一种T型NPC三电平三相四桥臂中点电位控制策略

刘京斗，张冀川，李会南

（1.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京100044；2.北京交通大学北京电动车辆协同创新中心，北京100044）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．61中图分类号：TM 923文献标志码：A

一种T型NPC三电平三相四桥臂中点电位控制策略

刘京斗1，2，张冀川1，2，李会南1，2

（1.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京100044；2.北京交通大学北京电动车辆协同创新中心，北京100044）

T型中点箝位三电平（TNPC）逆变器因其损耗低、效率高已被广泛应用，但中点电位平衡是关键问题之一。针对中点电位偏移，采用直流侧并联半桥模块并且中线串接电感构成第四桥臂的结构，分析了第4桥臂数学模型及在三相负载平衡和不平衡工况下中点偏移电压谐波次含量，根据中点偏移电压谐波次含量不同提出基于PIR比例积分谐振的电压电流双环控制。该方法能够实现第4桥臂与TNPC独立控制，仿真和实验结果表明该方法能够保证直流侧中点电位平衡。

TNPC；4桥臂；中点电位平衡；比例积分谐振

Project Supported by the Application Technology Research and Engineering Demonstration Program of National Energy（NY20 150303）

引言

三电平变流器已广泛应用于电力传动领域。相比于两电平逆变器，三电平NPC逆变器具有如下优点［1-2］：①开关损耗小，效率高；②开关动作时dv/ dt小，引起的电磁干扰小；③相同开关频率下，输出电压和电流谐波含量大幅降低；④滤波电感小，降低系统成本。而在三电平NPC拓扑中，又以T型NPC拓扑效率最高，且所用器件数量最少。

为了使得三电平逆变器可靠运行，需确保中点电位平衡［3］。若中点电位控制不好，将会导致输出电压不对称或者输出谐波及包含零序分量。目前平衡中点电位的方法主要有2种方案：①基于零序分量注入的载波PWM方法［4-6］；②基于冗余小矢量调整的SVPWM方法［7-8］。利用冗余小矢量对中点电压影响作用相反的特点，通过精确调整冗余小矢量对作用时间来控制中点电压平衡，该方法效果好，且算法简单易行，已被广泛采用。但上述方案仅适用于三相桥臂逆变器带平衡负载工况。若三相桥臂逆变器带不平衡负载不对称运行，输出电压幅值会产生差异、带非线性负载不对称运行时输出电压波形会发生畸变，因而输出的电能质量不能保证。三相四桥臂逆变器［9-12］拓扑能够解决中点电位平衡及不对称运行工况。

本文首先分析了第4桥臂的数学模型，并根据数学模型设计了电压电流双环控制方案，使电感电流能够补偿中线电流的波动，进而控制中点电位平衡。同时方案能够实现第4桥臂与三相桥臂TNPC的独立控制。仿真和实验表明了控制方法的有效性。

1　TNPC型三相四桥臂逆变器拓扑

图1为TNPC三相四桥臂逆变器拓扑。其中，逆变器通过LC滤波器与三相负载Rload连接，负载中点连接至直流侧支撑电容中点，中线电感Ln用于降低中线电流中的高频分量。第4桥臂由半桥模块构成，并联至直流侧电容C1、C2上，其主要作用是：一是给中线电流提供回路；二是保持中点的平衡，即实现中点电压漂移控制。确保4桥臂变换器即使在给不平衡负载供电时也能输出平衡的三相电压，克服中点漂移而引起的输出电压包含直流分量的现象。

单独加第4桥臂便于实现第4桥臂与其他3个桥臂的独立控制，容易将传统3桥臂变换器的控制算法应用到该4桥臂变换器中。

2　中点电位平衡分析

以图1中A相拓扑分析，其中VTa1、VTa2、VTa3、VTa4为IGBT器件，C1和C2为中间支撑电容，假定此单相模型负载电流流出桥臂方向为正。

变流器在稳态工作时共有3种工作状态，相应地有3种开关状态P、O、N。定义IGBT导通为1、关断为0，则IGBT的开关状态如表1所示。

表1　IGBT开关状态Tab.1 IGBT switching states

在“O”开关状态即某相输出0电平时，负载电流流过中间电容，在一个开关周期内流出中点和流进中点的电流不等，将造成中点电位不平衡。

设m为调制比，平衡工况下三相调制波为

三相输出电流为

式中：ia、ib、ic为逆变器输出三相电流；φ为功率因数角。

当开关管VTa3、VTa4导通时，逆变器输出连接到中点，输出“O”状态。定义dk0（k=a，b，c）为一个载波周期内k相输出“O”状态的占空比。根据脉宽调制理论，在线性调制区内，dk0可表示为

由于载波频率远高于调制波频率，近似认为一个载波周期内ia、ib、ic为恒定值。在一个载波周期内三相流入或流出中点的平均电流之和为中点平均电流，即

对于三相平衡系统工况，ia+ib+ic=0，则inp为而调制波不满足ua=ub=uc，因此不平衡问题会一直存在。

设中点漂移电压为UO，直流侧电压为Udc，则UO、Udc分别为

流入中点的电流与中点电压关系为

假设直流侧电容C1=C2=C，可得

联立式（7）和式（9），则直流侧中点电位的变化量可以表示为

对式（5）、式（10）进行数学分析可知：

①平衡负载工况下，流入或流出中点电位电流和中点电位变化量为3倍频分量；

②不平衡负载工况下，流入或流出中点电位电流和中点电位变化量为基频分量和3倍频分量。

3　第4　桥臂控制器设计

3.1第4桥臂数学模型分析

根据基尔霍夫定律，由图1得到电感电压uL和中线电流iN为

由式（10）和式（12）可得

3.2控制器设计

结合第4桥臂数学模型，提出一种电压电流双闭环的中点电位平衡控制，控制模型如图2所示。UO*为中点电位控制指令复矢量，UO为中点电位反馈复矢量，ΔUO为中点电位误差复矢量，GV（s）、为电压外环调节器的传递函数。控制对象为中线电感1/sL和直流侧电容1/（2sC）。

此方法能够实现第4桥臂与其他3个桥臂的独立控制，容易将传统3桥臂变换器的控制算法应用到该4桥臂变换器中。

图2　电压电流双闭环模型Fig.2 Model of voltage-current feedback control

根据本文第2节分析可知，在平衡或不平衡负载工况下中点电位电压存在基频或3倍频分量。为了实现对中点电位的无静差控制，需改进传统控制中的比例积分PI调节器。为此，本文提出了一种准PIR控制器，PIR中点电位控制器由1个传统PI控制器加上1个基频和3倍频的谐振调节器组合而成。

其传递函数可表示为

式中：KP和KI分别为比例系数和积分系数；KR为谐振系数；ω0为谐振频率；ωc为谐振调节器的响应带宽，以降低谐振调节器对频率扰动的敏感程度，实际系统中取典型参考值为5～15 rad/s。

实际控制中设定响应带宽ωc=5，谐振频率ω0= 50 π，KP=5，KI=0.1，KR=40，得到准PIR调节器的伯德图如图3所示。通过伯德图可知，当ω0=50 π和ω0=150 π时，幅值被放大，可以实现对基频和3倍频信号的跟踪。

图3　PIR波德图Fig.3 Bode plot of PIR

4　仿真与实验结果

为验证本文TNPC型三电平逆变器中点电位波动分析及第4桥臂控制策略的可行性，采用Matlab/Simulink软件对图1的拓扑结构进行仿真分析。逆变离网工况下的主要参数如下：三相主桥臂采用载波层叠调制，载波频率f=4.95 kHz、直流侧电压Udc=600 V、交流侧滤波电感为5 mH、滤波电容为470 μF，中线电感为5 mH。不同工况下的中点电位波形及谐波如图4所示。

工况1：三相负载相等，均为R=30 Ω。如图4（a）所示，中点电位波动仅含3倍频分量。

图4　平衡及不平衡负载工况下中点电位波形及谐波Fig.4 Neutral voltage waveform and THD in balanced and unbalanced load

工况2：三相负载不等，Ra=20 Ω，Rb=40 Ω，Rc= 60 Ω。如图4（b）所示，中点电位波动仅含基频分量和3倍频分量。表明上述中点电位分析的正确性。

采用RT-LAB+主电路组成一个半实物仿真实验平台。控制模型在上位机RT-LAB中搭建，通过编译下载至目标机，产生PWM脉冲信号对三相四桥臂TNPC逆变器进行控制。受限于实验条件，未在仿真工况下进行实验。主电路设计参数如表2所示。

表2　TNPC主电路参数Tab.2 Main circuit parameters of TNPC

平衡负载下中点电位偏移抑制如图5所示。实验中通道1、2为直流侧电容电压Uc1、Uc2，通道3为中点偏移电压ΔUO。从图5中可以看出，中点电位波动为3倍频分量。在双闭环控制电压环中加入PI调节器时，中点电位波动明显减小，但仍含有3倍频分量；改为PIR比例积分谐振控制后，3倍频分量几乎为0，同时直流侧2个电容电压基本相等，表明第4桥臂控制中点电位效果明显。

图5　平衡负载下中点电位偏移抑制Fig.5 Neutral voltage shift suppressing in balanced load

5　结语

本文从理论推导，分析了TNPC三电平逆变器中点电位偏移产生的机理与成分，对中点偏移电压谐波次数进行了总结。针对中点电位平衡问题提出了一种三相四桥臂拓扑结构，设计了一种电压电流双环控制策略。对特定次谐波外环采用PIR控制器进行中点电位跟踪，再通过第4桥臂补偿电流差值控制中点电位平衡，仿真和实验验证了该控制策略对控制中点电位平衡的有效性。

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A Novel Strategy of Neutral Point Potential Balancing for T-NPC Three-level Three-phase Four-leg Inverters

LIU Jingdou1，2，ZHANG Jichuan1，2，LI Huinan1，2
（1. National Active Distribution Network Technology Research Center，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

T-type neutral point clamped（TNPC）grid-connected inverter has been widely used for its low loss and high efficiency，but the neutral-point potential balancing is one of the key issues. In view of neutral-point potential deviating，this paper adopts the DC side shunt half-bridge-module and the midline concatenated inductance，which constitute the structure of fourth leg. This paper analyzed the mathematical model of the fourth leg and harmonic contents of the neutral-point potential under balanced and unbalanced load. Considering of the harmonic times of neutral-point potential，double loop control based on PIR（proportional integral resonant）controller was introduced. This algorithm can realize independent control of fourth leg and TNPC. Simulation and experimental results verify the validity of the neutral-point potential balancing in DC side.

T-type neutral point clamped（TNPC）；four-leg；neutral point voltage shift；proportional integral resonant （PIR）controller

刘京斗

2015-08-14

国家能源应用技术研究及工程示范项目（NY2015 0303）

刘京斗（1975-），男，工程师，研究方向：电力电子及新能源发电，E-mail：jdliu@bjtu.edu.cn。

张冀川（1990-），男，通信作者，硕士研究生，研究方向：电力电子及新能源发电，E-mail：13121501@bjtu.edu.cn。

李会南（1988-），男，硕士研究生，研究方向：电力电子及新能源发电，E-mail：13121501@bjtu.edu.cn。