I型NPC式三电平变流器中点电位平衡控制的研究与实现

綦 慧 卢昭禹

（北京工业大学控制科学与工程，北京 100124）

I型NPC式三电平变流器中点电位平衡控制的研究与实现

綦 慧 卢昭禹

（北京工业大学控制科学与工程，北京 100124）

随着清洁能源技术应用领域的不断扩大,对高压输/配电技术提出了更高要求。为此，I型二极管钳位式（NPC）三电平变流器以输出功率大、器件电压应力低等特点逐渐进入了实用阶段。本文中三电平变流器系统采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM），变流器电流控制采用旋转坐标系下（dq）固定频率的直接电流控制策略，并针对变流器中的中点电位平衡控制方法进行了详细分析与设计。这种方法不仅不需要额外的硬件电路，而且大量的系统理论仿真实验和样机实验结果充分验证了该方法的可行性与优越性。

三电平变流器；电压空间矢量调制；直接电流控制；中点电位平衡

清洁能源代替化石能源已成为能源发展的必然趋势。随着清洁能源开发技术的不断突破，要保障大型清洁能源基地的集约开发和电力的可靠送出，适应大规模清洁能源安全并网，需要加快发展高压输变电[1]。三相三电平变流技术作为一种新兴变流器技术，因其具有开关器件电压应力低、对电网谐波污染小等优势，已经在电力、能源特别是中高电压输变电领域获得越来越多的关注[2]。I型二极管钳位式三电平拓扑具有输出谐波小、控制效率高的特点[3]，在三电平变流器领域中被广泛应用。但是，当变流器运行电流流过直流侧电容中点时，中点电位不平衡成为三电平变流器不可避免的问题。中点不平衡将会造成交流侧电流畸变，严重时可能导致设备损坏，威胁到电网安全。

针对中点不平衡问题，文献[4]提出了一种基于FPGA的混合控制策略，通过对冗余矢量的选择来获得优化的开关序列，实现对中点电位控制；文献[5]分析了死区时间对中点电位的影响，由于死区的存在，不同电平对中点电容的充放电时间存在差异，从而导致中点电平失衡，采用直接控制死区时间的方法控制对中点冲放电的时间，最终达到中点控制的目的；文献[6-7]提出了通过分析三相电流来处理中点不平衡的情况，最终都是通过调节小矢量作用时间的方法来控制中点电位。以上方法都有效抑制了中点电位的波动区间，但都没有注意到中点电位在零附近整体振动的问题。

本文针对中点电压控制整体偏移、振荡的缺陷，基于SVPWM调制技术与直接电流控制策略的三电平变流器，分析了变流器中点电位波动以及整体偏移的根本原因，提出了一种新的三电平中点电位平衡控制方法。该方法基于三电平变流器直流侧中点电压反馈构成闭环控制，以控制电压空间基础小矢量的选择和作用时间达到控制中点电位的目的。理论仿真和样机实验结果表明，该方法可以有效抑制中点电位的波动及在零点处整体的偏移振动。

1 三电平变流器中点电位分析

1.1 I型二极管钳位式三电平变流器

I型NPC式三电平变流器的主电路如图1所示。

图1 I型NPC式三电平变流器的主电路

图1中三电平变流器交流侧接三相进线电感，功率开关部分为 I型三电平二极管钳位式变流桥，直流侧两个电容Cd1和Cd2串接，三个极点分别为正（P）、零（O′）、负（N），Cd1、Cd2充电电流分别为 ic1、ic2，电压为 Udc1、Udc2；中点电流iO′，直流电流idc；交流侧电流ia、ib、ic，三相电流对称，直流、交流电流正方向如图 1所示。对直流侧零点O′应用Kirchof电流定律，得到

其中

由文献[8]知有如下电流关系

其中

定义中点电位平衡方程如下：

当变流器运行时不满足式（7）的都称为中点不平衡。不平衡的现象分为两种：①中点电位波动。当Cd1和Cd2充放电量的大小和动作时间不会完全一致时，Udc1、Udc2的变化步调也会不同，中点必定会存在一定的波动；②整个中点电压相对零点偏移时，即如果Cd1、Cd2的充放电电流存在固定的差异，相应的 Udc1、Udc2的差距就会越来越大，形成中点电压的零点偏移。中点电位波动会直接影响交流侧电流的正弦度，降低变流器功率因数；中点偏移使得功率电路交流进线侧相电压产生畸变，最极端的情况可能导致三电平变成两电平，使整个直流电压都积压在其中一个电容上。此时如果功率电路设计阈值不够大，就会损坏电容和功率开关器件。

由式（2）、式（3）可知，影响直流侧两个电容分压的根本原因在于两个电容的充放电流。在一段时间内，如果将两个电容的充放电流一致，则中点电位保持在一个动态的平衡状态；充放电流存在偏差，也就是iO′不为零，中点电压不再平衡。如果这种电流偏差存在波动，中点电位就会在一个范围内波动；若同一电流偏差持续时间较长，则随着电容充放电量差异的扩大，中点电压会形成较大的偏移，这种电流差异的来源与器件开头状态Sij存在直接关系。变流器系统控制采用dq坐标下固定频率的直接电流控制策略[9]，原理图如图2所示。

图2 三电平变流器dq坐标下直接电流控制原理

图 2中，id*为有功电流、iq*为无功电流，是 dq坐标系下的直流时不变信号；dq坐标下直接电流控制的思想是把三相正弦交流电流变换为两相静止坐标下的直流信号进行独立控制，利用PI调节器可以实现电流的无静差控制，得到良好的系统稳态性能；PI输出后给PWM发生器生成12路的PWM控制信号，这些信号组成了新的开关状态Sij。中点电流的差异来源就是开关状态的不合理造成的，要解决这种差异来源，还需要深入分析PWM信号的发生机制。

1.2 三电平电压空间矢量脉宽调制

电压空间矢量调制（SVPWM）是PWM调制最实用、最直观的一种算法，具有电压利用率高、概念清晰等特点[10]。三电平变流器电压空间基础矢量图如图3所示。

图3 三电平变流器电压空间矢量图

三电平电压状态存在3个电平，其合成电压空间基础矢量状态共有 33=27个。由图可知，这些矢量根据模长可以分为4类，分别是零矢量、小矢量、中矢量、大矢量，不同的矢量对应一组Sij的开关组合，不同的组合会产生不同的中点电流iO`。由式（1）、式（2）可得如下关系，即

且三相变流器交流电流满足如下方程：

以图3中灰色区域为例，结合式（8）、式（9）进行推导，得到基础矢量与中点电流关系，见表1。

由表1可知，零矢量和大矢量对中点电流没有影响，小矢量每个位置都有一对作用相反的中点电流存在，中矢量产生一个固定的中点电流。根据SVPWM合成参考电压矢量原则：取最近的3个基础空间矢量合成，图3中的阴影部分可以分为4个小区域，每个小区域都会有小矢量的作用，R1、R2有两对小矢量，R3、R4有一对小矢量作用。定义中点电压为

表1 电压空间矢量-开关组合Sij-中点电流

表1 电压空间矢量-开关组合Sij-中点电流

矢量类别 矢量 开关组合 中点电流iO'0 0 0 SaOSbO'ScO' 0 1 1 1 SaPSbPScP0零矢量-1 -1 -1 SaNSbNScN0 1 1 0 SaPSbPScO' -ic0 0 -1 SaO'SbO'ScN+ic0 -1 -1 SaO'SbNScN-ia小矢量1 0 0 SaPSbO'ScO' +ia中矢量 1 0 -1 SaPSbO'ScN-ib1 -1 -1 SaPSbNScN0大矢量1 1 -1 SaPSbPScN0

ΔUdc围绕着一个电位的振荡就是中点电压波动，ΔUdc波动中点不在零电压称为中点电位的偏移。当ΔUdc＞0时，上电容电压大于下电容电压，需要减小上电容的充电电流，也就是iO′＜0；相反ΔUdc＜0时，增加下电容的充电电流，即iO′＞0。小矢量可以满足上述控制要求，只要对每个区域中基础小矢量的选择及其作用时间进行控制，就可以对中点电流进行控制。

2 中点电位平衡控制方法

中点电位平衡控制的目的是，抑制三电平变流器中点电位的波动和偏移。抑制中点电位的波动通过小矢量的选择来实现，以图3中R3区域为例，根据表1可以得到如下小矢量选择思路，如图4所示。

图4 小矢量选择策略

电容电压充放电过程有一定时间的滞后。在此为了更快实现中点偏移的矫正，在不影响系统控制性能的前提下，本文采用一种增加小矢量的作用时间作用时间的方法来更快的实现中点电位平衡控制。

这种方法以三电平直流侧两个分压电容的电压差作为反馈，采用PI控制器，中点电压给定为0，控制环输出直接叠加到SVPWM调试调制的小矢量作用时间 TL上，中点控制环的量级小于直接电流环，以免造成电流环的波动。其控制框图如图5所示。

图5 小矢量作用时间控制环

在 Matalab/Simulink环境下进行了控制系统仿真，仿真模型运行在整流模式，得到系统中点电位波形图，如图6所示。

图6 无中点电位平衡控制的中点电压仿真波形图

图7 采用控制小矢量选择和作用时间的中点电压

对比图 6、图 7可知，变流器系统没有中点电位平衡控制时中点电压存在 8V的波动，且有较大的电位偏移。在加入中点电位平衡控制算法后，中点电位得到的明显的改善，电压波动范围缩小到3.5V，大部分的中点电位偏移得到了控制，但中点电位波动中心存在一定的振荡。

这种中点波动中心的振荡来源于中矢量的作用。由表1可知，中矢量作用时也存在中点电流，但是中点电流方向是不定的，也没有相应的反作用来抵消，中矢量中点电流在与小矢量中点电流叠加的过程中，如果中矢量与小矢量电流作用方向相同，就会出现调节作用过强的情况，使得中点电压存在低频纹波，中点电压波动整体振荡。为了减小中点电位波动的低频纹波，本文提出了一种改进的控制器，优化了小矢量作用时间控制环。

这种方法的基本思路是，在中点电位在一个极小的区间内时，切断中点电位控制作用，从而抑制出现调节作用过强的情况。方法是在变流器系统中点控制PI调节器中加入迟滞因子K，K的取值为

式中，h为迟滞带宽。改进后的中点电位平衡控制框图如图8所示。

图8 改进的小矢量作用时间控制环

图9 采用带迟滞因子小矢量作用时间控制的中点电压仿真波形图

3 实验分析

为了验证中点电位平衡算法的可行性，在实验室环境下制作了一台2kW的I型NPC式三电平变流器的实验样机。变流器采用TMS320F2812作为主控制芯片，EPM3256（CPLD）作为逻辑协处理器，功率开关采用Infineon的F3L50R06三电平NPC式变流桥模块。实验中变流器运行在整流模式，系统设置的主要参数见表2。

变流器系统检测采集了直流侧电压Udc、上电容Cd1电压Udc1，中点电压需要经过运算才能得到，计算及显示在调试DSP的上位机软件Code ComposerStudio（CCS）中完成。图10所示为CCS中观测的中点电位波形图。

表2 变流器整流模式实验参数

图10 CCS观测的中点电位波形

图 10（a）为变流器整流状态下没有中点电位平衡控制的中点电位，中点电压波动峰峰值为10V，电位偏移达到了 10V；在图 10（b）中加入中点电位平衡控制后的中点电压偏移得到了有效的抑制，电压波动幅度为6V，但可以看到中点电位整体存在一个低频振动；图 10（c）采用改进后的中点电压波形，显示这种低频振动明显减少，三电平变流器中点电位平衡。为了进一步验证中点电位平衡控制对整个变流器系统的影响，通过示波器直接观测了系统电网侧电压电流以及变流桥交流侧线电压波形，如图11所示。

图11 示波器观测实验波形

图 11（a）、图 11（b）所示分别为加入中点电位平衡控制前后的交流侧 A相电压电流波形图，CH1通道为电网交流A相工频电压波形ea，CH2为变流器系统交流侧A相电流波形ia。从两个图的对比可以看出，中点电位平衡控制前后系统电流波形基本没有变化，说明中点电位平衡控制并没有影响系统电流环的作用，电流正弦度较高，功率因数较高。

图 11（c）、图 11（d）所示为加入中点电位平衡控制前后变流桥交流侧线电压 Uab的波形，都是完整的五电平波形；放大波形，将S1（S3）、S2（S4）区域中相同位置波形对比可以看出，加入中点电位平衡后的线电压波形波头更加平整，且各个电平的偏移得到了改善。

4 结论

本文提出了一种带迟滞因子的三电平变流器中点电位平衡控制方法，有效抑制了中点电压的偏移和低频振动。分析了I型NPC式三电平变流器系统结构及电流环控制策略，导出中点不平衡的根本原因，随后进一步探索了三电平SVPWM调制方法各矢量对中点电流的作用。根据矢量作用特点选用小矢量作为中点电位平衡的控制对象，包括小矢量的择优方法及作用时间调节，并进一步优化了小矢量作用时间控制环。仿真和样机实验结果表明，采用这种方法效果显著，系统中点电位得到了良好的控制，并且保持了变流器电流控制环的作用效果，没有对系统造成干扰。

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电池管理系统供电电路

近日，国家知识产权局公布专利“电池管理系统供电电路”，专利权人为宁德时代新能源科技股份有限公司。

本实用新型公开了一种电池管理系统供电电路，其包括电池管理系统、继电器、控制电源和供电电源，控制电源能够通过继电器控制供电电源与电池管理系统连通。

与现有技术相比，本实用新型结构简单、无需附加专用的开关便可以自动控制和切换状态，对动力锂离子蓄电池的电池管理系统进行供电，保证电池管理系统在电动汽车处于行驶运行和充电两种状态时正常工作，具有较低的制造成本和较长的使用寿命。

Research and Implementation of the Neutral PointVoltage Balance for I-type NPC Three-Level Converter

Qi Hui Lu Zhaoyu
(Beijing University of Technology,Beijing 100124)

With the development of clean energy,more requirements for high voltage electricity transmission and distribution are proposed.The I-type diode neutral point clamped (NPC) three-level converter is practical used for its high capacity and low device voltage stress.In this paper,three-level space vector pulse width modulation (SVPWM) and the direct current control at fixed frequency based on the rotational coordinates (dq) are adapted in the converter.The neutral point voltage (NPV) imbalance is specifically analyzed to design a control method.This method does not need any additional hardware circuit.Results of simulation and experiments have demonstrated the feasibility and superiority of the proposed approach.

three-level converter; space vector; direct current control; neutral point voltage balance

綦 慧（1971-），女，博士，副教授，主要从事电力电子与电气传动、新能源相关的研究工作。