一种新型的三电平逆变器中点电位平衡控制策略

钟皖生，张国月，吴越，齐冬莲

（浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027）

一种新型的三电平逆变器中点电位平衡控制策略

钟皖生，张国月，吴越，齐冬莲

（浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027）

提出一种抑制三电平逆变器中点电位波动的新型控制策略。在电压外环，针对中点电位一阶模型，采用二阶非线性扩张状态观测器实现中点电位扰动的实时估计；设计高性能非线性PI控制器实现母线电压的有效控制和中点电位波动的补偿。在10 kW三相光伏并网逆变器样机平台上进行相关实验，实验结果验证了该方法可以有效抑制中点电位波动，提高系统鲁棒性。

三电平逆变器；中点电位平衡；扩张状态观测器；非线性PI控制器

1 引言

二极管钳位式三电平逆变器是近年来发展较快的变流器［1］，具有运行效率高、电压变化率小和谐波含量少等优点，在新能源并网发电、有源电力滤波器等领域得到了广泛应用［2-3］。然而，由于在直流母线端采用电容分压的形式，使得该变流器产生中点电位不平衡问题。中点电位不平衡不仅会增大输出电流的谐波畸变，而且会增加开关器件所承受的电压，甚至会损坏开关器件和分压电容，因此，中点电位平衡问题一直是三电平逆变器研究的重点［4］。

现有的中点电位平衡算法，主要通过改进逆变器空间矢量调制策略实现中点电位波动的抑制［5-7］，属于间接控制方法，未能实现中点电位波动的直接补偿。

本文通过优化三电平逆变器直流电压外环控制策略，提出一种中点电位直接控制方法：采用扩张状态观测器（ESO）估计中点电位的波动；利用非线性PI（NLPI）控制器，实现中点电位波动的补偿和直流母线电压的可靠控制。在10 kW三相光伏并网逆变器样机上进行了相关实验，实验结果验证了提出的控制方案的有效性。

2 直流母线电压数学模型

图1为三电平逆变器的主电路拓扑结构。

图1 三电平逆变器拓扑Fig.1 Topology of three-level inverter

为实现中点电位波动的直接补偿，必须首先建立中点电位数学模型，电位波动的小信号模型如图2所示。

图2 中点电位小信号模型Fig.2 Small signal model of DC neural-point potential

直流侧中点电位由中点电流和直流侧电容（C1=C2=Cdc）共同决定，可表示为

式中：uo，io分别为中点电压和电流；Δudc为直流母线电压变化量，

当中点电流流入、流出直流侧电容时，必然引起2个电容存储电荷发生变化，从而造成中点电位的波动。此时，逆变器直流侧等效电路见图3。

图3 直流侧等效电路Fig.3 Equivalent circuit of DC side

图3中，Re代表线路等效电阻、电容等效阻抗、逆变器损耗的等效电阻，is为逆变器直流侧电源输出电流，iin为逆变器输入电流，udc，idc分别为直流母线电压及电流。由图3可得：

将式（1）代入式（2），整理后得：

式中：u为输入量（控制量），u≜iin；udc为输出量（被控量）；w为扰动量，w≜b(uo+is)。

3 中点电位控制策略

由上节分析可知，中点电位波动是一种不确定性作用，会对直流母线电压产生扰动，致使母线电压难以被有效控制。然而，也正是这一现象，使得中点电位波动的估计与补偿成为可能。

本文利用扩张状态观测器（ESO）实时估计能够影响被控输出（即直流母线电压）的不确定性（即中点电位），进而通过高性能非线性PI（NIPI）控制实现中点电位的补偿和直流母线电压的可靠控制。

3.1 扩张状态观测器

扩张状态观测器［8］是一种新型的扰动观测器，其基本原理为：将能够影响系统输出变量的扰动作用扩张成新的状态变量，并用特殊的反馈机制来建立能够观测被扩张的状态。不同于基于内模原理或绝对不变性原理的扰动补偿器，ESO不需要直接测量扰动，也无须知道扰动的具体数学模型，因而具有较强的鲁棒特性。

由式（4）可知，中点电位波动会对直流母线电压产生影响，可将其作为一种系统内部扰动，通过ESO进行估计。由于直流母线电压数学模型为一阶，因此，设计以Udc为输入的二阶非线性ESO，在实现直流母线电压实际输出值跟踪的基础上，估计由于中点电位波动而产生的扰动作用，如下所示：

式中：h为采样步长；β01，β02为待调参数；z1为Udc的跟踪值；z2为扰动w的估计值。

fe(e，γ，h)选取为非线性幂次函数

式中：γ为给定的常数。

3.2 非线性PI控制器

在实现中点电位波动的估计后，需要对其进行补偿，同时需要保证直流母线电压的可靠控制，而传统的PI控制器所固有的积分饱和作用会对系统响应快速性和稳定性产生不利影响。因此，设计非线性PI控制器如下：

式中：β1，β2为待调参数。

3.3 中点电位控制策略

本文提出一种施加于电压外环的，基于ESO和NLPI的中点电位波动抑制策略。三电平逆变器电流内环控制仍然采用旋转坐标系下的基于电网电压前馈和电流解耦的PI控制方法。调制策略采用传统的空间矢量PWM方法。三电平逆变器控制框图如图4所示。

图4 三电平逆变器控制框图Fig.4 Control diagram of three-level inverter

图4中，Ug为电网电压，id，iq为逆变器输出电流直流分量。

4 实验验证

为了验证新型控制方法的有效性，搭建了以TI公司DSP TMS320F2812为控制芯片的10 kW三电平并网逆变器实验平台。采用额定功率为20 kW的可编程直流电源作为逆变器输入端电源，输出端接入电网，通过示波器观测实验波形。三电平并网逆变器主电路的电气参数和控制参数为：直流母线电压640 V，直流母线电容800 μF，电网电压230 V，电网频率50 Hz，滤波电感1.2 mH，滤波电容5 μF，等效电阻Re=50 mΩ，控制参数h=0.000 05，γ=0.5，β01=10，β02=150，β1=200，β2=3 000。为了验证提出方法的优越性，与传统的基于检测中点电流和改进矢量调制策略的中点电位抑制方法进行了对比，并在逆变器正常运行和负载突变时记录（实验波形由上到下依次为）母线电压udc、中点电位电压uo及逆变器直流侧电源输出电流is波形图，进而比较两种方法的优劣。

图5是稳定运行时实验波形图。由实验波形可见，传统的中点电位抑制方法效果较差，而且难以实现直流母线电压的有效控制，致使其输出存在明显波动；而本文提出的算法不仅可以保证直流母线电压稳定控制，而且可以实现两个分裂电容上电压的均衡，同时抑制中点电位波动，使中点电位几乎为零，具有优良的稳态性能。

图5 稳态时两种方法的输出波形Fig.5 Output waveforms of two methods in steady state

图6和图7为负载突变时实验波形图。由实验波形可见，当负载突变时，传统的中点电位抑制方法使得各电压波形出现明显畸变，且过渡过程波形质量变差；而本文提出的算法可以实现直流母线电压的平稳过渡，同时保证了中点电位抑制效果，使系统具有较好的动态特性。

图6 负载突变时传统方法的输出波形Fig.6 Output waveforms of traditional method as load suddenly changes

图7 负载突变时本文方法的输出波形Fig.7 Output waveforms of the proposed method as load suddenly changes

5 结论

本文提出了一种基于扩张状态观测器和非线性PI控制器的中点电位平衡控制策略：首先建立反映直流母线电压真实运行状况的数学模型，并将中点电位波动归类为系统扰动，进而利用扩张状态观测器实现中点电位的实时估计；借助高性能非线性PI控制器，在实现中点电位补偿的基础上，进一步提高直流母线电压控制性能，保证系统运行稳定性。搭建了10 kW实验平台，实验结果表明本文提出的控制方法具有非常好的中点电位抑制性能和动态性能，具有较高的工程实用价值。

［1］ Rodriguez J，Lai Jih-Sheng，Fang Zheng Peng．Multilevel Inverter：A Survey of Topologies，Controls，and Applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，49（4）：724-738．

［2］ 张兴，邵章平，王付胜，等.非隔离型三相三电平光伏逆变器的共模电流抑制［J］.中国电机工程学报，2013，33（3）：29-36．

［3］ 唐健，邹旭东，佘煦.三相四线制三电平三桥臂有源滤波器中点平衡控制策略［J］.中国电机工程学报，2009，29（24）：40-48．

［4］ Sergio Busquets Monge，Sergio Somavilla，Josep Bordonau，et al.Capacitor Voltage Balance for the Neutral-pointclamped Converter Using the Virtual Space Vector Concept with Optimized Spectral Performance［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（4）：1128-1135．

［5］ Srikanthan S，Mahesh Kumar Mishra.DC Capacitor Voltage Equalization in Neutral Clamped Inverters for Dstatcom Application［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（8）：2768-2775．

［6］ 张崇巍，苑春明，张兴.中点电位平衡的三电平逆变器简化算法及其实现［J］.电气传动，2008，38（11）：31-41．

［7］ 王小峰，邓焰，何湘宁.三相三电平二极管箝位型整流器的单载波调制和中点平衡控制策略研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（8）：7-11．

［8］ Han Jing-qing.From PID to Active Disturbance Rejection Control［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，53（3）：900-906．

Control Strategy of Neutral-point Potential Balancing in Three-level Inverter

ZHONG Wan-sheng，ZHANG Guo-yue，WU Yue，QI Dong-lian
（Electrical Engineering Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）

A novel control method applied in three-phase three-level inverter was proposed to realize neutral-point potential（NNP）balancing.In the voltage loop，aiming at the 1st-order model of NNP，the 2nd-order non-linear expanded state observer（ESO）was adopted to estimate the disturbance of NNP in real-time，and a non-linear PI（NLPI）controller was designed to suppress the disturbance and control the bus voltage.A 10 kW prototype was designed and developed，and the experiment results validate that not only the proposed method can suppress the fluctuation of NNP，but improve the robustness of the system.

three-level inverter；neutral-point potential balancing；expanded state observer；non-linear PI controller

TM615

A

2013-12-12

修改稿日期：2014-01-15

浙江省自然科学基金（LY14E070006）；国家863计划基金项目（2014AA052501）

钟皖生（1988-），女，硕士研究生，Email：13616504013@163.com