基于优化空间矢量脉宽调制算法的变频器中点平衡控制
马文忠， 吴海波， 郭江艳
(中国石油大学(华东)，山东东营257062)
摘要：分析了二极管中点嵌位型(NPc)三电平变频器中点不平衡的机理及危害。通过优化三电平空间矢量脉宽涮制算法，利用正负小矢量对中点电位的不同影响，采用一种通过控制正负小矢量作用时间来控制中点平衡的算法。利用MATLAB／simulmk仿真软件对该中点平衡算法进行仿真，并在实验室条件下搭建了NPc三电平变频器试验电路，采用TMs3202812数字信号处理器实现了控制算法。仿真分析和实际试验都验证了所采用的控制方法的有效性，取得较好的抑制中点电位偏移的效果：
关键词：空间矢量脉宽调制；变频器；中点平衡控制
中图分类号：TM 921 51 文献标志码：A文章编号：167316540(2010)0055-04
0 引言
近年来，随着电力电子技术的发展，高压大功率多电平变频器得到了越来越广泛的应用，正日益成为研究的热点。其中，二极管中点嵌位型(Neut同P0inT cIamped，NPc)多电平变频器由于其成熟的拓扑结构和较好的应用效果，已成为多电平变频器中研究和应用最多的类型。但是，在NPc型多电平变频器的应用过程中，也出现了许多亟待解决的问题。其中，中点电位不平衡就是比较突出的问题之一。中点电位不平衡将带来输出电压波形畸变、电平数降低、逆变器开关器件承受的电压不均衡、电容的寿命降低等危害[1-8]。本文将以应用最为广泛的NPc三电平逆变器为研究对象，对其中点电位不平衡问题进行分析研究，并采用一种优化空间矢量脉宽调制(space VectorPulse width M[)(1ulation，svPwM)算法对中点电位进行控制，其算法也可以推广到任意多电平结构的逆变器中。
1 NPC型三电平逆变器中点电位不平衡的机理
二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构如图1(a)所示。对于三电平逆变器来说，每一相有
P、O、N三个状态，所以共有33=27种电状态组合，得到逆变器输出电压空间矢量的分布情况如
(1)逆变器电路结构及控制策略对中点电位的影响。
三电平逆变器除零矢量外，共有24种开关状态，各种状态下交流负载的连接形式虽不尽相同，但其连接情况可归结为图2所示的五种连接方式。尉2以四种不同矢量的五组开关状态PNN．00()，PON，ONN和POO为例，画出了三电平逆变器电路拓扑和电流回路，分析不同开关状态时中点电流及电压的情况。
在三电乎逆变器的19个基本矢量中，大矢量对应的开关状态使三相输出和正负母线相连，不影响中点电压；零矢量使负载三相短接，挂在正、负、零母线之一，也不会导致中点电压的变动。中矢量和小矢量的开关状态对应至少有一相输出和零母线相连，并与正、负母线形成电流回路，从而导致电容c1和c2充放电，使中点电压发生波动。
图2中lnp为中点电流，流出中点为正。显然，大矢量和零矢量时开关状态的中点电流iop=0，电容c1和c2上的电压保持不变，处于平衡状态(不考虑充电电阻的影响)，如图2(a)、(b)所示=当中矢量开关状态为PON时，如图2(c)所示，有inp=ib，当负载电流ib>0时，上电容c1充电，ucl升高，下电容c2放电，uc2，F降，从而中点电位Umo=(uc1一ucs)／2下降；反之，ib<0，则c，放电，c2充电，中点电位umo上升。可以看出，电流方向不同时，对中点电压的影响也不同。对于小矢量的开关状态ONN，满足inp=ia,如图2(d) 导致逆变器中点电位不平衡的主要原因如下。所示；而对开关状态POO，有inp=ib+ic=-ia，如图2(e)所示，显然ONN和POO两组开关状态对中点电压的作用完全相反。
(2)与直流母线电容有关。首先两个电容在制造工艺上不可能达到完全相同，势必会造成中点电压的固有偏移；其次，电容值的大小与直流侧电压平衡关系密切，电容值越小，电压波动必然越严重，所以电容值要尽可能大，但考虑到成本和制造工艺}：的限制，电容值又不能取得过大。
(3)与负载有关。负载越重，中点电流越大，中点电位波动越大，造成的不平衡也越严重；负载功率因数也与中点电流的柏位关系密切，是影响中点电压的重要因素。
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