NPC三电平逆变器改进型虚拟空间矢量调制

贾万水，张 成,2，熊梓辰

应用研究

NPC三电平逆变器改进型虚拟空间矢量调制

贾万水1，张 成1,2，熊梓辰1

(1. 湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412007；2. 通号(长沙)轨道交通控制技术有限公司，长沙 410000)

NPC三电平逆变器在工业环境中的应用越来越广泛，但此类逆变器存在直流母线中点电压偏移以及共模电压问题。提出一种改进型虚拟空间矢量调制策略，该调制选取共模电压较小的基本电压矢量合成虚拟矢量，改进后的调制产生的共模电压仅为传统调制的50%，并且这些虚拟矢量产生的电流均为零，直流母线中点电压得以控制。同时，改进型调制采用g-h坐标系，计算量极大简化。所提调制策略通过减少开关序列的切换次数使功率器件开关次数大幅降低从而提升中点电压平衡速度62.5%。最后，使用MATLAB/Simulink仿真平台以及RT-LAB半实物平台对改进型调制策略的正确性、可行性进行了验证。

NPC三电平逆变器 中点电压平衡 共模电压 虚拟空间矢量

0 引言

作为使用最广泛的多电平逆变器之一，二极管钳位型逆变器(Neutral Point Clamped,NPC)已广泛应用于高压大功率传输、新能源发电、电网质量控制等领域。但是此类逆变器存在着直流母线中点电压偏移以及共模电压的问题，这对逆变器的正常使用和安全性有重大影响。

直流母线中点电压偏移会造成单个功率开关器件电压应力增大使器件使用寿命大大缩减并且变换器的输出波形会发生严重畸变。针对上述问题，国内外学者提出了许多解决方法。最近三矢量法(Nearest Three Vector,NTV)是最常用的解决中点电压偏移的方法。但在高调制比和低功率因数的工况下，NTV方法控制效果一般。为克服NTV方法的局限性，一些能在全范围内控制中点电压平衡的调制策略陆续出现，文献[1]是西班牙人S.Busquets-Monge于2004年提出的一种新的调制策略—虚拟空间矢量调制法(Nearest Three Virtual Vector,NTV2)。该调制在逆变器输出电压的全范围内以及任意负载功率因数的情况下均能有效地控制中点电压平衡，但该方法没有提出相应地中点电压平衡控制策略，在实际应用中可借鉴意义不大。

功率变换器中半导体器件的开关动作会产生共模电压。共模电压会对系统造成许多负面效应，其产生的漏电流是电磁干扰的来源，并且会导致电机绕组绝缘系统过早失效。文献[2]提出在空间矢量调制中移除产生共模电压较大的两个零矢量(PPP和NNN)，但是该方法仅能将共模电压的幅值限定在U/3。文献[3]使用七段式空间矢量脉宽调制法将共模电压幅值限定在U/6，但该方法仅适用于准Z源三电平逆变器。

本文提出一种改进型虚拟空间矢量法，选取共模电压较小的基本电压矢量用于合成虚拟矢量，这使得改进后的调制策略产生的共模电压仅为传统调制的一半。上述虚拟矢量在一个周期内产生的电流值为零，达到控制中点电压的目的。此外，采用g-h坐标系并且弃用虚拟中矢量，使整体效率大大提升。

1 NPC三电平逆变器

图1 NPC三电平逆变器拓扑图

图1为NPC三电平逆变器拓扑图。每相由4个IGBT功率开关管SX1,SX2,SX3,SX4(X=A,B,C)和2个钳位二极管DY1，DY2(Y=A,B,C)组成。逆变器输出相电压为

式中，U代表输出相电压，S代表开关状态。输出相电压与功率器件开关状态对应关系见表1，表中1代表功率器件导通，0代表功率器件关断。

表1 功率器件开关状态与输出相电压对应关系

考虑三相，NPC三电平逆变器有27种开关状态，可以用空间电压矢量表示开关状态，图2中进行了说明。由三相合成的空间电压矢量U的表达式为

按幅值大小将这些空间电压矢量归纳为四类：零矢量、小矢量、中矢量和大矢量。各开关状态产生的中性点电流见表2。

表2 各开关状态产生的中点电流

2 传统虚拟空间矢量调制

图3 扇区Ⅰ的虚拟矢量

由表2知，小矢量和中矢量产生的中点电流会流入中性点O使得中点电压发生偏移。针对该问题，传统虚拟空间矢量法将影响中点电压的基本矢量改造，以达到控制中点电压的目的。图3是扇区Ⅰ五个小区域三角形及虚拟矢量分布图[4]。

传统虚拟空间矢量法对虚拟矢量的定义为

表3 参考电压矢量位于扇区Ⅰ各小区域对应的开关序列

表3是参考电压矢量位于扇区Ⅰ各小区域所对应的开关序列。

NPC三电平逆变器共模电压(Common Mode Voltage,CMV)定义为星型负载的N点与中性点O之间的电压差。各开关状态所产生的共模电压见表4[5]。

表4 各空间电压矢量对应的共模电压

传统虚拟空间矢量法在构造虚拟矢量时选取了小矢量UONN和UPPO，根据表4知，上述矢量给系统带来了较大的共模电压致使NPC三电平整体系统性能不佳。

3 改进型虚拟空间矢量调制

传统调制中，常用的是图2中的正交α-β坐标，而改进型调制采用图4所示的非正交的g-h坐标系，此坐标系的优点是所有矢量在此系统中均具有整数坐标。因此，α-β坐标中复杂的三角函数由代数运算代替，大大简化了计算过程。通过(4)式，可以很容易地将参考电压矢量Vref在α-β坐标系下的坐标转换到g-h坐标系。

本文弃用虚拟中矢量且选取共模电压较小的基本电压矢量合成虚拟矢量，将虚拟矢量定义为

图5是以扇区Ⅰ为例给出了每个扇区中小区域的重新划分方式。

表5 扇区Ⅰ各小区域对应的开关序列

表5为改进型调制对应的开关序列。由表3和表5对比后得出，改进型调制策略将开关序列的切换次数由传统调制的9次降至4次，减少了开关次数，从而缩短中点电压平衡调节时间。

4 仿真与实验

本文所提的改进型虚拟空间矢量调制方法已在SIMULINK以及RT-LAB半实物平台中得到验证，仿真和实验参数见表6仿真与实验所使用的负载均为三相阻感负载。图6是RT-LAB平台。

图6 RT-LAB半实物平台

表6 仿真、实验参数

4.1 仿真验证

图7 改进型虚拟空间矢量调制的电压仿真波形

图8 所提调制与传统调制输出相电流及其THD对比

图7为改进型虚拟空间矢量调制方法下线电压及相电压仿真波形图，从仿真波形来看，所提调制策略输出特性良好。

图8为所提调制与传统调制输出相电流及其THD对比，从图8(c)和图8(d)的对比中看出，传统调制谐波较为分散，滤波难度大，而改进型调制谐波集中分布在低次上，滤波难度小。

人为设置上、下电容电压不相等用于模拟中点电压发生偏移。电容电压平衡时间定义为电容电压从初始值达到最终稳定值所需时间，当上、下电容电压差值|ΔU|<|δ|(δ为可接受的电压差值范围，这里δ取2V)时，即判定电容电压到达最终稳定值。

图9 所提调制与传统调制电容电压平衡过程对比

将上电容电压UC1和下电容电压UC2的初始值分别设置为300V和200V。从图9看出，传统调制在0.16s时电容电压达到动态平衡。而改进型调制策略由于降低了开关次数，电容电压达到动态平衡仅需0.06s，提升电容电压平衡速度62.5%。可见当中点电压出现偏移波动时，改进型调制策略具备更强的调节能力。

图10 所提调制策略与传统调制共模电压对比

图10(a)为传统虚拟空间矢量调制产生的共模电压，UCM约为167 V。图10(b)为改进型虚拟空间矢量调制产生的共模电压，此时UCM约为83 V。改进型调制将产生的共模电压由原来的167 V降至83 V，使共模电压降低50%。

4.2 RT-LAB半实物平台验证

图11 改进型虚拟空间矢量调制的电压实验波形

图11(a)，(b)分别为改进型虚拟空间矢量调制方法下线电压和相电压实验波形。NPC三电平逆变器的输出线电压为五电平，输出相电压为九电平，输出电压波形平滑。

图12 所提调制与传统调制相电流及其频谱展开图对比

利用示波器的频谱展开功能将两种调制方法中的相电流进行傅里叶展开得到图12，实验结果与仿真结果一致。

图13 所提调制与传统调制电容电压平衡过程对比

由图13实测波形图看出，改进型调制策略将电容电压平衡时间由原来的0.16s提升至0.06s，提升幅度为62.5%。与仿真结果契合，这对于实际应用意义较大。

图14 所提调制策略与传统调制共模电压对比

由图14实测波形图看出，相较于传统调制产生的27 V共模电压，改进型虚拟空间矢量调制产生的共模电压仅为13 V。改进型调制将共模电压减小50%。

5 结论

本文提出一种改进型虚拟空间矢量调制，该方法选取共模电压较小的基本电压矢量合成虚拟矢量，这些虚拟矢量产生的电流为零不会使中点电压产生偏移。所提调制策略采用g-h坐标系且舍弃虚拟中矢量所以在参考电压矢量位置判断、虚拟矢量作用时间的计算上大大简化。同时，弃用虚拟中矢量会使得改进型调制的开关次数明显降低。仿真与实验验证了改进型调制在中点电压出现偏移时具备更强的调节能力，提升中点电压平衡速度62.5%。同时，产生的共模电压仅为传统调制的50%。至此改进型调制策略为实际应用提供了有效的控制方法。

[1] Busquets-Monge S, Bordonau J, Boroyevich D, et al. The nearest three virtual space vector PWM - a modulation for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter[J]. IEEE Power Electronics Letters, 2004, 2(1): 11-15.

[2] Choudhury A, Pillay P, Williamson S S. Modified DC-Bus Voltage Balancing Algorithm for a Three-Level Neutral-Point-Clamped PMSM Inverter Drive With Reduced Common-Mode Voltage[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2016, 52(1): 278-292.

[3] Qin C, Zhang C, Xing X, et al. Simultaneous Common-Mode Voltage Reduction and Neutral-Point Voltage Balance Scheme for the Quasi-Z-Source Three-Level T-Type Inverter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(3): 1956-1967.

[4] 宋文祥, 陈国呈, 束满堂, 等. 中点箝位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究[J]. 中国电机工程报, 2006(05): 105-109.

[5] 肖华锋, 杨晨, 谢少军. NPC三电平并网逆变器共模电流抑制技术研究[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(33): 23-29.

Improved virtual space vector modulation for NPC three-level inverter

Jia Wanshui1, Zhang Cheng1,2, Xiong Zichen1

(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Hunan Zhuzhou 412007, China 2. China Railway Signal and Communication (Changsha) Railway Traffic Control Technology Co., Ltd, Hunan Changsha 410000, China)

TM612

A

1003-4862（2022）04-0018-06

2022-01-05

贾万水（1997-），男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。E-mail: 767051666@qq.com