基于优化的VSVPWM三电平NPC逆变器控制策略.pdf

Journal of JilinCInformatScience EditionMay20232023年5月No.3Vol.41吉林大学（信息科学版）第3 期第41卷文章编号：16 7 1-58 9 6(2 0 2 3)0 3-0 417-10基于优化的VSVPWM三电平NPC逆变器控制策略付光杰，后乐云（东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆16 3318）摘要：针对中点箱位（NPC：Ne u t r a l-Po i n t-Cl a m p e d）型三电平逆变器直流侧上下两个电容电压不一致，以及传统的空间矢量脉宽调制（SVPWM：Sp a t i a l Ve c t o r Pu l s e Wi d t h M o d u l a t i o n）虽然可在一定的调制度范围内解决两个电容电压不一致，但在较大的调制比下中点电位无法维持平衡的问题，在传统SVPWM和虚拟空间矢量脉宽调制（VSVPWM：Vi r t u a l Sp a c e Ve c t o r Pu l s e Wi d t h M o d u l a t i o n）的基础上优化控制方法。该方法依据电流的流向对不同的正、负小矢量采用不同大小的平衡因子，同时根据中点电位差值，引人电压调差系数，并在此基础上与无差拍控制相结合。该闭环控制策略利用中点电位差值与逆变器三相电流输出值作为反馈量调整输出波形，抑制中点电位。仿真结果表明，该方法在三电平逆变器调制度较高时仍然可以维持直流侧中点电位的平衡，证明了控制策略的正确性和有效性。关键词：三电平逆变器；中点电位；无差拍控制；调差系数和平衡因子；虚拟空间电压矢量脉宽调制中图分类号：TP301.6；T M 46 4文献标志码：AControl Strategy of Three-Level NPCs Inverter Based on Optimized VSVPWMFU Guangjie,HOU Leyun(School of Electrical and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)Abstract:Aiming at the problem of inconsistencies between the voltages of the two capacitors on the DC(DirectCurrent)side of the midpoint clamping(Neutral-Point-Clamped)three-level inverter and the traditional SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)can solve the problem of inconsistency of the two capacitor voltageswithin a certain modulation system,but the midpoint potential cannot be balanced under a large modulationratio,the control method is optimized on the basis of the traditional SVPWM and VSVPWM(Virtual SpaceVector Pulse Width Modulation).The method is based on the flow direction of current,different positive andnegative small vectors using different size of balance factor,is in accordance with the midpoint potentialdifference value,and introduces voltage adjustment coefficient.On this basis,it is combined with the beat-freecontrol.This closed-loop control strategy adjusts the output waveform by using the midpoint potential differenceand the inverter three-phase current output value as the feedback to suppress the midpoint potential.Simulationresults show that the proposed method can stil maintain the balance of the midpoint potential on the DC sidewhen the three-level inverter modulation system is high,which proves the correctness and effectiveness of thecontrol strategy.Key words:three-level inverter;midpoint potential;beat free control;adjustment coefficient and balancefactor;virtual space vector pulse width modulation(VSVPWM)收稿日期：2 0 2 2-0 7-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（5147 40 6 9）作者简介：付光杰（19 6 2 一），女，吉林通化人，东北石油大学教授，博士生导师，主要从事电力电子技术应用、电机调速控制技术和电力系统节能技术等研究，（Tel)86-13936780179（E-ma i l)f g j mh w 16 3.c o m。第41卷吉林大学学报（信息科学版）4180引言两电平逆变器性能存在器件电压应力大、电压变化率大、共模干扰比较大、谐波含量较高等缺点。NPC(Neutral-Point-Clamped）三电平逆变器相比于前者电压变化率较小，共模干扰也比较小，输出的电压波形与标准的正弦波几乎一致，且波形谐波含量低，因此目前在中高压的场合下和功率较大的环境下普遍采用NPC三电平逆变器13。但NPC三电平逆变器在实际运行中会因为电路存在非理想因素出现一系列问题，其中中点电压波动和共模电压干扰的问题尤为突出，易造成器件的损坏，影响整个系统的工作。针对中点电压波动问题，国外学者基于SVPWM（Sp a t i a l Ve c t o r Pu l s e Wi d t h M o d u l a t i o n）的方法优化了控制策略，提出了多种改进型SVPWM46。付光杰等7 ，王春民等8 和石文启9 的研究表明，电机控制系统的可靠性与合理正确设计脉宽调制控制系统相关，优化的SVPWM应用在电机控制方面具有一定的优越性。李萍等10 和张华赢等1 采用调整基本矢量中的正负小矢量作用时间的策略，仿真结果表明该方法可有效抑制中点电压的波动，但在调制度较高的场合下，不可能在同一位置同时出现正负小矢量作用的情况，影响了该策略对于中点电位不平衡的抑制。文献12-18 研究表明，由于电路存在非理想因素，影响了三电平逆变器中点电位的平衡，并研究VSVPWM（V i r t u a l Sp a c e V e c t o r Pu l s e Wi d t hModulation)方法，在全调制度范围内该方法对电容电压不平衡的问题也是有效的。笔者提出了一种基于优化的VSVPWM的中点电位控制策略，该方法根据检测直流侧的中点电流大小和方向，引人平衡因子和电压调差系数，对不同的小矢量设置不同的平衡因子，以增加基本矢量中的正或负小矢量控制中点电位的能力。预测控制在电力电子领域具有广泛应用，无差拍控制正是其中的一种19-0。笔者根据检测到的中点电位的偏差，结合无差拍控制与优化空间矢量脉宽调制，提出一种混合控制方法，最后通过仿真对上述混合控制方法进行分析。1NPC三电平逆变器主电路与传统VSVPWM1.1NPC三电平逆变器主电路三电平逆变器主电路的拓扑结构如图1所示。SSalSS本a2LRV本dcnp0本CSSc3SSha4c4图1三电平NPC逆变器主拓扑图Fig.1Main topology diagram of a three-level NPC inverter图1中a、b、c 是三相桥臂，其共有12 个功率开关管，每相4个。以a相桥臂为例，Sal、S打开Sa、Sa 4关断，电压为Vde/2，该状态定义为P。Sa z、Sa 打开Sal、Sa4关断，电压为0，该状态定义为O。Sa、Sa 4打开Sal、Sa 关断，电压为-Vde/2，该状态定义为N。NPC三电平逆变器有a、b、c 3相，每相有3种开关状态对应输出3种电平状态，分别为P、O 和N。则a、b、c 3相共有2 7 种开关状态，2 7 个基本空间电压矢量对应了这2 7 种开关状态。图2 是NPC三电平逆变器的空间电压矢量图，在坐标系下，矢量图分为NPNAOPNPPN655643II/NPOOPO/PPOPONNONXOON14214265NPPOPP2PPP/POOPNNNOO1QOQ2ONN53N624124OOPIVNOPNNOONOPNGVI346556NNPVONPPNPVV图2空间电压矢量图Fig.2Space voltage vector diagram三电平NPC逆变器控制策略付光杰，：基于优化的VSVPWM第3 期4196个大扇区，即大扇区16。在图2 中，将2 7 个基本空间电压矢量依据其幅值的大小，可分为大矢量、零矢量、中矢量和小矢量4类，其中小矢量又可分为两种，分别为正小矢量和负小矢量。以负小矢量POO进行分析，a相流过的电流不经过中点，b相和c相流过中点的电流分别为i和i，因此负小矢量POO作用下流过中点的电流就是b相和c相的电流之和即-ia。同理，可得到其余2 6 个基本电压矢量与流过中点电流的对应关系，基本空间矢量对应的中点电流如表1所示。表1基本空间矢量对应的中点电流Tab.1Midpoint current corresponding to basic space vector零矢量负小矢量正小矢量中失量大矢量PPP(0)POO(-i.)ONN(ia)PON(ib)PNN(O)000(0)OON(-i)PPO(i)OPN(i.)PPN(O)NNN(O)OPO(-i)NON(ib)NPO(i。)NPN(O)NOO(-i.)OPP(i)NOP(ib)NPP(O)OOP(-i。)NNO(i)ONP(i.)NNP(O)ONO(-i)POP(i)PNO(i。)PNP(O)由表1可看出，对中点电位无影响的是零矢量和大矢量，其作用时不会有电流流过中点；对中点电位有影响的是小矢量和中矢量，其作用时会有电流流过中点且大小不为零。同一对的负小矢量和正小矢量作用形成的电流大小相等，方向相反，不同对的负小矢量和正小矢量作用形成的电流方向相反1.2传统虚拟空间矢量脉宽调制空间矢量脉宽调制采用7 段式分配，对中矢量采用两个小矢量和一个中矢量的组合，同样实现了流过中点的电流为零的目标。但在调制度较大时，不能完全保证流过中点的电流为零。空间矢量脉宽调制可与其他控制组合构成复合控制，有效控制逆变器的中点电位。空间矢量脉宽调制基本原理与虚拟空间矢量脉宽调制原理及各个部分计算基本相同，因此不做过多阐述。传统的虚拟空间矢量脉宽调制的原理是重新组合基本矢量中的正负小矢量、中矢量、零矢量和大矢量，4种矢量按要求组合成一个新矢量，在一个开关周期内在该重组矢量的作用下流过中点的电流为零，从而抑制中点电位的波动。改进型虚拟空间矢量（NT V：Ne a r e s t T h r e e Vi r t u a l Ve c t o r s）的小扇区划分如图3所示。传统的VSVPWM调制策略中，虚拟矢量的合成为VL,(PPN)V4S25VM213V.(PNN)IV,(000)VS1图3传统NTV法的空间量图Fig.3Spatial vector diagram of thetraditional NTV?methodVL=VPN,Vi2=VPN,(VonN+Vro+Vro),V一3(1)(VoN+Vroo),S12一(VooN+Vpro),V2Vz=V0000在传统虚拟矢量合成方法中，大矢量和小矢量仍为原矢量，而将原来各自边上的两个小量合成为一个矢量，这样因流过两个小矢量的电流大小相等而相位相反，流过中点的电流为零。该方法实现了流过中点的电流为零的目标，但在实际的电路系统中，三相电流完全对称的情况几乎不存在。所以，在一个控制周期内，会有中点电位差偏大的现象存在。行重电感控不420吉林大学报（信息科学版）第41卷2优化VSVPWM与无差拍控制优化的VSVPWM与无差拍控制形成混合控制策略，可对三电平逆变器中点电位精确控制。该闭王制策略通过中点电位差值与逆变器三相电流输出值作为反馈量调整输出波形，抑制中点电位2.1无差拍控制预测控制在电力电子领域中有着广泛的应用，无差拍控制正是其中一种，无差拍控制可解决电路控制系统延时问题。加人无差拍控制，可预测控制量的变化，减小延时导致的误差，针对本文的电路系统，其输出端的公式如下：di。D。=WLCRi.+L(2)+Vdt其中。为输出相电压，U为N点电位，W为角速度，i。为电感电流，R为负载为电阻值，L为负载为值。式(2)离散化后，可得：di.(k)v。(k)=WLCRi.(k)+L+U(k),(3)dtdi.(k)i(k+1)-i。(k)(4)dtT,其中T，为采样周期，i。u n 在k时刻的采样值分别为。（）、i。（k）、U（k），i（+1）为i。在+1时刻的采样值。当采样频率较高时，可认为N点电压不变，则有所以最终有Un(k+1)UN(k)。(5)TW?LCRT,i。(h +1)v。(k)-U n(k)+(i。(k),(6)SLLTW?LCRT,i(k+2)v(k+1)-Un(k)+i。(k +1)。(7)LL2.2VSVPWM策略的优化能使中点电流为零，所以对虚拟空间矢量进行同矢量脉宽调制并不能使中点电流为零，所以又基于上述的传统虚拟空间矢量脉宽调制并不能新构造，以第一大扇区为列，小扇区的划分如图4所示。为简化计算，采用g-h坐标系。在此基础上引人平衡因子和调差系数，以达到VSVPWM策略的优化。2.2.1小扇区的划分基于中点电位不平衡时，电流的方向可能从中点流出，又可能从中点流人，为此仅分析给出9 0 的情况，而q0的情况完全相同。9 为调差系数。2.2.2调差系数VL2L2V7refL448VL6M2L33156gVVSIL5VL1图4优化的NTV法的空间矢量图Fig.4Optimized NTv?space vector graph以第1扇区的矢量为例，中点电位平衡时，每个矢量的大小和方向都不会改变，但当中点电位不平衡时，负小矢量POO变为(1+q)POO，正小矢量ONN变为（1-q)ONN，因此中点电位不平衡仅影响小矢量大小，不影响其方向。中矢量PON变为（PONq NO N），中点电位不平衡时矢量的大小和方向都会发生变化。零矢量和大矢量不受中点电位不平衡的影响。调差系数V一Vc2(8)Vd其中Vd.为直流侧电压，V和V分别为上下电容电压。虚拟矢量的重构与合成为为点行中付光杰，等：基于优化的VSVPWM电平NPC逆变器控制策略第3期421VL=VPNN，Vi2=VPPN，VM=一(VOoN+VroN+Vro),31VroN+VOoPN+VenNo),VVM13(9)1(VOoN+Vroo),VS12(VooN+Vrpo),V2Vz=V0000在调制度较低时，采用的虚拟中矢量为VM，而在调制度较高时采用的虚拟中矢量为VMl2.2.3平衡因子以第一大扇区第1小扇区为例，当参考矢量落在该区域时，引人平衡因子k，与作用时间组合平衡点电位的大小，具体如表2 所示。表2开关序列和作用时间Tab.2Switch sequence and action time序号开关序列作用时间序号开关序列作用时间1PPO1/4(1+k)Ts26OON1/4(1-k)T,s22POO1/4(1+k)TsI70001/2Tz30001/2Tz8POO1/4(1+k)Tst4OON1/4(1 k)Ts29PPO1/4(1+k)Ts25ONN1/2(1-k)Ts1I2.2.4虚拟量作用时间与开关序列确定为8 个小扇区，图4中的6 条直线L-L的表达式空间矢量大扇区1被划分为8 个小扇区，图4中的优化后的虚拟空间矢量大扇区1被划分为8 个）LI:Vg-Vh=O,L2:2Vg+Vh=2,L3:Vg+2Vh=2,L4:V,+Vh=2,(10)VM,L:1.5M,-1+V.=1.5M,-1gLL:1.5(M,-1)V,+Vh=M2,其中M,=1+kq,M,=1-kq如图4所示，当参考量落在第8 小扇区时，根据伏秒平衡原理，在一个周期内，参考电压矢量可由3个最近的虚拟矢量在一定的时间内合成的原理进行分析，则有VrerT,=VLTL+V,Tr2+V,To,(11)Tu+Tr2+T。=T s,其中V、Vi 2、Vz 为虚拟矢量，T、T r z、T。为虚拟矢量作用时间，两者一一对应，T,为采样周期。所以电压矢量的作用时间为T,=T.Vg+O.5T.Vh-T,T,=O.5T,Vg+T,Vh-T,(12)LT,=3T,-1.5T,Vh-1.5T,V参考式（12)步骤，在第一大扇区中，可得参考矢量在8 个小扇区的作用时间，如表3所示，发波顺序如表4所示。其余大扇区作用时间及发波顺序，可采用旋转变化得到，不做过多阐述。第41卷吉林大学报（信息科学版）422表3大扇区1矢量作用时间Tab.3Action time of vector in large sector 1小扇区TT,T1T.VT.VhT,-T,-T,2T,(Vh-V)/M21.5T,VgT,-T,-T232T,-2T,Vg-2T,Vh3T,V,+3T,Vh-3T,T,-T,-T242T,-2T,Vg-2T,Vh3T,Vg+3T,Vh-3T,T,-T,-T25T,(Vg-Vh)/M)1.5T,VhT,-T,-T,6T,V,+2T,Vh-2T,/(M,-2)1.5T,VhT,-T,-T272T,-2T,Vg-T,Vh1.5T,VT,-T,-T28T,Vg+0.5T,Vh-T,0.5T,V,+T,Vh-T,T,-T,-T,表4大扇区1开关序列Tab.4 Large sector 1 switch sequence小扇区开关序列小扇区开关序列1PPO-POO-OOO-OON-ONN-OON-OOO-POO-PPO5PPO-POO-PON-ONN-NNN-ONN-PON-POO-PPO2PPO-PON-OON-ONN-NNN-ONN-OON-PON-PPO6PPO-POO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO-PPO3PPO-POO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO-PPO7PPO-PPN-PON-OON-ONN-OON-PON-PPN-PPO4PPO-POO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO-PPO8PNO-PNN-PON-PPN-OPN-PPN-PON-PNN-PNO3仿真分析优化的控制策略原理图如图5所示。在Matlab/Simulink中建立了所提出的优化SVPWM与VSVPWM闭环控制策略系统模型。仿真所带负载是三相对称的，主要仿真参数的设置如下：L=15mH，R=10 Q，Vde=600V，C,=C=4.7mF，载波频率f.=10kHz，基波频率f=50Hz，设置两个调制度分别为m=0.866,m=0.95。三电平逆变器主电路电压矢量顺序与扇区判断电压矢量重构PWM波作用时间计算平衡因子k与调查系数q反馈的中点电位差参考电压V与调制度m实际中电位差三相标准电压三相输入电压无差拍控制三相电流图5闭环控制策略原理图Fig.5Schematic diagram of closed loop control strategy调制度为0.8 6 6 时仿真结果如图6 图9 所示。6342200-6200.050.100.150.2000.040.080.120.160.20t/st/sa传统SVPWM线电压b中点电位差图6 个传统SVPWM仿真结果Fig.6Simulation results of traditional SVPWM电平NPC逆变器控制策略付光杰，等：基于优化的VSVPWM423第3期264242-600.050.100.150.2000.10.20.30.40.5t/st/sa优化后SVPWM线电压b中点电位差图7优化的SVPWM仿真结果Fig.7Optimized SVPWM simulation results从图6 a可看出，采用传统SVPWM时可输出稳定的线电压，图6 b所示中点的电位波动约为+3-1V，由图7 b可看出，优化的SVPWM中点电位的波动约在+1.5-1.5V，且图7 a表明优化的SVPWM可以输出稳定的线电压Fundamental(50 Hz)=55.22 A,THD=1.09%12364V/审联三822%/AHL2-4-600.10.20.30.40.500.20.40.60.81.005101520t/st/s谐波阶次a相电流b中电位c相电流FFT分析图8传统VSVPWM仿真结果Fig.8Simulation results of traditional VSVPWM从图8 a可看出，采用传统VSVPWM稳定后可以输出稳定的三相电流，电流幅值大小约为40 A。图8 b表明此时的中点电位波动在12 V左右，图8 c为相电流快速傅氏变换分析（FFT：Fa s t Fo u rTransformation），可以看出此时相电流的电流总谐波畸变率（THD：T o t a l H a r mo n i c D i s t o r t i o n）为1.0 9%。从图9 b可看出，采用平衡因子、调差系数和无差拍控制的VSVPWM时中点的电位波动在1.5V左右，图9 a表明采用该方法控制下的VSVPWM输出稳定的三相电流，幅值约为40 A。从图9 d可看出采用平衡因子和调差系数的VSVPWM中点电位波动在-0.2 0.5V左右，且图9 c表明采用该方法控制下的VSVPWM输出稳定的三相电流，幅值约为50 A。图9 e表明采用平衡因子、调差系数和无差拍控制时相电流的THD为2.54%。图9 f表明采用平衡因子、调差系数时相电流的THD为0.6 4%，与图8 c对照可知，相对传统VSVPWM方法相电流THD低一些。调制度为0.9 5时，平衡因子和调差系数控制下的中电位差为-2 4V（见图10 a），而平衡因子、调差系数和无差拍的中电位差为2.5V左右（见图10 b）6040V/审联三200-20-40-6000.10.20.30.40.5t/sa平衡因子+调差系数+无差拍的相电流1.00.50-0.5-1.0-1.500.10.20.30.40.5t/sb平衡因子+调差系数+无差拍的中电位差424第41卷吉林大学报（信息科学版）500.5-0.5-50-1.000.10.20.30.40.500.10.20.30.40.5t/st/sc平衡因子+调差系数的相电流d平衡因子+调差系数的中电位差Fundamental(50 Hz)=38.94 A,THD=2.54%Fundamental(50 Hz)=50.12 A,THD=0.64%3.03.02.52.52.02.0%/QHL%/CHL1.51.51.0LLL1.0山0.50.5山00048121620048121620谐波阶次谐波阶次e平衡因子+调差系数+无差拍的相电流FFT分析f平衡因子+调差系数的相电流FFT分析图9调制度为0.8 6 6 时优化控制策略仿真结果Fig.9Simulation results of optimal control strategy when the regulation system is 0.8668-26442-800.10.20.30.40.500.10.20.30.40.5t/st/sa平衡因子+调差系数的中电位差b平衡因子+调差系数+无差拍的中电位差图10调制度为0.9 5时优化控制策略仿真结果Fig.10Simulation results of optimal control strategy when the regulation system is 0.95仿真结果表明平衡因子、调差系数和无差拍控制方式下与平衡因子和调差系数控制方式下的VSVPWM都可对中点电位进行有效控制，证明了优化VSVPWM方法的有效性。而在调制度特别高的场合宜采用平衡因子、调差系数和无差拍控制三者结合的控制方法。4结语笔者以三电平逆变器为研究对象，针对传统的SVPWM和VSVPWM并不能完全使中点电位平衡问题提出了采用调差系数和平衡因子与无差拍控制结合的方法控制中点电位，该闭环控制策略可通过反馈值即中点电位差值和三相电流实时调整逆变器输出值的大小，从而对逆变器中点电位精确补偿和控制，同时引人g-h坐标系简化了计算。通过仿真可知，采用调差系数和平衡因子与无差拍控制结合的方法对解决传统的SVPWM和VSVPWM中点电位不平衡的问题是有效和准确的，尤其当调制度较高时，该闭环控制策略的效果更加明显，输出的波形相对于传统算法更加平缓，而且输出波形的畸变率小，器件开关损耗小，因此该策略提升了逆变器的整体性能。电平NPC逆变器控制策略付光杰，全手：基于优化的VSVPWM第3 期425参考文献：1 许春雨，刘梅三电平逆变器中点电位平衡控制的研究J电气传动，2 0 13，43（2）：40 43.XU C Y,LIU M.Research on Midpoint Potential Balance Control of Three-Level Inverter J.Electric Drive,2013,43(2):40-43.2】范波，谢冬冬，赵伟刚.基于VSVPWM的三电平中点电位补偿平衡控制J.电气传动，2 0 14，44(7：38 43.FAN B,XIE D D,ZHAO W G.Three-Level Midpoint Compensated Balance Control Based on VSVPWM J.Electric Drive,2014,44(7):3843.3 JCHOI UI-MIN,LEE JUNE-SEOK.Comparative Evaluation of Lifetime of Three-Level Inverters in Grid-Connected PhotovoltaicSystemsJ.Energies,2020,13(5):1227-1240.4 JMOHZANI Z,MCGRATH B P,HOLMES 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