三电平NPC整流器控制研究
三电平PWM整流器平衡控制技术的研究
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｎｅ ｕ ｔ ｒ ａ ｌ － Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ
Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ Ｂａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ Ｔｈｒ ｅ ｅ－ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ＰＷ Ｍ Ｒｅ ｃ ｔ ｉ ｉｅ ｆ ｒ
第３ １ 卷 第１ 期
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ４） ０ １ — ０ ０ ８ ９ — ０ ４
计
算机ຫໍສະໝຸດ 仿真 ２ ０ １ ４ 年１ 月
三 电平 Ｐ ＷＭ 整 流 器 平衡 控 制技 术 的研 究
李 荣茂 ， 严锡君
（ １ ． 南京信息职业技术学院微 电子学院 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ２ ３ ； ２ ． 南京河海大学计算机 与信息学院 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ８ ） 摘要 ： 研究三电平 Ｐ ＷＭ整流器平衡控制方法 。在三 电平 Ｐ Ｗ Ｍ 整流器应 用过程 中， 假设 受到较 强的外界 干扰 ， 将造成 输 出 的波形稳定性较差 ， 不能保持平稳的输出波形 ， 降低 了输 出波形 的真实性 。为此 ， 提 出了一种基于瞬时功率控制算 法的三 电
平Ｐ ＷＭ整流器平衡控制方法 。利用 瞬时功率控 制方法 ， 对 三电平 Ｐ ＷＭ整流器进行平衡控制 。利用小波变换 方法 ， 对输 出 的波形进行滤波处理 ， 从而对三 电平 Ｐ ＷＭ整 流器 平衡 控制 的误差 进行 补偿 。实验 结果 表 明， 利用 本文算 法进 行三 电平 Ｐ ＷＭ整 流器 的平衡控 制 ， 能够 提高控 制的准确性 ， 取得了令人 满意的效果。 关键词 ： 整流器 ； 平衡控制 ； 滤波处理 ， 误差补偿
三电平PWM整流器研究
关键词：三电平 PWM 整流器 中点控制方法
数学模型空间矢量 双闭环控制
PWM 中点平衡问题 复合控制
I
ABSTRACT
In recent years, high- voltage and high-power power electronics devices have been widely used.
Compound control
III
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。
基于电流预测控制的三电平整流器研究
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ＥｖＭｕａ ｏｎ ｉ ｆ ｏｆ Ｃ Ｄ Ｉ Ａ ｐ ｏ ｃ Ｏ ｐｒ ａ ｈ ｔ Ｅｎｇｎｅ ｒｎｇ Ｏ ｉ ｅ ｉ Ｅｄ ａｉ ｈｔ ／ ｕｃ ｔｏｎ，ｔｐ： ／
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国内高校教 师普 遍存在这 样的问题 ， 一般 是都是本科 、 硕士 、 博 士乃 至博士后 ， 然后 到学校 当教 师 ， 遍存在理 论水平 高 ， 普 实践 水平低 的现象 。 要解 决这个 问题 ， 用三种方法 ： 一是 “ 请进来 ”请 ， 大型 国企或跨 国企业里 面那些 具有丰富实践 经验 的工程师和高 级工程师到高校指导学生实践 ； 二是 “ 出去 ”就 是派遣缺乏工 走 ，
１ ７个二级 标题 、Ｏ个 三家标题 的所 有 内容 ，针对每 种能力 ， ７ 都 有相应 的内容 。同时 ， Ｄ Ｏ是全新 的大 纲 ， Ｃ Ｉ 各个 国家 、 学校要根 据 自身 的实 际情况制订 相应 的教学计 划 ， 而不是 照抄外 国或外
校的经验 ； 外 ， Ｃ Ｉ 另 在 Ｄ Ｏ模 式 下 实 施 的 教 学 计 划 ， 根 据 最 终 应
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二
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npc 三电平拓扑原理及特点研究
npc 三电平拓扑原理及特点研究在现代电力系统中，电力变换和传输是非常重要的环节。
而三电平拓扑就是一种常用的电力转换拓扑结构，它可以实现高效、可靠的电力转换。
本文将对三电平拓扑的原理和特点进行研究，并探讨其在电力系统中的应用。
一、三电平拓扑原理三电平拓扑是一种多电平逆变器拓扑结构，其基本原理是通过将直流电压转换为多个不同电平的交流电压，从而实现电力的变换和传输。
三电平拓扑主要由两个全桥逆变器和一个DC电压源组成。
其中，每个全桥逆变器由两个开关管和两个二极管组成。
在工作过程中，三电平拓扑通过控制开关管的导通和关断来调节输出电压的大小和频率。
具体来说，当逆变器的开关管导通时，电流会从DC电压源流向负载，形成正向电压输出；当开关管关断时，电流会通过二极管流回DC电压源，形成反向电压输出。
通过控制开关管的导通和关断时间，可以实现不同电平的输出电压。
二、三电平拓扑特点1. 降低谐波含量：相较于传统的二电平逆变器，三电平拓扑可以有效降低输出电压的谐波含量。
这是因为三电平拓扑可以提供更多的电压级别，从而减少了电压的跳变，减小了谐波的产生。
2. 提高电压质量：由于三电平拓扑可以提供更多的电压级别，可以更好地逼近正弦波形，从而提高输出电压的质量。
这对于一些对电压质量要求较高的应用场景非常重要，如电力电子设备、工业驱动器等。
3. 提高效率：三电平拓扑还可以提高逆变器的效率。
这是因为通过增加电压级别，可以减小开关管的开关频率，从而降低开关损耗。
4. 降低电磁干扰：三电平拓扑可以减小输出电压的跳变和斜率，从而减小了输出电压对周围电子设备的电磁干扰。
这对于一些对电磁兼容性要求较高的应用场景非常重要，如通信设备、医疗设备等。
5. 提高系统可靠性：三电平拓扑通过增加电压级别来提高系统的可靠性。
当一个开关管或二极管发生故障时，其他开关管和二极管仍然可以正常工作，从而保证了系统的可靠性和稳定性。
三、三电平拓扑的应用三电平拓扑在电力系统中有广泛的应用。
三电平整流器中性点平衡控制策略的研究
Ｒｅ ｅ ｒｃ ｆｔ ｕ ｒ ｌｐｏ ｎ ｌ ｎｃｎｇ Ｓ ｒ ｔ ｇ ｏ ｓ ａ ｈ ｏ ｈｅ Ｎｅ ｔ ａ － ｉ ｔＢａ ａ ｉ ｔ ａ ｅ ｙ ｆ ｒ Ｔｈｒ ｅ ｌ ｖ ｌＲｅ ｔｆｅ ｅ －ｅ ｅ ｃ ｉ ｒ ｉ
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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。
三电平pwm整流器控制策略研究
ea ia Rs
0
eb ib Rs
ec ic Rs
Sa1
Da1
Sa2
Ls Ls Ls
Da 2 Sa3
Sb1
Db1
1 Sb2
Sc1 Dc1 1 Sc2
Db22 Sb3
Dc2 2
S c3
Sa4
Sb4
Sc4
图 1 三电平 PWM 整流器主电路图
i dc P
+
C1
-
udc1
RL
udc2
+
C2
-
N
2 三电平整流器的数学模型
三 电 平 PWM 整 流 器 的 工 作 本 质 在 于 通 过 控 制 Si1-Si4 的开通与关断，保证稳定的直流侧输出电压 udc，
《变频器世界》 January, 2020
同时使得三相电流 ia、ib、ic 正弦化，并按照要求产生单 位功率因数，以使得整个系统不对电网产生无功污染 [4]。
在建立三电平整流器数学模型前，假设有如下前提 条件：
(1) 公共电网三相对称，刚性且稳定，为理想平衡 电压；
(2) 主电路开关元件为理想元件，其通断控制由开 关函数来描述；
(3) 直流侧负载为等效负载。 根据电路原理和坐标变换理论，三电平 PWM 整流 器在 d-q 坐标系下的电压方程为：
(1)
式（1）中，ud、uq 分别为整流器交流侧电压。 将 d 轴 定 向 于 电 网 电 压 矢 量 方 向，q 轴 超 前 d 轴 900。 由 式 (1) 可 以 看 出 d、q 轴 电 流 除 受 控 制 电 压 量 ud、uq 的影响外，还受耦合电压 ωLiq、-ωLid 电网电压 扰动 ed、eq 的影响。对此可以采用状态反馈实现 d、q 轴电流间的解耦，采用前馈补偿消除电网电压扰动。所 以，实际的控制电压应该包含三部分：
三电平PWM整流器控制方法研究
三电平PWM整流器控制方法研究近年来，随着电力系统的发展和电力负荷的增加，对于电力变换和控制技术的需求也在不断增加。
而三电平PWM整流器作为一种重要的电力变换设备，其控制方法的研究显得尤为重要。
本文将就三电平PWM整流器的控制方法进行研究探讨。
首先，三电平PWM整流器的控制方法主要包括两种，即传统的基于脉宽调制的控制方法和基于模型预测控制的方法。
传统的脉宽调制方法主要通过调节开关器件的开关频率和占空比来控制输出电压的波形，以实现电力变换的目的。
而基于模型预测控制的方法则是通过建立数学模型，预测系统的状态和输出，并根据预测结果进行控制。
其次，在传统的脉宽调制方法中，常用的控制策略有三种，即基于电流控制的方法、基于电压控制的方法和基于电流电压双闭环控制的方法。
其中，基于电流控制的方法主要通过控制输入电流来实现对输出电流的控制，以保证输出电流稳定。
基于电压控制的方法则是通过控制输出电压来实现对输出电流的控制，以保证输出电压稳定。
而基于电流电压双闭环控制的方法则是综合考虑了输入电流和输出电压的控制要求，以实现更为精确的控制。
最后，基于模型预测控制的方法是近年来较为新兴的一种控制方法。
该方法通过建立系统的数学模型，并根据模型的预测结果进行控制，以实现对输出波形的精确控制。
相比于传统的脉宽调制方法，基于模型预测控制的方法具有更高的控制精度和响应速度，能够更好地适应电力系统的需求。
综上所述，三电平PWM整流器的控制方法研究涉及传统的脉宽调制方法和基于模型预测控制的方法。
在传统的方法中，基于电流控制、电压控制和电流电压双闭环控制是常用的策略。
而基于模型预测控制的方法则是一种较新的控制方法，具有更高的精度和响应速度。
在未来的研究中，我们还可以探索更多的控制策略，以进一步提高三电平PWM整流器的控制性能。
NPC 三电平变换器调制及中点电压平衡控制
在工作原理和调制方法研究的基础上，本文先后建立了三电平变换器在三相 静止坐标系和 dq 同步旋转坐标系下的数学模型，并对矢量控制策略进行研究，设 计了锁相环、电流内环和电压外环控制器，并通过仿真验证了设计的正确性。
最后，设计并搭建了三电平变换器系统实验平台。该平台主要由三电平变换 器主电路、电源模块、DSP 核心控制系统、PWM 驱动系统、采样系统、上位机监 控系统等几部分组成。在该平台上完成了三电平 SVPWM 调制、闭环控制系统设 计、中点电压平衡控制等试验。
关键词：三电平变换器；中点电压平衡；SVPWM 调制；零序分量；电流预测
This paper firstly studies the working principle of NPC type three-level converter, and explains the principle of three-level space vector pulse width modulation (SVPWM) and carrier stack pulse width modulation (SPWM).
I
哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）
Abstract
The three-level converter has the advantages of low voltage stress, low switching loss, and low harmonic content of the output voltage of the power switch tube, and has been widely used. Among them, the NPC type three-level converter is one of the most widely used structures. However, there are inherent disadvantages of the NPC type three-level converter, namely the midpoint voltage balance problem, which mainly manifests as the midpoint voltage fluctuation and the midpoint potential shift, which will affect the output waveform quality and even cause harm to the system. For this reason, this article has carried on the thorough research to the NPC three-level converter modulation and the midpoint balance control strategy.
npc 三电平拓扑原理及特点研究
npc 三电平拓扑原理及特点研究引言：随着电力系统的快速发展和电力需求的不断增长，电力传输和分配的效率和可靠性成为了关键问题。
而三电平拓扑作为一种新型的电力转换技术，正逐渐成为电力系统中的关键技术之一。
本文将对三电平拓扑原理及其特点进行研究和解释。
一、三电平拓扑原理三电平拓扑是一种采用三个电平（即三个电压水平）来进行电力转换的拓扑结构。
其基本原理是通过将输入电压分为三个不同的电平，以实现更高的电力转换效率和更低的谐波水平。
1.1 输入电压的分级在传统的电力转换器中，输入电压通常是一个二进制信号，只有两个电平。
而在三电平拓扑中，输入电压被分为三个电平，可以更好地适应电力系统的需求。
1.2 电力转换的方式三电平拓扑可以通过不同的方式进行电力转换。
一种常见的方式是通过将输入电压分为正、零和负三个电平，并通过适当的开关操作将输入电压转换为输出电压。
这种方式可以降低电力转换过程中的损耗，并提高系统的效率。
1.3 控制策略三电平拓扑的另一个重要特点是其灵活的控制策略。
通过调整开关的工作状态和频率，可以实现对输出电压和电流的精确控制。
这种灵活性使得三电平拓扑在不同的电力系统中具有广泛的应用前景。
二、三电平拓扑的特点三电平拓扑相较于传统的电力转换器，具有以下几个显著的特点：2.1 高效率三电平拓扑通过将输入电压分为三个电平，可以更好地适应不同电力系统的需求，从而提高电力转换的效率。
相较于传统的二电平拓扑，三电平拓扑可以减少电力转换过程中的功耗和损耗，提高能量的利用率。
2.2 低谐波水平在传统的电力转换器中，由于电压和电流的突变，会产生很多的谐波。
而三电平拓扑通过将输入电压分为三个电平，并通过适当的控制策略，可以有效地降低谐波的水平。
这对于保护电力系统和提高电力质量非常重要。
2.3 灵活的控制策略三电平拓扑具有灵活的控制策略，可以通过调整开关的工作状态和频率来实现对输出电压和电流的精确控制。
这种灵活性使得三电平拓扑在不同的电力系统中具有广泛的应用前景。
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三电平NPC整流器控制研究
二极管中点钳，位三电平脉宽调制整流器是目前研究运行比较多的一种拓扑结构，通过解析其基本拓扑，从空间矢量开关函数的角度上搭建了中点钳位整流器之数学模型，转换到同步旋转坐标系后采取前馈解耦的方式建立了系统的电压与电流之双闭环控制系统，控制整流系统的有功与无功功率解耦传输，进而达到控制功率因数的效果。
标签：中点钳位三电平整流器；数学模型；解耦；空间矢量调制
引言
随着电力电子相关技术的快速变革，变流装置在电气应用各个方面扮演了愈来愈关键的角色。
相对于传统两电平整流器，除了可以调整输出直流电压、高功率因数传输、以及可以达到能量双向流动和大功率传输等好处外，二极管中点钳位型整流器[1]具有输出电压和电流谐波小、开关器件承担电压低以及等效开关频率低等优点。
因而，三电平钳位型整流器之控制策略一直是国内外研究者們的关注焦点。
对于三电平NPC整流器，文章从SVPWM的角度出发，建立了三电平中点钳位整流器在同步旋转坐标，系内的数学模型，然后依据数学模型，对系统进行了前馈解耦，建立了三电平脉宽调制整流器系统的电压与电流之双闭环控制系统[2]，达到了直流侧母线电压跟功率因数的设想效果。
最后采取仿真的方式确认了整个控制模型的正确性与可行性。
1 三电平钳位脉宽调制整流器数学模型与控制解耦
1.1 三电平钳位脉宽调制整流器之数学模型
中点钳位三电平脉宽调制整流器主要拓扑较多文献已有介绍，这里由于篇幅原因不再阐述。
电路交流侧输入为三相对称交流电压，Ls与Rs分别表征交流侧阻感，直流侧则串入两个相等值电容C1与C2。
理想情况时C1与C2（其值为Cd）完全相同，故Vdc1=Vdc2=Vdc/2。
装置交流侧每相输出电压都有三种状态：Vdc/2、0、-Vdc/2。
根据基尔霍夫定律，从空间电压矢量开关函数的角度出发，可以得到三电平中点钳位整流器在abc坐标系内数学模型，但是abc坐标系内电压与电流量都是随时间变化的交流变量，妨碍控制模块的考虑，故将系统在abc坐标系内的数学模型转化成同步旋转（dq）坐标系内。
在dq系中，稳态时，d、q轴分量为直流之变量，便于控制模块设计。
1.2 三电平钳位脉宽调制整流器控制解耦
根据系统在dq坐标系内的数学模型，对电压与电流都采用闭环控制，以设计三电平中点钳位整流器的控制模块，确定直流方面母线电压稳定及调整输入方面之PF。
式Ls×did/dt=usd-Vd-Rs×id+ wLsiq与Ls×diq/dt=usq-Vq-Rs×iq-wLsid展示出三电平中点钳位脉宽调制整流器电压与电流之输入公式。
式中，Vd=Sd1×Vdc1-Sd2×Vdc2，Vq=Sq1×Vdc1-Sq2×Vdc2，为三电平中点钳位脉宽调制整流器dq坐标系内交流侧之电压。
由前式可知，d、q轴电流不仅与电网输入电压usd、usq有关，还受到Vd、Vq以及扰动量wLiq、wLid的影响，即d、q轴尚没有达到彻底的解耦。
为此，对系统进行前馈之解耦。
将Vd、Vq写为Vd=usd+wLsiq-Vd*，Vq=usq-wLsid-Vq*，而稳态时交流侧电压可以写为Vd*=Rs×id+Ls×did/dt，Vq*=Rs×iq+Ls×diq/dt，对系统进行PI调节时，则可以得到公式Vd*=-（Kp+Ki/s）×（id*-id）+usd+wLsiq 与Vq*=-（Kp+Ki/s）×（iq*-iq）+usq-wLsid，即可发现整流器电流的d、q轴分量达成解耦。
最后采用电网电压之矢量定向的方式，得到功率计算公式分别为P=1.5usid，Q=-1.5usiq，容易看出，输入端电流d、q轴分量的大小和方向直接决定了电网、整流器之间能量流动之大小和方向，即可以实现任意功率因数控制。
2 仿真验证
为验证三电平NPC控制模型，在MATLAB中搭建了仿真模型，控制算法采用简化两电平SVPWM算法[3-5]，因有大量文章已介绍过，便不再占用篇幅。
模型参数为：交流侧电压取380V，Ls=20mH，Rs=0.01欧，直流母线的电压则取Vdc=500V，C1=C2=4500uF。
图1给出了仿真验证之波形，其中从上到下分别是功率波形图、交流侧A 相之电压与电流图、直流母线之电压波形图。
容易看出，有功功率基本保持200kW，无功功率基本为0，则PF则基本为1；交流侧A相电压和电流波形，两者基本同相位，可以看到电压谐波较低，THD在0.47%左右，而电流谐波较小，THD达到了10%，功率因数则基本为1。
直流母线电压则稳定在500V左右。
由此，三电平NPC整流器运行正常，直流侧电压稳定，功率因数受到控制，接近于1。
3 结束语
文中对二极管中点钳位三电平脉宽调制整流器拓扑与控制算法进行了研究，并进行了仿真验证。
首先从空间矢量开关函数的角度建立了三电平系统的abc坐标系数学模型，再转化至同步旋转坐标系中，在这个基础上构建了对三电平钳位脉宽调制整流器之外环电压控制与内环电流控制模型，达到了有功功率与无功功率之解耦的效果、高功率因数运行以及直流电压稳定性能。
参考文献
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[2]郭卫农，陈坚.基于状态观测器的逆变器数字双环控制技术研究[J].中国电机工程学报，2002，22（9）：64-68.
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[4]苑春明.三电平变换器SVPWM关键技术研究[D].合肥工业大学，2008.
[5]周京华，贾斌，章小卫，等.混合式三电平中点电位平衡控制策略[J].中国电机工程学报，2013，24：82-89+13.
刘永超（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为三电平逆变器中点电位控制策略。