三电平NPC逆变器中点电位平衡的研究

常娜娜

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引 言

电力电子领域中，三电平技术可输出高质量、低谐波的电能，但是三电平逆变技术所需的开关管较多[1]。此外，直流侧母线串联的电容无法准确平衡两侧电压，影响了逆变器输出的波形。因此，研究三电平逆变技术的直流侧电容的中点电位平衡问题意义重大[2]。

中点电位平衡的研究中，文献[3]提出了控制中点电位平衡因子，以平衡中点电位的方法。文献[4]中的方法增加了两个控制开关器件，达到了控制中点电位平衡的目的。文献[5]在SVPWM调制方法的基础上，采用中矢量不参与调制的方法，实现了中点电位平衡。文献[6]采用判断中点电流方向和中点电位误差改变小矢量的作用时间，以平衡直流侧中点电位。

1 NPC型逆变器中点平衡问题

NPC型逆变器的拓扑结构，如图1所示。对于NPC型逆变器，每一桥臂由4个开关管、4个续流二极管和2个箝位二极管组成。例如，a桥臂中，VT1和VT3互补，VT2和VT4互补，则逆变器开关函数可表达为：

其余两桥臂与a桥臂相似。

NPC型逆变器有三个桥臂，每一个桥臂有三种工作状态，共有27个工作状态。在空间矢量中表示27个矢量，去掉冗余矢量，剩下19个矢量。其中，零矢量3个，小矢量12个，中矢量6个，大矢量6个，如图2所示。

图1 NPC型逆变器拓扑结构

图2 三电平NPC逆变器空间矢量图

空间矢量中，大矢量对应的开关状态和零矢量对应的开关状态对中点电流无影响；小矢量的两种冗余开关状态对中点电流的影响相反，且是可控的量；中矢量对应的开关状态会对中点电流产生影响，且是不可控的量。通常，通过调整小矢量冗余开关状态的作用时间来控制中点电位的偏差和波动。

2 中点电位平衡的研究

udc为中点电位误差，取值为上、下两电容的电压差值；in为中性点电流；ij为负载电流；C为直流侧电容。udc和in决定了冗余小矢量作用时间，可表示为：

以第Ⅰ扇区为例说明小矢量的分配原则，见图3。

图3 第一扇区矢量图

其中，Uref为 V1、V2、V3所合成的电压；T1、T2、T3分别为V1、V2、V3对应的作用时间，其中V3包含POO和ONN两个小矢量。假设一个平衡因子K取值在0～1，在一个开关周期中以V3中的矢量为例，ONN和POO的作用时间分别为KT1和(1-K)T1。

通过式（2）和式（3）可得，当选择矢量ONN时，流出中性点的电流为：

计算过程与求取基波电流值ia0、ib0及ic0相似。所以，平衡因子的取值依据为：

（1）当中点电位为零时，平衡因子K=0.5，小矢量ONN和POO的作用时间相同；

（2）当ia0Udc＞0时，平衡因子K＜0.5，ONN的作用时间减小，POO的作用时间增大；

（3）当ia0Ude＜0时，平衡因子K＞0.5，ONN的作用时间增大，POO的作用时间减小。

控制时，需判断流进中点的电流方向和中点电位的误差，进而得到K的取值大小，并确定相应矢量的作用时间，最终达到直流侧两电容中点电位平衡的目的。

3 仿真验证

通过MATLAB/simulink仿真模块对系统进行仿真，结果如图4、图5和图6所示。可见，系统在0.02 s后，上下母线电压趋于平衡，并达到中点电压平衡。

4 结 论

本文分析了NPC型逆变器拓扑结构，研究了三电平NPC逆变器中点电位平衡问题。此外，通过MATLAB软件搭建模型，并进行了仿真验证。

图4 加入中点平衡后上下母线电压

图5 逆变器输出线电压波形

图6 中点电压后相电压与相电流