三電平逆變器中點電壓平衡的電壓空間矢量控制原理及算法

摘要：分析了三電平電壓空間矢量調制基本原理，深入研究了影響三電平逆變器中點電壓平衡的主要因素，由此提出一種控制箝位二極管電壓型三電平逆變器中點電壓平衡的電壓空間矢量算法。理論分析和仿真實驗結果表明，所提出的控制算法能有效平衡三電平逆變器中點電壓。

關鍵詞：三電平逆變器；電壓空間矢量脈寬調制；中點電壓平衡；箝位二極管

1 引言

近年來，在高壓、大功率變換電路中，一種新型的變換器——箝位二極管式電壓型三電平逆變器（如圖1所示），引起了越來越多的關注。它不僅能應用于大功率高輸入電壓的逆變場合，而且能應用于如靜止無功補償、電力有源濾波器等電力電子裝置中。歸納起來，三電平逆變器主要有兩個顯著特點：

圖1 三電平逆變器電路圖

1）由多個電平臺階合成的輸出電壓正弦波形，在相同開關頻率條件下，與傳統二電平逆變器相比，諧波含量大大減少，改善了輸出電壓波形；

2）開關管的電壓額定值只為直流母線上電壓的一半，使低壓開關器件可以應用于高壓變換器中。

但是，三電平逆變器的缺點是控制策略較復雜和出現中點電壓不平衡的問題[1]，其中，中點電壓不平衡是三電平逆變器的一個致命弱點。顯然，若逆變器直流母線上并聯兩電容的中點電壓在運行時不穩定，它將引起輸出的三電平電壓變化，不僅使輸出電壓波形畸變，諧波增加，而且使三相輸出電流不對稱，失去三電平逆變器的優勢。然而，對于中點電壓不平衡問題，目前尚未有根本的解決方法。其中有代表性的方法一是利用改進硬件電路實現中點電壓平衡的方法[2]；二是通過改變開關時序或控制矢量電壓持續時間的方法實現電壓平衡。但都存在電路復雜、控制效果不理想的問題。

為此，本文基于傳統二電平逆變器電壓空間矢量控制原理[3]，提出基于平衡三電平逆變器中點電壓的電壓空間矢量控制的思想，從而在不增加硬件電路情況下，根本解決了三電平逆變器中點電壓不平衡的問題。

2 三電平電壓空間矢量調制及中點電壓不平衡原因

在傳統三相兩電平逆變器中，電壓空間矢量個數為23=8[2]。根據三相兩電平逆變器電壓空間形成原理，箝位二極管式電壓型三電平逆變電路的電壓矢量合成圖如圖2所示，表1是它的每相開關狀態表，總共有33=27個合成電壓矢量。與三相兩電平逆變器不同，三電平逆變器電壓矢量可分為長矢量，中矢量，短矢量和零矢量，其中ppp，ooo和nnn是零矢量；還有12個短矢量（模長=Vdc）;6個中矢量（模長=）以及6個長矢量（模長=Vdc）。

圖2 三電平電壓空間矢量圖

結合電壓空間矢量圖可以得到三電平逆變器三相電壓合成機理：任意時刻的三相電壓Va、Vb和Vc可由三個相鄰的電壓空間矢量合成，當電壓矢量沿著逆時針或順時針方向旋轉時，空間矢量由一個有效狀態轉移到另一個有效狀態，從而產生連續的三相電壓。

表1 三電平開關狀態關系（X=a,b,c）

從上面分析可知，三電平逆變器每相都有三個開關狀態，即p，0和n。例如：pon表示Va=Vdc/2；Vb=0和Vc=－Vdc/2,在此pon電壓矢量中，B相輸出直接接到中點Np上，因此，將影響中點電壓的平衡。表2總結了對中點電流iNP與電壓平衡有影響的電壓矢量。從表2看到，中短矢量都將影響三電平逆變器中點電壓平衡，但由于正負短矢量產生的中線電流方向是恰好相反的，且它們是成對出現的，因而相互抵消，不影響中點電壓平衡。而中矢量，由于它其中有一相直接接入了中點Np，因而使得中線有電流，中點電壓會受到負載的影響，它是電壓不平衡的根本原因。而長矢量的每相直接接到母線的正或負端，因此它的中線不會有電流，也不會影響中點電壓的平衡。

表2 中線電流與電壓矢量關系