摘要：為提高中點箝位(NPC)三電平逆變器的性能，針對電路中直流中點電壓不平衡的問題，提出了一種基于空間矢量脈寬調制(SVPWM)的精確中點電流控制方法?；趥鹘y(tǒng)方法利用p型和n型小矢量對中點電流作用效果相反的原理，討論了逆變器輸出電流與電網電壓同相和存在相位差時，各區(qū)域小矢量的分配比例和矢量合成方式的切換時刻。以該方法構成的直流側中點電壓控制環(huán)，可在理論的極限范圍內消除中點電壓的直流偏置及交流波動，實驗結果證明了該方法的有效性。

1 引言

在NPC三電平電路中，直流母線是由上、下兩個電容組成，共同承載直流電壓，理論上應各自貢獻一半直流電壓，但實際中可能存在直流中點電壓不平衡現象。若不能有效控制，可能導致輸出三相電流中包含低次諧波分量，電壓超過器件的最大耐壓值，危及開關器件安全。

NPC三電平中點電壓控制的主要方案有滯環(huán)控制和零序電壓注入兩種。滯環(huán)控制操作簡單，但不能精確控制到直流母線電壓的一半;零序電壓注入法基本可精確地將中點電位誤差控制到零，但控制算法復雜。這里在分析上述方法的基礎上，提出了一種基于SVPWM的精確中點電流控制的中點電壓控制方法，該方法可精確控制中點電壓，且算法比零序電壓注入法簡單。

2 NPC三電平中點電壓波動分析

NPC三電平電路拓撲及電流流動方向如圖1所示。采用SVPWM波產生法時，合成參考電壓矢量所用的基本電壓矢量可分為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。

第I扇區(qū)所有基本矢量如圖2所示，其中U13和U14為大矢量，U7為中矢量，U1和U2為小矢量，U0為零矢量。

以U1為例，圖3表示U1作用時對應的2個矢量，分別為p型矢量poo和n型矢量onn。p型矢量poo流出中點的電流為ib+ic，三相負載平衡時ib+ic=-ia，若ia>0即有電流流入中點，這會引起中點電壓上升;n型矢量onn流出中點的電流為ia，當ia>0時會引起中點電壓下降。

用同樣方法分析其他電壓矢量的作用效果，可得如下結論：大矢量和零矢量對中點電壓無影響;中矢量有影響，但影響效果不確定;小矢量中p型矢量和n型矢量對中點電壓的影響相反。

3 基于SVPWM的精確中點電流控制

3.1 輸出電壓、電流同相情況下中點電流控制

當逆變器輸出電流、電壓同相時，由上述可知，p型小矢量和n型小矢量對中點電流貢獻效果相反，因此可通過調節(jié)兩種矢量的分配比例實現中點電壓平衡控制。對于第I扇區(qū)的A1區(qū)域，所有合成矢量對中點造成的影響如圖4所示。

設t1，t2分別為U1，U2的作用時間，其中U1分為p型和n型，定義分配比例為：

由式(3)可見，根據當前輸出電流、電壓矢量作用時間及所需中點電流即可確定相應的tp和tn。該計算過程中不出現絕對值符號，故計算簡單。

式(3)中若令iN=0，表示一個控制周期內流入電容中點電流為零，這樣即可完全消除中點電平的交流波動。用同樣方法可算出其他所有區(qū)域的k，其中，第I扇區(qū)各區(qū)域的計算情況如表1所示。

其余扇區(qū)計算結果限于篇幅，不再贅述。

對上述中點控制方式利用Saber工具仿真，在輸出電流與電網電壓同相情況下，調制度m=0.8時調制波形見圖5?？梢?，調制波光滑連續(xù)，相對于p型、n型小矢量對半平分作用時間，調制波中存在跳躍，該方法在輸出電流連續(xù)性上更具優(yōu)勢。

3.2 輸出電壓、電流有相位差時中點電流控制

上述討論皆基于輸出電流、電壓同相情況下進行，但實際情況中，三電平逆變器通常輸出功率因數不為1，此時，輸出電流、電壓不同相，使用上述方法會出現調制波不連續(xù)、無法控制中點電流的問題。當輸出電流滯后電網電壓20°，m=0.8時輸出的調制波形如圖6所示。

調制波的不連續(xù)本質上是未能完全控制iN=0所致。電流與電網電壓同相前提下，在第I扇區(qū)整個A區(qū)域內部，因為|ia|和t1逐漸減小，|ic|和t2逐漸增大，故|ia|t1-|ic|t2為一個隨時間遞減的函數且在30°點正好為零。即在這種情況下，以30°點為分界線選擇用于調節(jié)的小矢量即可控制iN=0。

當輸出電流、電壓不同相時，各扇區(qū)內小矢量對中點電壓的影響仍不變，根據函數|ia|t1-|ic|t2=0求取出這個分割點，即可更合理地選擇用于調節(jié)的小矢量，最大限度保證控制iN=0。

綜合上述分析，要保證iN=0，合理選擇合成矢量的切換點是關鍵。切換時刻本質上為對應小矢量在一個開關周期內對中點注入或抽取電荷能力大小的分割點。基于上述分析，可得在第I扇區(qū)的C區(qū)域中C1和C2合成方式的切換點為|(ibt7-ict2)/(iat1)|=|(ibt7-iat1)/(ict2)|。而每個扇區(qū)的B和D區(qū)域中不存在小矢量的選取問題，因此這兩個區(qū)域無需額外調整。由此可得第I扇區(qū)A1，A2，C1，C2切換矢量合成方式判據見表2。

采用該種改進方式，在仿真電流滯后電網電壓20°時，可得m=0.8輸出的調制波形，如圖7所示。由圖可見，調制波光滑連續(xù)，該方式可在任何區(qū)域使一個開關周期內iN=0。

4 直流側電壓閉環(huán)控制

實際系統(tǒng)中需對直流中點電壓進行閉環(huán)控制，使用PI調節(jié)器構成中點電壓外環(huán)。由圖1可知，中點電流與中點電壓的關系為：

由此可得中點電壓控制框圖，如圖8所示。

圖中，Gs(s)為DSP內部的PWM延時，

為逆變器產生的擾動，中點電壓不加任何控制時，會有3次諧波。電壓外環(huán)帶寬的設計主要考慮抑制中點電壓的直流漂移。令3次諧波衰減100倍，這樣截止頻率需設置在3次的1/40附近。實際中取截止頻率20rad·s-1，PI零點10rad·s-1。

5 實驗驗證

實驗平臺主要由功率板和控制板組成，功率板包含主電路、驅動電路和部分采樣電路?？刂瓢逋ㄟ^排線連接到功率板，控制芯片為DSP2 8335及其外圍電路。實驗中直流電由Chroma直流電源提供，交流側接Chroma交流電源，用來模擬電網。

在直流母線電壓200 V，交流相電壓有效值28 V，輸出電流峰值2 A情況下，并網運行時不加中點電壓控制和加入中點電壓控制的實驗波形如圖9所示。圖9a中，中點電壓有明顯的3次波動，并有一定的直流偏置，調制波形不連續(xù)，電流波形上有尖刺。圖9b中，中點電壓基本無波動，且由于電壓外環(huán)的存在，很好地消除了直流偏置，調制波波形連續(xù)，電流波形較光滑。

6 結論

分析了中點箝位三電平電路中，各電壓矢量對直流中點電壓的影響。提出一種基于SVPWM的精確中點電流控制方法，通過調節(jié)p型小矢量和n型小矢量的分配比例，實現中點電壓的平衡控制。使用該方法可完全抑制中點電壓波動，消除直流偏置。實驗結果證明了該方法的有效性。