三电平逆变器中点电位平衡的综合控制策略
曹国锋 王然风 孟润泉
摘 要： 三电平逆变电路普遍存在中点电位不平衡的问题，中点电位的不平衡主要体现在两个方面：中点电位偏移和中点电位波动。基于传统的SVPWM算法，通过分析造成中点电位不平衡的原因，提出了前馈控制+反馈控制的综合控制策略。该方法通过采集两个电容电压和三相负载电流的实时值，通过切换函数的不同值来选择不同的控制策略，从而实现对中点电位平衡的综合控制。仿真实验证明了此综合控制策略控制精度高，并且不会出现中点电位偏移的问题，很好地控制了中点电位的平衡，弥补了在只有反馈控制策略下电压波动幅值较大的缺点，达到了很好的效果。
关键词： 三电平逆变器； 中点电位； 平衡控制； SVPWM算法
中图分类号： TN710?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0165?05
Abstract： Neutral point potential imbalance commonly exists in the three?level inversion circuit. The neutral point potential imbalance is mainly reflected in two aspects： neutral point potential offset and neutral point potential fluctuation. According to the analysis of the cause of the neutral point potential imbalance， an integrated control strategy containing feed?forward control and feed?back control is put forward on the basis of traditional SVPWM algorithm. By collecting the real?time values of two capacitance voltages and three?phase load currents， different control strategies are selected by switching different values of the function， so as to realize the integrated control of the neutral point potential balance. The simulation experiment results show that the control precision of the integrated control strategy is high， the offset of neutral point potential will not occur， and this strategy can control neutral point potential effectively and avoid big voltage fluctuation amplitudes that appear in the strategy with only feed?back control.
Keywords： three?level inverter； neutral point potential； balance control； SVPWM algorithm
0 引 言
在三电平逆变电路中，每个主开关器件在关断时承受的电压仅仅等于直流侧电压的一半，这使得它广泛地应用于高压大容量的场合，并且由于三电平逆变电路增加了输出的电平数，使输出的电压波形更接近正弦波，因此输出电压的谐波含量减少了很多，同时也降低了输出电压的跳变。但是三电平逆变电路也存在一些问题，例如：控制算法的复杂性增加以及普遍存在的中点电位不平衡等问题。中点电位的不平衡会使电路中IGBT的耐压裕度大大降低，同时还会使输出电压波形畸变等，所以研究控制三电平逆变电路的中点电位平衡尤为重要。
控制中点电位平衡的方案可以分为硬件方案和软件方案。基于硬件方案通常需要增加额外的电源，增大电容等，这通常会增大逆变器的体积、增加硬件成本，所以常采用软件方案；软件方案主要在于改变控制策略。国内外学者对中点电位不平衡的问题进行了很多研究。文献[1?3]提出了滞环控制策略，当中点电位超出所设置的滞环区间时，通过切换短矢量组合来达到平衡中点电位的目的，该控制方法控制简单，但是存在控制盲区。文献[4?5]提出了精确控制策略，能很好地解决中点电位偏移的问题，但是电压波动幅值仍需改善。文献[6?7]提出了模糊控制策略，实际效果较好，但是控制算法较复杂。文献[8?9]提出了虚拟空间矢量控制策略，该控制在每个采样周期内的开关损耗较大，开关频率较高。
为了弥补上述中反馈控制的不足，基于中点电位平衡控制理论基础，提出了前馈控制+反馈控制的综合控制策略。此综合控制策略通过切换函数的不同值来切换选择不同的控制策略，进而实现对中点电位的平衡控制。此综合控制可以有效地消除前馈控制策略中由于存在控制盲区而造成的中点电位偏移，同时也改善了在反馈控制策略中，存在中点电位控制精度低、波动幅值大的问题，具有很重要的工程意义。
1 中点电位不平衡的理论分析
图1为三电平逆变电路图，采用的是SVPWM控制法，其开关状态可用图2所示的空间矢量图表示。在空间矢量图中以PNN为起始沿逆时针将其等分成6个扇区，如图3所示将每个扇区划分为6个小三角形。
本文以第一扇区为例说明，如图3所示。基于传统的SVPWM算法，当参考矢量位于第一扇区的第5个小三角形中时，合成参考电压矢量时需要选[VS1]，[VL1]，[VM]三个基本矢量。
在实现三电平SVPWM算法中，如表1所示，不同的基本矢量和开关状态对中点电流会造成不同的影响，同时也必然会引起中点电位变化。
2 中点电位平衡控制策略
2.1 前馈控制策略
事实上，造成中点电位不平衡最重要的原因是在一个控制周期内流入和流出中点的总电荷量不守恒。所以基于上述理论，若要实现中点电位平衡，就要保证每个控制周期内流入和流出中点的总电荷量等于零。
以第一扇区为例，假设当参考矢量在第一扇区的第5个小三角形中时，其开关序列、中点电流、中点电流的作用时间对应图如图4所示。
所以在一个控制周期内流入中点的总电荷量为：
[ΔQ=ia×T1×2k-1+ib×T3] （1）
式中：[ia]，[ic]分别为三相负载电流；k为起始矢量的占空比。
为了控制中点电位平衡，需使[ΔQ=0]来求取分配因子k。k的取值范围为[0，1]，当k≥1时，取k=1；当k≤0时，取k=0。
所以在中点电位的平衡控制中，冗余小矢量对的时间分配因子k不仅受平衡条件制约，还受约束条件[0，1]制约。如果用平衡条件所求的分配因子在约束条件[0，1]内，则冗余小矢量对的作用时间通过此分配因子的调整，可以保证一个控制周期内的中点电位平衡。如果用平衡条件所求的分配因子不在约束条件[0，1]内，则冗余小矢量对的作用时间通过此分配因子的调整，不能保证一个控制周期的中点电位平衡。此时只能取上述约束条件的上下限，保证尽量少的电荷量流入到中点。这时中点电位的平衡控制就会存在误差，并且多个周期的误差进行积累后，会造成中点电位偏移。
综述所述，前馈控制精度较高，但一段时间后中点电位会出现偏移。并且在以后的控制周期中，前馈控制策略不具有将中点电位拉回到平衡点的能力。
2.2 反馈控制策略
反馈控制策略是通过实时采样电容电压和三相负载电流，来对冗余小矢量对的时间进行实时分配调整，使中点电位在每个控制周期[TS]内都尽可能地向平衡点靠拢，从而对中点电位进行平衡控制。
如果一个控制周期内，测得两个电容电压分别为[UC1]，[UC2]，则直流侧电容电压偏差值为：
为了抵消造成电容不平衡的电荷，需在下个控制周期[TS ]内，控制流入到直流侧中点电荷量为：
其余扇区和小三角形通过同样的方法来求取分配因子。
在反馈控制策略中，每个控制周期都对电容电压和负载电流进行实时采样，然后通过计算对冗余小矢量对的作用时间进行实时分配，以达到中点电位平衡的目的。实际情况由于电流和电压的不同相，以及采样延迟等因素，使得反馈控制策略能够有效地消除中点电位的偏移问题，但中点电位控制精度低、波动大，在实际应用中其控制优势得不到很好的发挥。
2.3 前馈控制+反馈控制的综合控制策略
根据上述分析可知，前馈控制策略的控制精度高，但是存在中点电位偏移的问题，而反馈控制策略的中点电位波动幅值较大，但该控制能够消除中点电位偏移的问题。本文在此基础上，通过对两种控制策略的优化，提出了一种前馈控制+反馈控制的综合控制策略，如图5所示。
构造函数[FU=UC1-UC2-Us]，[ Us]为前馈控制策略的波动幅值，切换函数为：
[FU=1， fU≥0-1， fU<0] （6）
通过切换函数的不同值来选择不同的控制策略，当切换函数[FU=-1]时，选择前馈控制策略用以保证控制精度。当切换函数[FU=1]时，切换选择反馈控制策略用以消除中点电位的偏移。图6为两种控制策略的切换图。
3 仿真分析
为了验证此综合控制策略的有效性，用Simulink仿真软件搭建仿真模型，并进行模拟试验。仿真参数如下：系统直流侧电压为720 V，电容[C1=C2=400 μF]，三相对称负载电阻值为30 Ω，电感值为66 mH，系统输出频率[f=50 Hz]，载波频率[fs=16 kHz]，仿真结果如图7所示。
图7给出了前馈控制中点电位波形图，中点电位波动幅值为1.7 V，前馈控制的控制精度较高，但是在一段时间后中点电位会出现偏移。通过曲线拟合可以看出，在0.2 s时中点电位偏移幅值达4.5 V；图8给出了反馈控制中点电位波形图，中点电位波动幅值达到2.8 V，但是没有出现中点电位偏移的问题。
图9给出了前馈控制+反馈控制的综合控制策略的中点电位波形图，该控制策略弥补了反馈控制策略下电压波动幅值较大的缺点，中点电位波动幅值控制在1.5 V，比精确控制电压波动幅值减小了46%，并且不会出现中点电位偏移的现象。
图10～图12分别给出了三种控制策略下输出线电压总谐波失真。前馈控制策略下输出线电压总谐波失真达到了40.45%，反馈控制策略下输出线电压总谐波失真为40.06%，而前馈+反馈的综合控制策略下输出线电压总谐波失真仅为40.01%。
4 结 语
三電平逆变电路中，中点电位不平衡会使电路中IGBT的耐压裕度大大降低，影响逆变电路的性能，同时还会使输出电压波形畸变等，所以研究控制三电平逆变电路中点电位平衡尤为重要。本文通过对控制策略的优化，提出了前馈+反馈的综合控制策略，能够更好地抑制中点电位不平衡，并通过仿真实验验证该控制策略是有效的。
参考文献
[1] 姚文熙，吕征宇，费万民，等.一种新的三电平中点电位滞环控制法[J].中国电机工程学报，2005，25（7）：92?96.
[2] 桂红云，姚文熙，吕征宇.三电平变换器中点电压平衡问题的研究[J].电源技术应用，2014，7（9）：526?529.
[3] 聂振宇，郭小斌.NPC三电平逆变器电压平衡研究[J].电工电能新技术，2013，32（1）：43?46.
[4] 袁晓玲，周磊，刘永健.三电平矢量分解SVPWM算法及中点电压平衡[J].电力电子技术，2015，49（6）：33?35.
[5] 宋文祥，陈国呈，武慧，等.一种具有中点电位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.
[6] 陈鑫兵，何礼高.基于模糊控制的三电平逆变器中点电位平衡策略[J].电工技术学报，2007，22（10）：103?108.
[7] 方宇，赵齐齐，谢勇，等.二极管箝位型三电平PWM整流器中点电位平衡模糊控制研究[J].电测与仪表，2013，50（12）：73?78.
[8] 胡存刚，王群京，严辉，等.三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究术[J].电子测量与仪器学报，2009，23（6）：74?80.
[9] 范波，赵伟刚，刘刚，等.基于优化虚拟矢量的电平逆变器中点电位平衡闭环控制[J].电工技术学报，2015，30（4）：179?185.
[10] 杨新华，赵得刚，谢兴峰.一种优化三电平逆变器的SVPWM算法的研究[J].现代电子技术，2014，37（16）：156?159.
[11] CELANOVIC N， BOROYEVICH D.A comprehensive study of neutral?point voltage balancing problem in three?level neutral?point?clamped voltage source PWM inverters [J]. IEEE transactions on power electronics， 2000， 15（2） ： 242 ? 249.
摘 要： 三电平逆变电路普遍存在中点电位不平衡的问题，中点电位的不平衡主要体现在两个方面：中点电位偏移和中点电位波动。基于传统的SVPWM算法，通过分析造成中点电位不平衡的原因，提出了前馈控制+反馈控制的综合控制策略。该方法通过采集两个电容电压和三相负载电流的实时值，通过切换函数的不同值来选择不同的控制策略，从而实现对中点电位平衡的综合控制。仿真实验证明了此综合控制策略控制精度高，并且不会出现中点电位偏移的问题，很好地控制了中点电位的平衡，弥补了在只有反馈控制策略下电压波动幅值较大的缺点，达到了很好的效果。
关键词： 三电平逆变器； 中点电位； 平衡控制； SVPWM算法
中图分类号： TN710?34； TM464 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0165?05
Abstract： Neutral point potential imbalance commonly exists in the three?level inversion circuit. The neutral point potential imbalance is mainly reflected in two aspects： neutral point potential offset and neutral point potential fluctuation. According to the analysis of the cause of the neutral point potential imbalance， an integrated control strategy containing feed?forward control and feed?back control is put forward on the basis of traditional SVPWM algorithm. By collecting the real?time values of two capacitance voltages and three?phase load currents， different control strategies are selected by switching different values of the function， so as to realize the integrated control of the neutral point potential balance. The simulation experiment results show that the control precision of the integrated control strategy is high， the offset of neutral point potential will not occur， and this strategy can control neutral point potential effectively and avoid big voltage fluctuation amplitudes that appear in the strategy with only feed?back control.
Keywords： three?level inverter； neutral point potential； balance control； SVPWM algorithm
0 引 言
在三电平逆变电路中，每个主开关器件在关断时承受的电压仅仅等于直流侧电压的一半，这使得它广泛地应用于高压大容量的场合，并且由于三电平逆变电路增加了输出的电平数，使输出的电压波形更接近正弦波，因此输出电压的谐波含量减少了很多，同时也降低了输出电压的跳变。但是三电平逆变电路也存在一些问题，例如：控制算法的复杂性增加以及普遍存在的中点电位不平衡等问题。中点电位的不平衡会使电路中IGBT的耐压裕度大大降低，同时还会使输出电压波形畸变等，所以研究控制三电平逆变电路的中点电位平衡尤为重要。
控制中点电位平衡的方案可以分为硬件方案和软件方案。基于硬件方案通常需要增加额外的电源，增大电容等，这通常会增大逆变器的体积、增加硬件成本，所以常采用软件方案；软件方案主要在于改变控制策略。国内外学者对中点电位不平衡的问题进行了很多研究。文献[1?3]提出了滞环控制策略，当中点电位超出所设置的滞环区间时，通过切换短矢量组合来达到平衡中点电位的目的，该控制方法控制简单，但是存在控制盲区。文献[4?5]提出了精确控制策略，能很好地解决中点电位偏移的问题，但是电压波动幅值仍需改善。文献[6?7]提出了模糊控制策略，实际效果较好，但是控制算法较复杂。文献[8?9]提出了虚拟空间矢量控制策略，该控制在每个采样周期内的开关损耗较大，开关频率较高。
为了弥补上述中反馈控制的不足，基于中点电位平衡控制理论基础，提出了前馈控制+反馈控制的综合控制策略。此综合控制策略通过切换函数的不同值来切换选择不同的控制策略，进而实现对中点电位的平衡控制。此综合控制可以有效地消除前馈控制策略中由于存在控制盲区而造成的中点电位偏移，同时也改善了在反馈控制策略中，存在中点电位控制精度低、波动幅值大的问题，具有很重要的工程意义。
1 中点电位不平衡的理论分析
图1为三电平逆变电路图，采用的是SVPWM控制法，其开关状态可用图2所示的空间矢量图表示。在空间矢量图中以PNN为起始沿逆时针将其等分成6个扇区，如图3所示将每个扇区划分为6个小三角形。
本文以第一扇区为例说明，如图3所示。基于传统的SVPWM算法，当参考矢量位于第一扇区的第5个小三角形中时，合成参考电压矢量时需要选[VS1]，[VL1]，[VM]三个基本矢量。
在实现三电平SVPWM算法中，如表1所示，不同的基本矢量和开关状态对中点电流会造成不同的影响，同时也必然会引起中点电位变化。
2 中点电位平衡控制策略
2.1 前馈控制策略
事实上，造成中点电位不平衡最重要的原因是在一个控制周期内流入和流出中点的总电荷量不守恒。所以基于上述理论，若要实现中点电位平衡，就要保证每个控制周期内流入和流出中点的总电荷量等于零。
以第一扇区为例，假设当参考矢量在第一扇区的第5个小三角形中时，其开关序列、中点电流、中点电流的作用时间对应图如图4所示。
所以在一个控制周期内流入中点的总电荷量为：
[ΔQ=ia×T1×2k-1+ib×T3] （1）
式中：[ia]，[ic]分别为三相负载电流；k为起始矢量的占空比。
为了控制中点电位平衡，需使[ΔQ=0]来求取分配因子k。k的取值范围为[0，1]，当k≥1时，取k=1；当k≤0时，取k=0。
所以在中点电位的平衡控制中，冗余小矢量对的时间分配因子k不仅受平衡条件制约，还受约束条件[0，1]制约。如果用平衡条件所求的分配因子在约束条件[0，1]内，则冗余小矢量对的作用时间通过此分配因子的调整，可以保证一个控制周期内的中点电位平衡。如果用平衡条件所求的分配因子不在约束条件[0，1]内，则冗余小矢量对的作用时间通过此分配因子的调整，不能保证一个控制周期的中点电位平衡。此时只能取上述约束条件的上下限，保证尽量少的电荷量流入到中点。这时中点电位的平衡控制就会存在误差，并且多个周期的误差进行积累后，会造成中点电位偏移。
综述所述，前馈控制精度较高，但一段时间后中点电位会出现偏移。并且在以后的控制周期中，前馈控制策略不具有将中点电位拉回到平衡点的能力。
2.2 反馈控制策略
反馈控制策略是通过实时采样电容电压和三相负载电流，来对冗余小矢量对的时间进行实时分配调整，使中点电位在每个控制周期[TS]内都尽可能地向平衡点靠拢，从而对中点电位进行平衡控制。
如果一个控制周期内，测得两个电容电压分别为[UC1]，[UC2]，则直流侧电容电压偏差值为：
为了抵消造成电容不平衡的电荷，需在下个控制周期[TS ]内，控制流入到直流侧中点电荷量为：
其余扇区和小三角形通过同样的方法来求取分配因子。
在反馈控制策略中，每个控制周期都对电容电压和负载电流进行实时采样，然后通过计算对冗余小矢量对的作用时间进行实时分配，以达到中点电位平衡的目的。实际情况由于电流和电压的不同相，以及采样延迟等因素，使得反馈控制策略能够有效地消除中点电位的偏移问题，但中点电位控制精度低、波动大，在实际应用中其控制优势得不到很好的发挥。
2.3 前馈控制+反馈控制的综合控制策略
根据上述分析可知，前馈控制策略的控制精度高，但是存在中点电位偏移的问题，而反馈控制策略的中点电位波动幅值较大，但该控制能够消除中点电位偏移的问题。本文在此基础上，通过对两种控制策略的优化，提出了一种前馈控制+反馈控制的综合控制策略，如图5所示。
构造函数[FU=UC1-UC2-Us]，[ Us]为前馈控制策略的波动幅值，切换函数为：
[FU=1， fU≥0-1， fU<0] （6）
通过切换函数的不同值来选择不同的控制策略，当切换函数[FU=-1]时，选择前馈控制策略用以保证控制精度。当切换函数[FU=1]时，切换选择反馈控制策略用以消除中点电位的偏移。图6为两种控制策略的切换图。
3 仿真分析
为了验证此综合控制策略的有效性，用Simulink仿真软件搭建仿真模型，并进行模拟试验。仿真参数如下：系统直流侧电压为720 V，电容[C1=C2=400 μF]，三相对称负载电阻值为30 Ω，电感值为66 mH，系统输出频率[f=50 Hz]，载波频率[fs=16 kHz]，仿真结果如图7所示。
图7给出了前馈控制中点电位波形图，中点电位波动幅值为1.7 V，前馈控制的控制精度较高，但是在一段时间后中点电位会出现偏移。通过曲线拟合可以看出，在0.2 s时中点电位偏移幅值达4.5 V；图8给出了反馈控制中点电位波形图，中点电位波动幅值达到2.8 V，但是没有出现中点电位偏移的问题。
图9给出了前馈控制+反馈控制的综合控制策略的中点电位波形图，该控制策略弥补了反馈控制策略下电压波动幅值较大的缺点，中点电位波动幅值控制在1.5 V，比精确控制电压波动幅值减小了46%，并且不会出现中点电位偏移的现象。
图10～图12分别给出了三种控制策略下输出线电压总谐波失真。前馈控制策略下输出线电压总谐波失真达到了40.45%，反馈控制策略下输出线电压总谐波失真为40.06%，而前馈+反馈的综合控制策略下输出线电压总谐波失真仅为40.01%。
4 结 语
三電平逆变电路中，中点电位不平衡会使电路中IGBT的耐压裕度大大降低，影响逆变电路的性能，同时还会使输出电压波形畸变等，所以研究控制三电平逆变电路中点电位平衡尤为重要。本文通过对控制策略的优化，提出了前馈+反馈的综合控制策略，能够更好地抑制中点电位不平衡，并通过仿真实验验证该控制策略是有效的。
参考文献
[1] 姚文熙，吕征宇，费万民，等.一种新的三电平中点电位滞环控制法[J].中国电机工程学报，2005，25（7）：92?96.
[2] 桂红云，姚文熙，吕征宇.三电平变换器中点电压平衡问题的研究[J].电源技术应用，2014，7（9）：526?529.
[3] 聂振宇，郭小斌.NPC三电平逆变器电压平衡研究[J].电工电能新技术，2013，32（1）：43?46.
[4] 袁晓玲，周磊，刘永健.三电平矢量分解SVPWM算法及中点电压平衡[J].电力电子技术，2015，49（6）：33?35.
[5] 宋文祥，陈国呈，武慧，等.一种具有中点电位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.
[6] 陈鑫兵，何礼高.基于模糊控制的三电平逆变器中点电位平衡策略[J].电工技术学报，2007，22（10）：103?108.
[7] 方宇，赵齐齐，谢勇，等.二极管箝位型三电平PWM整流器中点电位平衡模糊控制研究[J].电测与仪表，2013，50（12）：73?78.
[8] 胡存刚，王群京，严辉，等.三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究术[J].电子测量与仪器学报，2009，23（6）：74?80.
[9] 范波，赵伟刚，刘刚，等.基于优化虚拟矢量的电平逆变器中点电位平衡闭环控制[J].电工技术学报，2015，30（4）：179?185.
[10] 杨新华，赵得刚，谢兴峰.一种优化三电平逆变器的SVPWM算法的研究[J].现代电子技术，2014，37（16）：156?159.
[11] CELANOVIC N， BOROYEVICH D.A comprehensive study of neutral?point voltage balancing problem in three?level neutral?point?clamped voltage source PWM inverters [J]. IEEE transactions on power electronics， 2000， 15（2） ： 242 ? 249.
