基于SVPWM的三电平逆变器中点电压控制方法

摘要：为提高中点箝位(NPC)三电平逆变器的性能，针对电路中直流中点电压不平衡的问题，提出了一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的精确中点电流控制方法。基于传统方法利用p型和n型小矢量对中点电流作用效果相反的原理，讨论了逆变器输出电流与电网电压同相和存在相位差时，各区域小矢量的分配比例和矢量合成方式的切换时刻。以该方法构成的直流侧中点电压控制环，可在理论的极限范围内消除中点电压的直流偏置及交流波动，实验结果证明了该方法的有效性。

1 引言

在NPC三电平电路中，直流母线是由上、下两个电容组成，共同承载直流电压，理论上应各自贡献一半直流电压，但实际中可能存在直流中点电压不平衡现象。若不能有效控制，可能导致输出三相电流中包含低次谐波分量，电压超过器件的最大耐压值，危及开关器件安全。

NPC三电平中点电压控制的主要方案有滞环控制和零序电压注入两种。滞环控制操作简单，但不能精确控制到直流母线电压的一半;零序电压注入法基本可精确地将中点电位误差控制到零，但控制算法复杂。这里在分析上述方法的基础上，提出了一种基于SVPWM的精确中点电流控制的中点电压控制方法，该方法可精确控制中点电压，且算法比零序电压注入法简单。

2 NPC三电平中点电压波动分析

NPC三电平电路拓扑及电流流动方向如图1所示。采用SVPWM波产生法时，合成参考电压矢量所用的基本电压矢量可分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。

第I扇区所有基本矢量如图2所示，其中U13和U14为大矢量，U7为中矢量，U1和U2为小矢量，U0为零矢量。

以U1为例，图3表示U1作用时对应的2个矢量，分别为p型矢量poo和n型矢量onn。p型矢量poo流出中点的电流为ib+ic，三相负载平衡时ib+ic=-ia，若ia>0即有电流流入中点，这会引起中点电压上升;n型矢量onn流出中点的电流为ia，当ia>0时会引起中点电压下降。

用同样方法分析其他电压矢量的作用效果，可得如下结论：大矢量和零矢量对中点电压无影响;中矢量有影响，但影响效果不确定;小矢量中p型矢量和n型矢量对中点电压的影响相反。

3 基于SVPWM的精确中点电流控制

3.1 输出电压、电流同相情况下中点电流控制

当逆变器输出电流、电压同相时，由上述可知，p型小矢量和n型小矢量对中点电流贡献效果相反，因此可通过调节两种矢量的分配比例实现中点电压平衡控制。对于第I扇区的A1区域，所有合成矢量对中点造成的影响如图4所示。

设t1，t2分别为U1，U2的作用时间，其中U1分为p型和n型，定义分配比例为：

由式(3)可见，根据当前输出电流、电压矢量作用时间及所需中点电流即可确定相应的tp和tn。该计算过程中不出现绝对值符号，故计算简单。

式(3)中若令iN=0，表示一个控制周期内流入电容中点电流为零，这样即可完全消除中点电平的交流波动。用同样方法可算出其他所有区域的k，其中，第I扇区各区域的计算情况如表1所示。

其余扇区计算结果限于篇幅，不再赘述。

对上述中点控制方式利用Saber工具仿真，在输出电流与电网电压同相情况下，调制度m=0.8时调制波形见图5。可见，调制波光滑连续，相对于p型、n型小矢量对半平分作用时间，调制波中存在跳跃，该方法在输出电流连续性上更具优势。

3.2 输出电压、电流有相位差时中点电流控制

上述讨论皆基于输出电流、电压同相情况下进行，但实际情况中，三电平逆变器通常输出功率因数不为1，此时，输出电流、电压不同相，使用上述方法会出现调制波不连续、无法控制中点电流的问题。当输出电流滞后电网电压20°，m=0.8时输出的调制波形如图6所示。

调制波的不连续本质上是未能完全控制iN=0所致。电流与电网电压同相前提下，在第I扇区整个A区域内部，因为|ia|和t1逐渐减小，|ic|和t2逐渐增大，故|ia|t1-|ic|t2为一个随时间递减的函数且在30°点正好为零。即在这种情况下，以30°点为分界线选择用于调节的小矢量即可控制iN=0。

当输出电流、电压不同相时，各扇区内小矢量对中点电压的影响仍不变，根据函数|ia|t1-|ic|t2=0求取出这个分割点，即可更合理地选择用于调节的小矢量，最大限度保证控制iN=0。

综合上述分析，要保证iN=0，合理选择合成矢量的切换点是关键。切换时刻本质上为对应小矢量在一个开关周期内对中点注入或抽取电荷能力大小的分割点。基于上述分析，可得在第I扇区的C区域中C1和C2合成方式的切换点为|(ibt7-ict2)/(iat1)|=|(ibt7-iat1)/(ict2)|。而每个扇区的B和D区域中不存在小矢量的选取问题，因此这两个区域无需额外调整。由此可得第I扇区A1，A2，C1，C2切换矢量合成方式判据见表2。

采用该种改进方式，在仿真电流滞后电网电压20°时，可得m=0.8输出的调制波形，如图7所示。由图可见，调制波光滑连续，该方式可在任何区域使一个开关周期内iN=0。

4 直流侧电压闭环控制

实际系统中需对直流中点电压进行闭环控制，使用PI调节器构成中点电压外环。由图1可知，中点电流与中点电压的关系为：

由此可得中点电压控制框图，如图8所示。

图中，Gs(s)为DSP内部的PWM延时，

为逆变器产生的扰动，中点电压不加任何控制时，会有3次谐波。电压外环带宽的设计主要考虑抑制中点电压的直流漂移。令3次谐波衰减100倍，这样截止频率需设置在3次的1/40附近。实际中取截止频率20rad·s-1，PI零点10rad·s-1。

5 实验验证

实验平台主要由功率板和控制板组成，功率板包含主电路、驱动电路和部分采样电路。控制板通过排线连接到功率板，控制芯片为DSP2 8335及其外围电路。实验中直流电由Chroma直流电源提供，交流侧接Chroma交流电源，用来模拟电网。

在直流母线电压200 V，交流相电压有效值28 V，输出电流峰值2 A情况下，并网运行时不加中点电压控制和加入中点电压控制的实验波形如图9所示。图9a中，中点电压有明显的3次波动，并有一定的直流偏置，调制波形不连续，电流波形上有尖刺。图9b中，中点电压基本无波动，且由于电压外环的存在，很好地消除了直流偏置，调制波波形连续，电流波形较光滑。

6 结论

分析了中点箝位三电平电路中，各电压矢量对直流中点电压的影响。提出一种基于SVPWM的精确中点电流控制方法，通过调节p型小矢量和n型小矢量的分配比例，实现中点电压的平衡控制。使用该方法可完全抑制中点电压波动，消除直流偏置。实验结果证明了该方法的有效性。