变换器和三电平变换器的窄脉冲分布范围如图3所示。

图3 窄脉冲分布范围

相比两电平变换器，三电平变换器不仅在输出电压接近±1时存在窄脉冲，在零电压附近也存在窄脉冲。实际应用中，必要的死区会增大或减小PWM脉冲的实际输出宽度，窄脉冲限制时间的设定需增加一个死区时间。

2 传统的窄脉冲补偿方法

2.1 直接窄脉冲剔除法

直接窄脉冲剔除法以设定的窄脉冲限制时间为窄脉冲判断条件来剔除或拓展窄脉冲到窄脉冲限制宽度[11，14]。该方法仅针对出现窄脉冲的某一相电压进行补偿，导致窄脉冲补偿后线电压畸变严重和三相电压不平衡。

直接窄脉冲剔除法并非完全补偿窄脉冲，只能部分缓解窄脉冲的不利影响。中高压大功率系统的窄脉冲限制时间较长，即便是将窄脉冲影响减小依然严重，因而在采用GTOs和IGCTs作为开关器件的中高压大功率系统中并不适用。

2.2 零序电压注入的窄脉冲补偿法

直接窄脉冲剔除法仅处理了出现窄脉冲的某一相，导致了系统输出电压的畸变和三相不平衡。零序电压注入的窄脉冲补偿法以设定的窄脉冲限制时间为条件，同时向三相电压中注入零序电压来剔除或拓展窄脉冲[13]。

由于注入了零序电压，线电压保持不变，系统不会出现输出电压的三相不平衡。但该方法的问题在于，中点电位平衡控制可能使原本没有窄脉冲问题的相电压出现新的窄脉冲问题，或当对某一相电压进行窄脉冲补偿时，可能使原本没有窄脉冲问题的其他相出现新的窄脉冲问题。

情况1：假定umin为0.04，则如果输出电压的绝对值小于0.04或大于0.96，则认为是窄脉冲。假设三相指令电压Uuo、Uvo、Uwo分别为0.140 8、0.159 0和-0.299 8，经中点电位平衡控制后新的指令电压Uu、Uv、Uw分别为0.981 8、1.0和0.541 2。原本三相指令电压并不会存在窄脉冲，但经中点平衡控制后不仅U相出现了新的窄脉冲问题，且如果用零序电压注入法进行补偿，则V相将会超出线性调制区或出现新的窄脉冲。中点电位平衡控制加重了窄脉冲问题。

情况2：假设中点电位平衡控制后三相指令电压Uu、Uv、Uw分别为0.025、-0.05和0.74。此时如果对U相的窄脉冲进行补偿，则补偿后三相电压为0.04、-0.035和0.755。虽然U相的窄脉冲得到了补偿，但V相又引入了新的窄脉冲，实际窄脉冲补偿效果并不好。

3．积极吸纳教育心理学、方法论和化学课程与教学研究的新成果。如:融入西方新的成果，SOLO、学习的进阶、PCK等理论;再如:继承了王佐书教授《中学化学教学论》教材中化学学习论和化学自然科学方法论的精华部分，借鉴了信息技术、微格教学、测量与评价、教学设计等领域研究的成果。

3 两种改进的基于零序电压注入的窄脉冲补偿方法

针对传统窄脉冲补偿方法存在的上述缺陷，本文提出了两种改进的解决方案。

3.1 零序电压注入改进方法一

第二节的讨论指出，在三相调制波幅值都很小、接近窄脉冲限制电压附近时或在三相调制波幅值不小、但其中两相调制波接近窄脉冲限制电压附近时，会因为补偿某一相窄脉冲而在其他相中引入新的窄脉冲。为了克服这两种情况，改进方法一通过判断系统是否出现了这两种情况，然后通过改变零序电压来避开这些区域。可遵循以下步骤：

1)为保证注入零序电压后的调制波不超过线性调制区范围，且在窄脉冲限制电压附近不产生新的窄脉冲，中点电位平衡控制能够取得的零序电压范围为：-1-Umin+4umin

2)当三相电压的绝对值都小于窄脉冲限制电压时，向三相电压中注入零序电压 2umin。

3)当任意两相电压的绝对值同时小于窄脉冲限制电压时，向三相电压中注入零序电压3umin。

零序电压注入改进方法一可解决传统零序电压注入法在补偿某一相窄脉冲而引入新的窄脉冲的问题，但存在以下两点问题：

1)中点电位平衡控制的可选零序电压范围被严重限制。

2)窄脉冲补偿算法在中点电位平衡控制后进行，窄脉冲处理时可能需要注入3umin的零序电压。这不利于中点电位平衡控制的效果。

需要说明的是，以上窄脉冲补偿方法均和中点电位平衡控制问题分开独立处理，并习惯上放在中点电位平衡控制后进行。这也会对中点电位的平衡控制效果造成较大的不利影响。

3.2 零序电压注入改进方法二

以上所有窄脉冲处理方法都是独立的考虑窄脉冲补偿和中点电位平衡问题，将窄脉冲补偿算法放在中点电位平衡控制算法后，两者间的耦合影响难以协调。由于窄脉冲补偿和中点电位平衡控制都依赖于合理的选择零序电压，本文提出一种将窄脉冲补偿融入到中点电位平衡控制中同时处理的窄脉冲补偿方法。

该方法的思想是直接分析确定窄脉冲对调制波的限制，计算能够完全避免产生窄脉冲的调制波范围和可注入的零序电压范围。然后中点电位平衡控制算法在计算得到的可注入零序电压范围内选择合适的零序分量，从而同时保证了完全不产生窄脉冲和较好的中点电位平衡控制效果。

为保证中点电位平衡控制后的调制波完全不产生窄脉冲，需确保中点电位平衡控制注入零序分量后的三相电压同时满足以下约束条件

umin<|Uz+Uio|<1-umin

(7)

由前面的分析可看出：零序电压注入改进方法一为避免补偿某一相的窄脉冲而引入新的窄脉冲，牺牲了很大的零序电压自由度。相比而言，零序电压注入改进方法二通过准确计算可取零序电压区间，大大减小了窄脉冲补偿时对中点电位平衡控制的不利影响。以开关频率2 kHz、调制比0.82、窄脉冲20 μs为例，计算得到了不进行窄脉冲补偿、采用改进方法一和改进方法二时的可取零序电压范围，如图4所示。

图4 不同方法的可选零序电压范围

图4中同种类型线条间空白部分为对应窄脉冲补偿方法限制后中点电位平衡控制的可选零序范围。图4b中改进方法二的中间贯通实线部分为可选零序电压不能取到的区域。改进方法一对可选零序范围的限制极大，严重影响了中点电位平衡控制的效果；改进方法二和不补偿窄脉冲情况接近，对中点电位的平衡控制影响较小。

3.3 搜索寻优中点电位平衡控制法

采用零序电压注入改进方法二，可得到一个受限的可选零序电压范围。为方便中点电位平衡控制算法在受限的可选零序电压范围内选择合适的零序分量进行中点电位平衡控制，本文采用了一种搜索寻优的中点电位平衡控制方法。其基本思想是遍寻全部可取零序电压来计算对应的中点电流io，选择iox和io差的绝对值最小的零序电压注入，详细算法可参考文献[5]。

4 仿真和实验验证

为从窄脉冲补偿和中点电位平衡控制两方面对传统的窄脉冲补偿方法和新提出的窄脉冲处理方法进行比较，本文基于Matlab/Simulink仿真软件和7.5 kW实验平台分别进行了仿真和实验。仿真和实验参数如表2所示。

电机控制方式采用VVVF控制，电机空载运行。图5和图6分别对应仿真和实验结果。四通道分别对应理想情况、考虑20 μs窄脉冲、直接窄脉冲剔除法、传统零序电压注入法以及改进方法一和改进方法二情况下的输出线电压、上下电容电压、上下电容电压之差以及输出相电流波形。

表2 仿真和实验参数

图5 各种窄脉冲补偿法的仿真比较

图6 各种窄脉冲补偿法补偿的实验验证Fig.6 Experiments of narrow pulse compensation

理论分析与仿真和实验得到的结果十分吻合。同时对仿真和实验的相电流波形进行FFT分析，可得到表3所示的比较结果。

表3 各种补偿方法电流波形的FFT分析

对比图6中各种方法的相电流可发现，直接窄脉冲剔除法和传统的零序电压注入法对窄脉冲的补偿效果并不太好，在中高压大功率、窄脉冲限制时间要求较长的场合并不适用。

从图6e中可看出，零序电压注入改进方法一能很好的克服传统零序电压注入法的缺陷，窄脉冲补偿效果较好，但对中点电位平衡的不利影响较大，中点电位波动明显。

由图6f可知，零序电压注入改进方法二不仅能够对窄脉冲进行很好的补偿，同时对中点电位平衡控制的不利影响也极小。

表3中各种补偿方法电流波形的FFT分析结果也佐证了上述结论。

5 结论

本文针对中高压大功率的二极管钳位型三电平变换器，综合考虑窄脉冲补偿、中点电位平衡控制及其耦合影响，提出了一种兼顾三电平变换器中点电位平衡的窄脉冲处理方法。仿真和实验结果表明新方法在窄脉冲补偿和中点电位平衡两方面都具有很好的效果。得出如下结论：

1)传统的窄脉冲补偿法或是会导致三相电压的不平衡，或是会在补偿某相窄脉冲时在其他相中引入新的窄脉冲。而改进方法一和二能够很好的解决上述问题。

2)改进方法一以牺牲大量的零序电压自由度为代价避免了传统窄脉冲补偿法存在的各种缺陷，但对中点电位平衡控制的不利影响很大，中点电位波动严重。

3)改进方法二将窄脉冲补偿融入中点电位平衡控制中，在完全避免产生窄脉冲的同时对中点电位平衡控制的不利影响极小。

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A Narrow Pulse Processing Method Considering Neutral-point Potential Balance Problem of Diode-clamped Three-level Inverters

WangChenchenGuanBo

(School of Electrical Engineering of Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China)

To consider the narrow pulse compensation，neutral-point potential balance，and their coupling effects simultaneously，a solution method for three-level inverters is presented in this paper.Based on the analysis of the limits of modulation wave caused by narrow pulses，this method can avoid narrow pulse problem completely and has less adverse effects on the neutral-point potential balance control.Simulation and experimental results verify that it has a significant performance for narrow pulse processing and neutral-point potential balance.Its overall performance is better than traditional narrow pulse methods.

Three-level inverters，narrow pulse processing，neutral-point potential balance，zero-sequence voltage injection

2014-12-29 改稿日期2015-08-02

TM464

王琛琛 男，1981年生，博士，副教授，研究方向为大容量功率变换和交流电动机控制。(通信作者)

管 勃 男，1989年生，硕士研究生，研究方向为大容量多电平变换器控制技术。