三電平逆變器多模式中點(diǎn)電壓平衡策略

王凱凱，陳文博，萬(wàn)　衡（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，上海201418）

三電平逆變器多模式中點(diǎn)電壓平衡策略

王凱凱，陳文博*，萬(wàn)衡
（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，上海201418）

逆變器一直是電氣領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，三電平逆變器的廣泛應(yīng)用得到了研究人員的大量關(guān)注，其中三電平逆變器存在的中點(diǎn)電壓不平衡的問題限制了其使用，該問題也漸漸成為近期的研究熱點(diǎn)。所提出的一種三電平逆變器多模式中點(diǎn)電壓平衡策略和算法，較好地實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電壓平衡，通過仿真驗(yàn)證和實(shí)際工程應(yīng)用，驗(yàn)證了該算法的可行性和可靠行。

三電平逆變器；中點(diǎn)電壓平衡；混合式平衡；Bang-Bang控制

在大功率的場(chǎng)合，三電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比有諸多優(yōu)點(diǎn)［1～3］，但是三電平逆變器存在中點(diǎn)電壓不平衡的固有問題，許多文獻(xiàn)［6～9］提出了多種改進(jìn)方案，但仍然存在一系列缺陷，算法復(fù)雜是限制其工程應(yīng)用的一個(gè)重要原因。針對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)電壓不平衡的問題，本文提出了一種三電平逆變器多模式中點(diǎn)電壓平衡策略，使得控制周期內(nèi)計(jì)算量大大降低，并且可以很好的穩(wěn)定中點(diǎn)電壓。

1　三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡

三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡，是指在三電平逆變器中，由于直流分壓電容充放電不均衡造成的中點(diǎn)電壓不平衡的問題。圖1為三相三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。通過圖1的三相電平值可以得到圖2所示的三電平逆變器空間矢量圖。

由圖2根據(jù)矢量的長(zhǎng)度，將其分為以下5類：大矢量，中矢量，正小矢量，負(fù)小矢量和零矢量。圖3描述了不同的矢量對(duì)于中點(diǎn)電流的影響。在每一個(gè)電壓分量情形下，流入中點(diǎn)的電流各不相同。

圖1　三相三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2　三電平逆變器空間矢量圖

圖3　三電平逆變器空間矢量對(duì)中點(diǎn)電流的關(guān)系

在大矢量的作用下，如圖3（a）和圖3（b）所示。由于負(fù)載并未連接在中點(diǎn)，而是直接與Cl和C2構(gòu)成同一回路，因此不存在流入或流出中點(diǎn)的電流，故這兩種分量對(duì)電容電壓沒有影響。

在中矢量的作用下，如圖3中的（c）所示。Cl和C2分別與三相負(fù)載構(gòu)成獨(dú)立的充放電回路，雖然兩個(gè)回路的平均電流相等，但由于兩個(gè)充放電的電流之間存在相位差，使Cl和C2的電壓有不同步的波動(dòng)，因此這種分量下電容電壓會(huì)產(chǎn)生變化。

在小矢量的作用下，如圖3（d）、圖3（e）、圖3（f）和圖3（g）所示。交流負(fù)載僅僅連接在中點(diǎn)與正電平或負(fù)電平之間，即僅連在Cl和C2中的一個(gè)電容兩端，這樣就只有一個(gè)電容與負(fù)載構(gòu)成充放電回路，當(dāng)一個(gè)電容因充（放）電使電壓上升（下降）時(shí)，另一個(gè)電容的電壓會(huì)有相同程度的下降（上升）。因此，此分量對(duì)兩個(gè)電容電壓的平衡性影響較大大。

從圖3中的分析可以看出，要確定中、小矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，就要和中點(diǎn)電流的方向聯(lián)系起來。各個(gè)分量流入中點(diǎn)的電流可總結(jié)如表1。

表1　中小矢量中點(diǎn)的電流

目前較為普遍的控制方式為引入時(shí)間控制因子，來分配每一個(gè)周期中小電壓分量（矢量）的時(shí)間，使得每個(gè)周期中流入中點(diǎn)的電流為0。但是在實(shí)際控制中，該方法存在以下問題：目前所用的控制芯片大都采用DSP，其運(yùn)算速度有限。用“時(shí)間控制因子”算法，需要消耗大量的計(jì)算資源，同時(shí)精確的浮點(diǎn)運(yùn)算對(duì)于高頻率控制來說相當(dāng)困難，在每個(gè)周期中，DSP需要處理信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、通信等一些列工作，完成該算法非常困難；在絕大多數(shù)情況，即使將影響中點(diǎn)電流的小分量（小矢量）全部替換，也無(wú)法使得本周期中平均中點(diǎn)電流為0。該情況下既浪費(fèi)了大量的計(jì)算資源，又無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。所以本文提出多模式中點(diǎn)平衡算法來解決中點(diǎn)電壓平衡問題。

2　多模式中點(diǎn)電壓平衡算法

本節(jié)將對(duì)多模式中點(diǎn)平衡算法進(jìn)行詳細(xì)介紹，以第I扇區(qū)為例，圖4為三電平逆變器第I扇區(qū)電壓矢量圖，表2為I區(qū)Sn、S0、S1模式，

圖4　三電平逆變器第I扇區(qū)電壓矢量圖

表2　I區(qū)Sn、S0、S1模式

表中落入第I扇區(qū)中各個(gè)小扇區(qū)的電壓可由表2所示矢量表示，比如若電壓矢量落入I-A區(qū)，可由OOO，POO，PPO，PPP四個(gè)矢量組合生成。表2中第1列與第4列所生成的電壓一樣，但是合成的矢量不同，結(jié)合表1可以看出，兩種矢量對(duì)中點(diǎn)電流的影響正好相反。正常情況下，采用7段式PWM控制方案，表2中m取值0.5，定義此模式為Sn模式，該組合可定義為IA-Sn。由于OOO矢量對(duì)中點(diǎn)電流沒有影響，所以m取值為1或0時(shí)，中點(diǎn)電壓不變。我們定義m=0時(shí)，為S0模式；m=1時(shí)，為S1模式，其組合為IA-S0，IA-S1。

由表1可知，IA-Sn、A-S0和IA-S1中，流入中點(diǎn)的電流如式（1）：

若該式的電流符號(hào)不滿足要求，則需要考慮改為另一種模式。

表3　IA-S2模式

表3為IA-S2模式，當(dāng)IA-Sn、A-S0和IA-S1都無(wú)法滿足中點(diǎn)電流要求時(shí)，可考慮采用此模式。此模式下流入中點(diǎn)的電流為式（2）：

式（2）與式（1）符號(hào)相反，因此，在IA扇區(qū)中，可以考慮此種變換模式。

再以I-C扇區(qū)為例：

在IC-S0模式時(shí)，電流為式（3）所示：

IC-S1模式時(shí)，電流為公式（4）所示：

在某些情況下，Sn，S0和S1可能都無(wú)法滿足中點(diǎn)電流要求。這時(shí)就要使用S2模式。

表4是IA-S2模式，其流入中點(diǎn)電流為式（5）所示：

表5是IA-S3模式，流入中點(diǎn)電流為式（6）所示：

以上幾種模式在PWM實(shí)現(xiàn)中，均滿足每一個(gè)開關(guān)管在一個(gè)周期中切換一次的要求。

表4　IC-S2模式

表5　IC-S3模式

另外，對(duì)于B扇區(qū)和D扇區(qū)，只存在S0與S1模式。

若以上Sn，S0-S3模式均無(wú)法滿足要求，并且重點(diǎn)電壓值已經(jīng)達(dá)到Vmmm或Vppp等級(jí)，此時(shí)需將三電平控制方式切換為兩電平控制模式Sl，即每一項(xiàng)兩個(gè)開關(guān)管當(dāng)做兩電平逆變器中一個(gè)開關(guān)管使用，此時(shí)對(duì)中點(diǎn)電壓不造成影響，等待合適的周期出現(xiàn)來調(diào)整中點(diǎn)電壓。具體的算法流程圖下：

（1）檢測(cè)中點(diǎn)電壓，設(shè)Vp為電壓高值，Vm為電壓低值，Vpp為電壓過高值，Vmm為電壓過低值；

（2）判斷中點(diǎn)電壓所處區(qū)域（Vp，Vpp，Vm，Vmm）；

（3）當(dāng)中點(diǎn)電壓處于Vp與Vm之間時(shí)，本周期不變化矢量組合，采用Sn模式，判斷結(jié)束；

（4）當(dāng)中點(diǎn)電壓＞Vp，本周期需確保流入中點(diǎn)電流為負(fù)（電流需要從中點(diǎn)流出）；當(dāng)中點(diǎn)電壓＜Vm，本周期需確保流入中點(diǎn)電流為正（電流需要流入中點(diǎn)）；

（5）若第4條成立，檢測(cè)三相電流，讀入電流值等待計(jì)算；

（6）判斷所需生成電壓所在大扇區(qū)；

（7）判斷所需生成電壓所在的小扇區(qū)；

（8）計(jì)算S0-S4組合下，流入中點(diǎn)的電流符號(hào)，計(jì)算采用定點(diǎn)計(jì)算，粗略計(jì)算出電流的正負(fù)和大小即可；

（9）以此刻中點(diǎn)電壓＞Vp為例，此刻需要確保流入中點(diǎn)電流為負(fù)。按照第8步的計(jì)算，找出S0-S3中，電流為負(fù)且絕對(duì)值最大的組合Sx。若電壓大于Vp但小于Vpp，且S0-S3中無(wú)一組合滿足條件，則采用符號(hào)為正，或者符號(hào)為負(fù)但絕對(duì)值最小的模式Sx；若此時(shí)電壓已經(jīng)＞Vpp，則采取緊急策略，選擇采用兩電平控制方式Sl或直接并入平衡電阻，亦可同時(shí)采取兩種方法進(jìn)行控制；

（10）將Sx組合的PWM控制策略輸出，本周期結(jié)束。

上面為多模式中點(diǎn)電壓平衡算法的具體算法步驟，本算法的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）在所有24個(gè)小扇區(qū)中，都有多種可替代的矢量組合，該組合在設(shè)計(jì)時(shí)提前編入程序，節(jié)省了多種組合在轉(zhuǎn)換時(shí)所需的計(jì)算時(shí)間。這些組合變化較多，占用內(nèi)存資源比傳統(tǒng)方法多一些，因此對(duì)于DSP控制，可以看做用空間換時(shí)間的策略；

（2）此控制方式為Bang-Bang控制，控制規(guī)則簡(jiǎn)單，避免了每個(gè)周期都需要大量計(jì)算的情況；

（3）若想實(shí)現(xiàn)精確控制，可將Vpp與Vmm設(shè)置為中點(diǎn)電壓值；

（4）當(dāng)采并入中點(diǎn)平衡電阻也無(wú)法平衡電壓時(shí)，可采用兩電平控制策略，等待中點(diǎn)電壓可控周期的出現(xiàn)，逐步將中點(diǎn)電壓控制在安全范圍之內(nèi)。

3　算法仿真驗(yàn)證

上一小節(jié)提出了多模式中點(diǎn)電壓平衡算法，并且給出了詳細(xì)的算法步驟，為了驗(yàn)證算法的正確性和可行性，本節(jié)將對(duì)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，圖5為仿真電路圖，圖6為扇區(qū)計(jì)算以及時(shí)間計(jì)算模塊，圖7為每一項(xiàng)PWM輸出控制模塊。

圖5　仿真電路圖

圖6　扇區(qū)計(jì)算以及時(shí)間計(jì)算模塊

圖7　每項(xiàng)PWM輸出控制模塊

圖7中，Vref代表輸出參考電壓值，Sector為大扇區(qū)，Section為小扇區(qū)，DegreeInSection為大扇區(qū)內(nèi)的角度，T1-T3為計(jì)算出的時(shí)間。TA1-TC2為每項(xiàng)PWM的控制時(shí)間，ModeA1-ModeC2為控制每一項(xiàng)開關(guān)管開關(guān)的模式，取值為1或2，其中Mode1為開關(guān)管初始狀態(tài)為0，整個(gè)周期的狀態(tài)為0-1-0。Mode2為開關(guān)管初始狀態(tài)為1，整個(gè)周期的狀態(tài)為1-0-1。在上一小節(jié)的例子中，設(shè)置了Vp為251 V，Vm為249 V，仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

由仿真結(jié)果可知，本文所提出的多模式中點(diǎn)電壓平衡算法是正確可行的，有效的控制了中點(diǎn)電壓的平衡，相比傳統(tǒng)的方法，該策略可以將電壓較好的控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。

圖8　與傳統(tǒng)方法比較

圖9　生成的A相電壓

圖10　C相電壓斬波

4　總結(jié)

本文主要對(duì)三電平中點(diǎn)電壓平衡的問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，首先分析了各矢量對(duì)中點(diǎn)電壓平衡問題的影響，然后用實(shí)例的形式說明了多模式中點(diǎn)電壓平衡算法并給出了詳細(xì)的算法流程，最后通過仿真驗(yàn)證了所提的算法是正確有效的，且本算法已在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明該算法穩(wěn)定可靠，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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王凱凱（1989-），男，漢族，江蘇邳州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎庵悄芸刂婆c決策，wkaven@163.com；

陳文博（1986-），男，漢族，遼寧大連人，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎饪刂婆c仿真，46742892@qq.com。

A Multi-Mode Neutral Point Voltage Balance Control Strategy of Three-Level Inverters

WANG Kaikai，CHEN Wenbo*，WAN Heng
（College of electronic&Electrical Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Inverter has always been a hot issue in the field of electrical research，the three level inverter iswidely used to geta lotofattention of the researchers，themidpointvoltage imbalance problem of three-level inverters limiting its use，this problem is becoming a research focus in the recent.Amultimodalmidpoint voltage balancing strategy and algorithm of three-level inverterswas proposed，itmaked themidpoint voltage balance.The algorithm was verified feasible and reliable by simulation and practicalengineering applications.

three-level inverter；neutral-pointvoltage balance；hybrid balance；Bang-Bang control

TM 464

A

1005-9490（2016）04-1005-05

2015-08-06修改日期：2015-09-26

EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.047