三电平逆变器直流侧电容电压平衡问题
电子教材-基于开关状态的三电平逆变器中点电压平衡方法
基于开关状态的三电平逆变器中点电压平衡方法*徐超稿件ID号：200702161014069509（广东交通职业技术学院 广东广州 510800）摘要：为了解决三电平逆变器中点不平衡问题，文章采用了从中点提取电流方向信号、选择不同的开关状态抑制中点电流继续流出或流入的方法，使三电平中点电压的波动维持在许可的范围内，负载电流也更接近正弦波，并且具有较好的鲁棒性。
关键词：逆变器；中点；电压；平衡中图分类号：TP273 TM711 文献标识吗：AMethod of Balance The Neutral-Point for Three-levelConverter By Switch FettleXU Chao(GuangDong Communications Polytechnic , GuangDong GuangZhou 510800) Abstract: In order to solve the problem about imbalance in Neutral-Point voltage of Three-level converter，the direction of current signal were gather in it’s midpoint, and switch state were selected to restrain current which is in and out ,the voltage is maintained in permissive bound, the load current is like sine wave too, and it have better robust as well.Keyword: converter ; midpoint; voltage; balance1.前言多电平逆变器是由日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出，又称中点箝位式（Neutral Point Clamped）逆变器。
三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真_陶生桂
收稿日期:2004-02-24作者简介:陶生桂(1940-),男,江苏常熟人,教授,博士生导师.E 2mail :hb9139@三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真陶生桂,龚熙国,袁登科(同济大学沪西校区电气工程系,上海 200331)摘要:多电平逆变器在中高压大功率场合得到了广泛的研究和应用.二极管中点箝位三电平逆变器是一种简单实用的多电平逆变器,但是三电平逆变器直流侧中点电位偏移问题影响着逆变器及其电机调速系统的可靠性.为此提出了一种用于三电平逆变器中点电位平衡的硬件电路,详细介绍了其工作原理以及参数设定,并用Matlab/Simulink 仿真工具对系统进行了研究,给出了较好的仿真结果.关键词:三电平逆变器;中点电位平衡;二极管箝位中图分类号:TM 464 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2005)03-0395-05Design and Simulation of Novel Circuit for Neutral 2PointVoltage Balance in Three 2Level InverterTA O S heng 2gui ,GON G Xi 2guo ,Y UA N Deng 2ke(Department of Electrical Engineering ,Tongji University West Campus ,Shanghai 200331,China )Abstract :The multilevel inverter has been studied and used widely in high power applications for medium or high voltage.Diode 2clamped three 2level inverter is a simple and practical kind of inverter.But the deviation of neutral point voltage is one of the key aspects that affects the reliability of the three 2level inverter and its electric drive system.This paper presents a novel circuit for neutral 2point voltage balance in the three 2level inverter.The operation principle and parameters setting are analyzed in detail.Simulation results based on Matlab/Simulink are supplied to confirm the validity of the pro 2posed circuit.Key words :three 2level inverter ;neutral 2point voltage balancing ;diode 2clamped 近几年来,多电平逆变器成为人们研究的热点课题.三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路.三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较,主要优点是:器件具有2倍的正向阻断电压能力,并能减少谐波和降低开关频率,从而使系统损耗减小,使低压开关器件可以应用于高压变换器中[1].但是三电平逆变器控制策略复杂,并要考虑中点电位平衡的问题.若逆变器直流母线上串联的2个电容的中点电压出现偏移,将引起三电平逆变器输出电压波形发生畸变而增大谐波及损耗[2].抑制三电平逆变器中点电位偏移的方法有硬件和软件两类.从软件出发将会增加控制的复杂性.笔者提出了一种抑制三电平逆变器中点电位偏移的硬件电路的实现方法.详细介绍了其工作原理和电路设计,第33卷第3期2005年3月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.33No.3 Mar.2005并用美国MA TH Works 公司推出的交互式仿真软件Matlab/Simulink 进行了研究,给出了较好的仿真结果.1 三电平逆变器及中点电位偏移原理 三电平逆变器主电路结构如图1所示.其中V X1～V X4分别为X (X =A ,B ,C )相上的电力电子器件———绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor ,IG B T );D X1～D X4为与其反并联的续流二极管;D X5,D X6为相应各相的箝位二极管;P ,N 为直流侧正、负电压母线;O 为中性点;C 1,C 2为直流侧的分压电容;U A ～U C 为逆变器的三相输出电压;U dc 为直流侧电压;i C1和i C2分别为流经C 1和C 2的电流;i NP 为流经中性点的电流.以X 相为例说明三电平逆变器的工作原理为:V X1和V X2导通时X 相输出正电平;V X3和V X4导通时,X 相输出负电平;V X2和V X3导通时,X 相输出零电平.因此,逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有三种取值的可能,这正是三电平逆变器名称的由来.图1 绝缘栅双极型晶体管IGBT 三电平逆变器主电路原理图Fig.1 Main circuit schem atic of insulated gate bipolartransistor three 2level inverter 三电平逆变器运行中会存在一个问题,即中点电位偏移,这是由于在直流侧中性点存在着流入或流出的中点电流i NP ,如图1所示.当某一相上输出为零电压时(V X2,V X3管导通),中点电流使得直流侧电容分压产生失衡:当i NP 流出中点时,对C 1充电;当i NP 流入中点时,对C 2充电,若C 1,C 2的充放电过程不均衡,则中点电位就要发生偏移.由此可见,i C1≠i C2或i NP ≠0是产生中点电位偏移的必要条件,而零电压在此过程中起了重要影响.2 中点电位平衡电路设计及其工作原理笔者提出的中点电位平衡电路的主电路如图2所示.电路中T 1,T 2,T 3为IG B T 管,D 1,D 2为续流二极管,L 1,L 2为储能电感,C 1,C 2为分压电容.与普通抑制电路相比,该电路增加了一个IG B T 管T 3,通过控制T 3管的导通与关断,可以抑制直流侧电压U dc 不变情况下C 1,C 2端的电压变化,即使U dc 降低,该电路也能有效抑制中点电位的偏移.图2 中点电位平衡电路主电路Fig.2 Main circuit schem atic of the neutral 2pointvoltage b alancing2.1 U dc 保持不变情形下的中点电位的平衡若U dc 保持不变,则U dc =U C1+U C2为常数,U C1增加必然导致U C2下降,同样U C1下降必然使U C2增加,因此可以通过调整直流侧两个分立电容的电压来平衡中点电位.为实现这一目标,使T 3始终处于导通状态,此时的等效电路如图3所示.图3 T 3导通时的等效电路图Fig.3 Equivalent circuit when T 3turns on 这一电路由Boost 和Buck 变换器组成.T 1,D 1,L 1和C 2构成Buck 变换器;T 2,D 2,L 2和C 1构成Boost 变换器.电路的工作模式相应地分为Buck 变换模式和Boost 变换模式.这两种变换模式的工作状态应当互补.当U C1>U C2时,Buck 变换电路(T 1,D 1,L 1,C 2)开始工作,与此同时,Boost 变换电路停止工作.Buck 变换模式中,是通过调整C 2两端的电压实现抑制中点电位偏移的.当T 1导通时,一方面在U dc 作用下,电流流经T 1,L 1,C 2,另一方面693 同济大学学报(自然科学版)第33卷 电容C 1上的电压U C1经T 1与L 1构成回路,均使电感L 1储能;当T 1关断时,经C 2,D 1,L 1的回路将储存在L 1中的电能转换到C 2中,电容C 2充电,其上电压增大,直到C 1与C 2上的电压平衡.当U C2>U C1时,Buck 变换器不再工作,Boost 变换电路开始工作.由于U C2>U C1,C 2中的能量将间接转移到C 1中.当T 2导通时,一方面C 2上的电压U C2经L 2,T 2放电,能量存储在L 2中,另一方面U dc 经C 1和C 2重新分配电压;当T 2关断时,二极管D 2导通,存储在L 2中的能量通过D 2转移到C 1中.这样,在Boost 变换模式中,通过调整C 1两端的电压就可以抑制中点电位的偏移,直到U C1=U C2.2.2 直流侧电压U dc 降低情形下的中点电位的平衡当输入电源发生脉动导致U dc 减小至低于电压保护设定值时,图2所示电路中的T 3管关断,此时的等效电路如图4所示.Boost 和Buck 变换器同时工作,不仅使C 1,C 2上的电压平衡,而且使它们的电压之和等于所设定的U dc 值.Buck 变换器调整电容C 2两端的电压.T 1导通时,从U dc 流出的电流流经T 1,L 1,C 2,使L 1储能;T 1关断时,L 1中的能量转换到C 2中.与此同时,Boost 变换器将能量从C 2转换到C 1中,调整C 1两端的电压,其工作过程与上述Boost 变换模式相同.图4 T 3关断时的等效电路图Fig.4 Equivalent circuit when T 3turns off3 电路参数的设计3.1 开关功率管的设计文献[3]中已经证明:中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流.笔者提出的平衡电路,中点电流最大值出现在T 1导通、储能电感L 1中电流线性增加过程中或出现在T 2导通、电流流经C 2对L 2储能的过程中.因此即使在中点电位偏移最大情形即中点电流最大时,流经T 1,T 2的电流应当与流过三电平逆变器中开关器件的电流值是相等的.另外不难看出,T 1,T 2的耐压值应当是三电平逆变器中开关器件耐压值的2倍.3.2 分压电容的设计每个分压电容承受直流侧电压的一半,因此对电容要求应当是电容的内压大于U dc /2的电解电容.为简单起见,完全可以将C 1,C 2设计为标称值相等的电容C ,由三电平逆变器的工作过程容易推出电容C 的计算公式为C =I NP max2ωNP U NPR(1)式中:I NP max 为流经中点的电流最大值;ωNP 为中点电位波动频率;U NPR 为中点电压变化的最大值.若设三电平逆变器三相输出电压电流的相位角为θ、调制深度为M 、输出角频率为ω、输出电流有效值为I ,则中点电位的偏移值U NP 可以计算出来,中点电压变化的最大值U NPR 也就很容易确定了.前已叙述,中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流,因此流经中点的电流最大值I NP max 为I NP max =2I(2)一般说,中点电位波动频率ωNP 为逆变器输出频率ω的3倍,即ωNP =3ω(3)结合式(1),(2),(3),容易计算出电容C 的内压.可以看出:电容的大小不仅与中点电流的最大值有关,还与中点电压波纹大小及中点电压频率有关.3.3 储能电感的设计在Buck 变换模式中,流过储能电感L 1的电流不能发生突变,只能近似线性地上升或下降.设开关周期为T ,开关管T 1导通时间为t on ,截止时间为t off ,占空比为k =t on /T .在开关管T 1导通时,忽略其饱和导通管压降,则L 1两端电压为U L1=U dc -U C2(4)又U L1=L 1ΔI L1max /t on (5)式中:ΔI L1max 为T 1导通期间储能电感L 1中流过电流增加量的最大值.由式(1),(2)可解得L 1=U L1t on /ΔI L1max =(U dc -U C2)t on /ΔI L1max(6)T 1关断时,U C2=L 1ΔI ′L1max /t off(7)式中:ΔI ′L1max 为T 1关断期间L 1中流过电流减小量的最大值.由ΔI L1max =ΔI ′L1max ,可得793 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真U C2=kU dc (8)将式(5)代入式(3)得L 1=1-kkU C2t on ΔI L1max =(U dc -U C2)U C2T/U dc ΔI L1max =(U dc -U C1)U C1T/U dc ΔI L1max(9) 在Boost 变换模式中,根据同样的道理.可得L 2的计算公式.为方便起见,同样可以将L 1,L 2设计为相同标称值的电感.3.4 开关频率及占空比的设计平衡电路的开关频率不能低于逆变器主电路开关频率,否则抑制中点电位偏移的效果将不明显.但是若平衡电路开关频率过高,则不仅使器件损耗增大,而且还会对主电路产生不利影响,干扰主电路的正常工作.一般取平衡电路的开关频率为逆变器主电路开关频率的2～4倍.占空比的设计应当满足使得在T 1动作的Buck 模式中,储能电感L 1中的能量完全转换到C 1中;在T 2动作的Boost 模式中,L 2中的能量完全转换到C 1中,因此占空比一般可以设计为40%～60%.4 建模仿真及其分析笔者在Matlab/Simulink 环境下建立了系统仿真模型,其中主要包括三电平逆变器和中点电位平衡电路的数字化仿真模型,分别如图5a 和b 所示.仿真模型中引入了时钟(Clock )、正弦波(Sin Wave )等信号源模块以及增益(K )、积分运算1/s 和微分d u /d t 等运算模块.数字仿真模型更多地使用了数字逻辑模块,完成诸如或(OR )、非(NO T )和异或(NOR )等逻辑运算.>=模块是一个关系运算模块,Selector 为一个选路器模块,eps 模块是一个设定值误差.大量复杂的运算是通过函数计算模块(Fcn )来完成的.在图a 中,由信号源组合产生的控制信号通过一系列函数运算最终输出三电平逆变器的三相电压U A ,U B ,U C .在图b 中,输入为中性点电流和开关控制信号Sw1,Sw2,输出为U C1,U C2. 仿真参数为:三电平逆变器直流侧输入电压为530V ,输出频率为10Hz ,采用双三角波(SPWM )调制.控制电路中分压电容值为3300μF ,储能电感值为3mH ,开关频率为2kHz ,占空比为50%.三相对称负载等效为5Ω的纯阻性负载.图6给出了仿真波形.从仿真结果来看,应用该硬件电路来抑制2个串联电容中点电位偏移,能获得良好的效果.5 结论(1)在多电平逆变器中,该方案为电容电压分配均匀提供了很好的参考方案.(2)对低电压系统的性能改进是可加以考虑的方案,对高压大容量场合,要从系统出发,仔细核算其性价比.893 同济大学学报(自然科学版)第33卷 图5 基于Matlab/Simulink 的仿真模型Fig.5 Simulation models b ased on Matlab/Simulink图6 仿真波形Fig.6 Simulation w aveforms参考文献:[1] Jouanne A ,Shaoan Dai ,Haoran Zhang.A multilevel inverter ap 2proach providing DC 2link balancing ,ride 2through enhanment ,and common 2mode voltage elimination [J ].IEEE Transactions on In 2dustrial Electronics ,2002,8(4):739-745.[2] 邵丙衡.电力电子技术[M ].北京:中国铁道出版社,1997. SHAO Bing 2heng.Power electronics technology[M ].Beijing :Chi 2nese Railway Publication ,1997.[3] Pressman A I.Switching power supply design [M ].New Y ork :Mc Graw 2Hill ,1998.(编辑:杨家琪)993 第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真。
三电平逆变器缓冲电路内外电压不平衡分析及改进
第10卷 第2期2006年3月电 机 与 控 制 学 报EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROLVol 110No 12March 2006三电平逆变器缓冲电路内外电压不平衡分析及改进陈扬飞, 何礼高(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)摘 要:针对三电平逆变器RCD 缓冲电路在相邻开关状态之间转换时所发生的两种电压不平衡现象,进行了深入详细地分析,研究了产生电压不平衡的机理,并依据电路基本定律,推导了两种不平衡电压的计算公式。
在此基础上,提出了一种简单的能使电压平衡的办法,并进行了仿真验证。
结果表明性能良好。
关键词:三电平逆变器;缓冲电路;分布电感中图分类号:T M133文献标识码:A文章编号:1007-449X (2006)02-0182-05Analysis on unbal ance volt ages between i n ner and outer s nubber ci rcuitsand i m prove ment of three 2level i n verterCHEN Yang 2fei, HE L i 2gao(College of Aut omati on Engineering,Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing 210016,China )Abstract:This paper analyzes t w o unbalance voltages which happen bet w een the transf or mati on of nearby s witching states in RCD snubber circuits of three 2level inverter .The reas on f or the unbalance voltage is studied and the f or mulas t o calculate the t w o unbalance voltages are given in this paper .A way of s olving the unbalance is als o p resented .A t last the veracity of what have menti oned above is si m ulated by elec 2tr onic s oft w are .The result shows that the s oluti on is effective .Key words:three 2level inverter;snubber circuit;parasitic inductance收稿日期:2005-04-10;修订日期:2005-07-23作者简介:陈扬飞(1981-),男,硕士研究生,研究方向为大功率交流变频调速;何礼高(1951-),男,高级工程师、硕士生导师,研究方向电机控制与电源变换技术。
三电平逆变器中点电位平衡控制研究毕业论文副本.
攀枝花学院本科毕业设计（论文）三电平逆变器中点电位平衡控制研究学生姓名：学生学号：201210502052院（系）：电气信息工程学院年级专业：12级电气工程及自动化指导教师：二〇一六年五月摘要中点钳位型三电平逆变器是众多三电平逆变器拓扑结构中，电路结构简单、易于实现数字化调制的，但是由于其拓扑结构的特点难免会出现中点电位不平衡的现象。
该现象导致逆变器输出波形的谐波含量增加，甚至产生畸变，影响逆变器系统的安全可靠运行，因此，必须对中点钳位型三电平逆变器的中点电位进行控制。
本文主要采用的是空间矢量PWM控制方法，分析了空间矢量调制的基本原理，推算出各个区域各个小三角形的判断规则，并根据参考矢量落在某区域某小三角形内来计算出各个合成电压矢量的作用时间以及矢量优化方法。
然后再基于中点钳位型三电平逆变器中点电位不平衡的原因，提出中点电位调制算法。
最后在MATLAB/Simulink仿真平台上对中点电位平衡控制进行仿真并验证该控制方案的正确性和可行性。
关键词三电平逆变器，中点钳位，中点电位，空间矢量ABSTRACTNPC three-level inverter has more simple circuit structure and is easier to achieve modulation among many kinds of three-level inverter topology. However, because of the characteristics of its topology, the problem of neutral-point unbalance may occur, which will cause a higher harmonic content in the waveform of inverter, even distortion affecting the stable operation of inverter system. For this reason, we have to control the neutral point of NPC three-level inverter.The thesis analyzes the basic principle of vector modulation technique and calculates the judgment of triangles in every area. And according to vector in some triangle, the functioning time of the synthesizing voltage vectors and the optimizing way of the vectors can be calculated. After that, the neutral-point modulation algorithms can be put forward on the basic of the reasons of the unbalanced neutral-point of NPC three-level inverter. Lastly, the balanced control of neutral-point will be simulated and proved in MATLAB/Simulink.Key words Three-level inverter, Neutral Point Clamped, Midpoint potential, Space Vector目录摘要 (I)ABSTRACT..................................................................................................................... I I1 前言 (4)2 三电平逆变器的拓扑结构及其工作原理 (6)2.1引言62.2飞跨电容型三电平逆变器 (6)2.2.1拓扑结构及工作原理 (6)2.2.2飞跨电容型三电平逆变器的特点 (8)2.3级联型三电平逆变器 (8)2.3.1拓扑结构及工作原理 (8)2.3.2级联型三电平逆变器特点 (9)2.4中点钳位型三电平逆变器 (9)2.4.1拓扑结构及工作原理 (9)2.4.2 NPC三电平逆变器的特点 (10)2.5本章小结 (10)3 NPC三电平逆变器SVPWM控制方法研究 (12)3.1引言 (12)3.2 NPC三电平逆变器空间电压矢量 (12)3.3 NPC三电平逆变器空间电压矢量PWM的传统算法 (14)3.4矢量分配及优化 (18)3.5 本章小结 (19)4 中点电位平衡控制研究 (21)4.1 引言 (21)4.2 NPC 三电平逆变器中点电位不平衡原因 (21)4.3 中点电位平衡控制 (23)4.4 调节因子失效与修正 (24)4.5 本章小结 (25)5 实验仿真 (26)5.1 引言 (26)5.3 仿真结果 (28)5.4 本章小结 (30)6 全文总结 (31)致谢 (32)1 前言需要应用到逆变器的场合非常广泛，在能源转换的过程中起着不可或缺的作用，而两电平逆变器由于具有功率管的开关损耗高、输出电压电流谐波含量较高、功率管承受的电压较大的等特点，在中高容量场合应用得不是很广泛。
NPC三电平逆变器中点电位不平衡原因分析
NPC三电平逆变器中点电位不平衡原因分析张桂枝【摘要】中矢量和小矢量状态下负载和两电容之间有电流交换，是引起NPC三电平逆变器直流侧电容中点电位不平衡的主要原因。
中矢量引起的中点电流导致中点电位波动，小矢量引起的中点电流导致中点电位偏移。
零矢量和大矢量状态不会引起电容中点电位不平衡。
%The current exchange which produces between the load and the two capacitors in the small state vector and vector state is a major cause of DC side capacitor of NPC three level inverter neutral point potential unbalance. Neutral point current causes the fluctuation of the neutral point potential,neutral point current small vector causes the neutral point potential shift. The zero vector and the large vector state does not cause the capacitance of neutral point potential unbalance.【期刊名称】《张家口职业技术学院学报》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】3页(P67-69)【关键词】矢量;电位平衡;逆变器;电流【作者】张桂枝【作者单位】张家口职业技术学院，河北张家口075051【正文语种】中文【中图分类】TM464NPC(中点箝位式)三电平逆变器比两电平逆变器开关损耗小，输出的电压正弦度好，磁链轨迹更趋近于圆形，对电动机供电时电机的运行更平稳，调速性能更优越。
三电平SVPWM逆变器中点电压平衡的研究
vect or
Sa SbSc
Sα
111
0
V0
000
0
-1 -1 -1
0
小矢量
V1
100 0 -1 -1
2 3
V2
110 00 -1
1 6
V3
010 -10 -1
-1 6
V4
011 -100
-
2 3
V5
001 -1 -10
-1 6
V6
101 0 -10
1 6
中矢量
V7
10 -1
3 2
V8
01 -1
0
V9
Key words:N PC ;three -level inver ter ;DSP
0 前言
高性能的电压大容量交流调速技术 , 已经成 为近年来国际学术研究和工业应用的热点 。 目前 电力 、船舶 、化工 、石油等工业和民用领域中大中 容量交流调速技术 , 可以有效的提高生产效率 、降 低生产成本 , 并为我国工业用电的巨大浪费和环 境污染问题提供了一条行之有效的解决途径 。
T AN Yong-hui , O UYANG H ong-lin , ZHO U M a-shan , L IU L iang , P ENG Guo-qing (H unan Universit y Elect ri cit y and I nf orm ation Enginee ring College , 410082)
}
else {
If(V a ref ≥0) {s =4 ;a =-2 ;b =1 ;}
else If(V b ref <0){s =6 ;a =1 ;b =-2 ;}
else
NPC三电平逆变器中点电位不平衡原因分析
・
６ ７・
２ ０ １ ５年 ６月
张家 口职业技 术学 院学报
第 ２期
０ 。 按照电压空 间矢量 的合成原理 ， 可绘 出 ２ ７种开关状 态和对应 的 ２ ７个 电压空间矢量 图如 图 ２所示 。
３ 工作状态 引起中点 电位 不平衡的分析
根据负载与逆变 器的连接形 式不同 ， 把２ ７ 种 开关状 态归类 划分 为 十
１ 厅 ＾
为： 小矢量、 中 矢量、 大矢量。 其中 小矢量的幅 值为 ÷ ， 中 矢量的幅值为
收稿 日期 ： ２ ０ １ ５ —０ １ — ２ ０
大矢量的幅值为÷ ， 而 零矢量的幅值为
修 回日期 ： ２ ０ １ ５ －０ ３— ２ １ 作者简介 ： 张桂枝 （ １ ９ ７ ３一） ， 女 ， 河北宣化人 ， 张 家口职业技术 学院电气工程 系讲 师 ， 硕 士。研 究方向 ： 电机 电器控
ｌ 引 言
Ｎ Ｐ Ｃ （ 中点箝 位式 ） 三 电平逆变 器 比两 电平 逆变器开关损耗 小 ， 输 出 的电压正 弦度好 ， 磁链 轨迹更趋 近于 圆形 ， 对 电动 机供 电时电机的运行更平稳 ， 调速 性能更 优越 。但 Ｎ Ｐ Ｃ三 电平逆 变器存 有直 流侧 电容 中点 电位不 平衡 的缺点 ， 主要 体现 为两个 电容 的分压不均而且 电压偏差较 大 ， 中点电位不平衡 将造成逆变器输 出 电压 中低次谐 波含 量较 大而使输 出电压波 形 质量下 降… 。逆变器若长 时间运行在 电容 中点 电位不平衡 的状态 下将 会引 起输 出 电压波 形畸 变 】 。在 高压大 容量 的
Ｖ０ １ ． ２ ８ Ｎｏ ． ２
Ｊ ｕ ｎ ｅ， ２ ０ １ ５
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略及中点电位平衡研究
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
SVPWM是一种先进的空间矢量调制技术，通过将一个采样周期内的三个电压矢 量分配到两个开关器件上，可以获得与常规PWM相比更高的调制效率和更好的输 出波形质量。对于三电平NPC逆变器，SVPWM控制策略的关键是选取合适的调制方 式、脉宽调制参数和中点电位控制策略。
中点电位平衡研究
中点电位的影响主要有以下几个方面：
中点电位平衡研究
1、输出波形质量：中点电位不平衡会导致输出波形畸变，产生谐波污染；
中点电位平衡研究
2、开关器件的可靠性：中点电位不平衡会导致开关器件承受电压增大，降低 其可靠性；
中点电位平衡研究
3、系统的稳定性：中点电位不平衡会影响系统的稳定运行，可能导致系统振 荡甚至崩溃。
结论与展望
结论与展望
本次演示对三电平NPC逆变器SVPWM控制策略及中点电位平衡问题进行了深入 研究，提出了一种有效的控制方法。实验结果表明，该方法可以有效提高逆变器 的性能和可靠性。然而，在实际应用中仍存在一些问题需要进一步探讨，例如如 何进一步优化脉宽调制参数和中点电位平衡控制策略，以获得更好的输出波形质 量和系统稳定性。
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
电流跟踪控制参数也是SVPWM控制策略的重要组成部分。本次演示采用PI （Proportional-Integral）控制器来实现电流跟踪控制，通过调节PI控制器的 参数，达到快速跟踪输出电流的目的。
中点电位平衡研究
中点电位平衡研究
中点电位平衡问题是三电平NPC逆变器运行过程中的一个关键问题。中点电位 的平衡与否直接影响到逆变器的性能和可靠性。中点电位的产生原因是逆变器两 个半桥中点电压的差值，它可能会导致半桥电容充放电不平衡，进而影响逆变器 的正常工作。
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uC1+uC2=E
uC1 uC2 0
若C1<C2 Ⅰ IiC1dt IiLf dt IiC2dt IiLf dt
Ⅱ IIiC1dt IIiLf dt
IIiC2dt IIiLf dt
电感磁复位原理 IiC1dt IIiC1dt 0
IiLf dt iII Lf dt 0
直流侧电容充放电情况
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf
io
+
iCf Z vo
D4
vo
Ⅰ
非理想C1<C2
iLf
Ⅱ
uC1+uC2=E
uC1 uC2 0
uC1
-
1 C1
t iC1dt
uC2
1 C2
t iC2dt
若C1<C2 当C1放电，C2充电 t iC1dt t iC2dt
IiC1dt IIiC1dt 0
IiC2dt IIiC2dt 0
直流侧电容充放电情况
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf
io
+
iCf Z vo
D4
vo
Ⅰ
非理想C1<C2
iLf
Ⅱ
Ⅰ区：iC1>0，iC2>0，iLf>0，iC1=iLf Ⅱ区：iC1<0，iC2<0，iLf<0，iC2=iLf
0
π
ωt 2π
v2
vA
+E/2
0 -E/2
a组
b组
π
S5
S6
a组
ωt
2π
b组
io
+
iC Z vo
四种开关模态
S1
D1
C1
S2
D2 S5 D5
E
C3
vA
Lf
S3
D3 S6
D6 Cf Z
C2
S4
D4
（1）+1电平
S1
D1
C1
S2
D2 S5 D5
E
C3
vA
Lf
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S3
D3 S6
D6 Cf Z
C2
S4
D4
（2）+0电平
C1放电
IiC2dt IIiC2dt 0
C2充电
直流侧电容充放电情况
?
uC1和uC2
uC2/V
uC1/V
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf
io
+
iCf Z vo
D4
300 200 100
0 300 200 100
00
0.1 0.2
0.3 0.4 t/s
S1
D1
S1
D1
C1
C1
D5 S2
D2
D5 S2
D2
E
E Lf
Lf C1
D6 SS13
CC21
D5
SS24
E
D6 S3 C2
DD1 3 Cf D6 C2
SZ3
+
voDE3
DD2L4f
S4 D4
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf
io
+
iCf Z vo
D4
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf D4
io
+
iCf Z vo
直流侧电容充放电情况
0电平
电感电流流出逆变桥臂 电感电流流入逆变桥臂
S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
S4
D1
S1
D1
C1
S2
D2 S5 D5
E
C3
vA
Lf
S3
D3 S6
D6 Cf Z
C2
S4
D4
（3）-0电平
S1
D1
C1
S2
D2 S5 D5
E
C3 vA Lf
S3 C2
D3 S6
D6 Cf Z
S4
D4
（4）-1电平
改进型的三电平逆变器
改进型的三电平逆变器具有以下优点： •避免电容值变化对直流电压的影响，进而影响输出 •每个功率开关管关断时都钳位在电容电压
当C1充电，C2放电 t iC1dt t iC2dt
直流侧电容充放电情况
非理想C1<C2
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf
io
+
iCf Z vo
D4
vo
Ⅰ
iLf
Ⅱ
uC1+uC2=E 若C1<C2
uC1 uC2 0
uC1
-
1 C1
t iC1dt
0.5 0.6
0.7 0.8
非理想C1<C2
改进型的三电平逆变器
减小电容对直流电压的影响
S1和S3为a组开关，
S1
D1
S2和S4为b组开关； a组、b组开关互补导通 输出电压正半周S5开通；
负半周S6开通
C1
E
S2
D2 S5 C3 vA
D5 Lf
S3
D3 S6
iLf D6 Cf
C2
S4
D4
v
vm
v1
D2 Lf
D3iLf Cf D4
io
E
+
iCf Z vo
S1 C1
D5 S2
D6 S3 C2
S4
D1
D2 Lf
D3
iLf Cf
D4
io
+
iCf Z vo
直流侧电容充放电情况
-1电平
电感电流流出逆变桥臂 电感电流流入逆变桥臂
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf D4
第十四届研究生学术会议
三电平逆变器直流侧电容电压平衡问题
报告人： 指导老师：
多电平逆变器
•柔性交流输电系统： 有源滤波、无功补偿等
C1
S1
D1
•高压大功率交流电动机
变频调速系统
E
D5 S2 D6 S3
D2 Lf
D3 Cf
+
Z vo
二极管钳位型多电平逆变器
C2
S4 D4
电容钳位型多电平逆变器
级联型多电平逆变器
io E
+
iCf Z vo
iC1 S1 C1
D5 S2
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3
iLf Cf
D4
io
+
iCf Z vo
直流侧电容充放电情况
iC1 S1 C1 iC1 S1
C1
D5
D5
S2
S2
E
E
DD66 SS33
CC22 iiCC22 SS44
D1
D1
D2 D2Lf
Lf
DD33iiLLff CCff
DD44
io
io
++
iiCCffLZo vvoo
Ro
理想C1=C2
vLo
ivCof
Ⅰ
iLf vo
iLf Ⅱ
io vRo
Ⅰ区：iC1>0，iC2>0； Ⅱ区：iC1<0，iC2<0；
uC1+uC2=E
理想C1=C2 IiC1dt IIiC1dt 0 IiC2dt IIiC2dt 0
电荷量守恒，电容电压不变
单相二极管钳位型三电平逆变器
直流侧电容充放电情况
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
iC2 S4
D1
D2 Lf
D3iLf Cf
io
+
iCf Z vo
D4
单相二极管钳位型三电平逆变器
直流侧电容充放电情况
+1电平
电感电流流出逆变桥臂 电感电流流入逆变桥臂
iC1 S1 C1
D5 S2
E
D6 S3 C2
uC2
1 C2
t iC2dt
Ⅰ区：iC1>0，iC2>0，iLf>0，iC1=iLf；
IiC1dt IiLf dt
IiC2dt IiLf dt
Ⅱ区：iC1<0，iC2<0，iLf<0，iC2=iLf；
IIiC1dt IIiLf dt
IIiC2dt IIiLf dt
IiLf dt IIiLf dt 0