一种三电平逆变器中点电位控制方法仿真研究

系统仿真学报©

Journal of System Simulation

Vol. 28 No. 1 Jan., 2016

一种三电平逆变器中点电位控制方法仿真研究

夏鲲1，李肖迪1，丁晓波1，曾彦能1，王一鸣2，许颇2

(1. 上海理工大学光电信息与计算机工程学院电气系，上海 200093；2. 宁波锦浪新能源科技有限公司，宁波 315712)

摘要：二极管中点钳位型三电平逆变器直流侧中点电位偏移不仅会导致交流侧输出性能变差，严重时会减少直流支撑电容寿命甚至损坏功率器件。提出了基于三电平直流变换器的三电平逆变器直流侧中点电压平衡控制方法,依据开关管关断时间之和决定母线电压、关断时间之比决定中点电位的约束条件，调节开关管工作状态,从而使中点电位在系统所允许的范围内波动。在MATLAB/Simulink

环境下构建了仿真模型，实现了双闭环调节控制算法，完成了系统仿真分析。仿真结果表明，该设计可减小三电平逆变器直流侧中点电位偏移量达93%以上。

关键词：三电平直流变换器；三电平逆变器；中点电位平衡；双闭环控制

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2016) 01-0235-07

DOI:10.16182/j.cnki.joss.2016.01.032

Simulation of Three Level Inverter Neutral Point Potential Control

Based on Three Level DC/DC Converter

Xia Kun1, Li Xiaodi1, Ding Xiaobo1, Zeng Yanneng1, Wang Yiming2, Xu Po2

(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Ginlong Technologies Co., Ltd, Ningbo 315712, China)

Abstract: The DC capacitor voltage unbalancing of NPC three-level inverter not only makes the AC output performance worse, but also reduces the DC capacitors' service life and even damages the power devices. A method based on three-level DC/DC converter was put forward to control the neutral point potential of three-level inverter. This method realized power conversion with three-level DC/DC converter topology, boosting voltage and stabilizing the neutral point potential of DC link at the same time. It would regulate switches working states according to the constraint rules on the sum of switches off time deciding bus voltage and the ratio of switches off time deciding neutral point potential, so that the voltage fluctuations of two capacitors would keep in the range which was permitted by the system. Under the MATLAB/Simulink environment, the simulation model of three level inverter based on three level DC/DC converter to inhibit DC link midpoint potentials offset was built. The double closed loop control algorithm was achieved and the system simulation analysis was accomplished. The simulation results show that the three level inverter's DC link neutral point potential offset could be reduced to more than 93%.

Keywords: three-level DC/DC converter; three-level inverter; neutral-point voltage balancing; double closed loop control

引言

三电平逆变器电路拓扑可以提高电力电子装 收稿日期：2014-09-16 修回日期：2014-11-25; 基金项目：宁波市科委重大科技攻关项目(2012B100 31)；沪江基金(B14002/D14002)；

作者简介：夏鲲(1980-)，男，上海，博士，副教授，研究方向为电机及其控制、新能源技术应用等；李肖迪(1990-)，女，河南，硕士生，研究方向为电机及其控制技术。

置的功率等级，改善系统输出波形质量，降低分布式发电系统(distributed generation，DG)对电网产生的不利影响[1]。三电平逆变器拓扑已在例如高压或中压交流电机传动、柔性交流输电、电网无功补偿和吸收等多个领域得到了广泛的应用[2]。与传统两电平逆变器电路拓扑相比，三电平拓扑的器件开关应力可以减小一半，同时能够较好的抑制输出纹波。

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但是一旦电平数量增加，系统控制算法的复杂性也会相应增加，同时由于电路拓扑中三电平逆变器直流侧是通过两个直流母线支撑电容串联组成的，因而往往存在三电平中点电位偏移的问题，该问题会导致系统输出的低次谐波增加，效率降低，严重时会缩短直流侧电容寿命，甚至会因直流侧正负母线电容电压不均衡而导致功率器件过压或损坏[3]。

目前主要采用改进三电平逆变器SVPWM(空间矢量脉宽调制)控制算法中控制矢量选取的规则[4-8]，或者其他一些特殊的控制方法如滞环控制等[9-11]，从而抑制中点电位偏移，但是这些方法一般是在DC/AC级根据中点电位变化的情况进行补偿或校正，增加算法执行的系统资源开销，或者增加了系统结构的复杂性，使得本就复杂的三电平逆变器及其控制算法在设计实现的过程中更加困难。文献[12]在传统前级Boost变换器的基础上增加交错DC/DC结构抑制中点电位偏移，将抑制中点电位偏移的着手点放在DC/DC级，控制方法易于实现并取得了较好的仿真实验结果，其拓扑较传统结构增加了2个用于实现交错控制的开关管和一个二极管。文献[13]提出将三电平直流变换器作为DC/DC级应用于三电平光伏逆变器，并设计了直流母线电压快速跟踪算法，理论分析和实验结果验证了该拓扑的合理性。文献[14-15]则提出了三电平直流变换器中点电位控制的方法。

本文提出了基于三电平直流变换器的三电平逆变器直流侧中点电压平衡控制方法，采用文献[13]中的拓扑设计三电平光伏逆变器，比文献[12]减少一个开关管，依据开关管关断时间之和决定母线电压、关断时间之比决定中点电位的原则，调节前级三电平直流变换器开关管工作状态，合理控制4种工作状态间的相互切换时间，从而使直流侧两电容之间的电压差值保持在系统所允许的范围内波动。在MATLAB/Simulink环境下，建立了系统的仿真模型，实现了双闭环调节控制算法，最后对仿真结果进行了分析。

1 电路拓扑及基本开关状态

三电平直流变换器本质上是一个半桥变换器，因此也可以称其为半桥三电平变换器[16]。如将传统三电平光伏逆变器的前级Boost变换器换成三电平直流变换器拓扑，并与后级DC/AC逆变器模块共用直流支撑电容，如图1所示[13]，辅以相应的控制算法，则可以解决中点电位偏移问题。其中，三电平直流变换器通过SW1和SW2 2个开关管的PWM调制来实现DC/DC级升压变换及直流侧电容均压的过程，L为升压电感，C1和C2为耦合共用的直流侧支撑电容，其电压值为直流输出电压的一半，与传统Boost变换器相比，此拓扑可以减小一倍Boost开关管管压降，相应的降低开关管应力。

图1 基于三电平直流变换器的三电平逆变器拓扑图

在三电平直流变换器控制策略中存在3种工作模式和4种开关状态，其开关状态如表1所示，其中1表示开关管导通，0表示关断。

表1 三电平直流变换器开关状态表 SW1 SW2

开关状态

0 0 I 0 1 II 1 0 III 1 1 IV

当电感电流大于输出电流时，系统在开关状态Ⅰ中对电容C1，C2同时充电；在开关状态Ⅱ中仅在开关状态Ⅲ中仅对电容C2充电；对电容C1充电；

开关状态Ⅳ是电感蓄能阶段。

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当电感电流小于输出电流时，系统在开关状态Ⅰ中对电容C1，C2充电的同时电感蓄能；在开关状态Ⅱ中对电容C1充电的同时电感蓄能；在开关状态Ⅲ中对电容C2充电的同时电感蓄能；开关状态Ⅳ是电感蓄能阶段。

其中开关状态Ⅱ，Ⅲ可以有效的对直流侧2个支撑电容进行电压平衡调节，实际效果等效于在三电平逆变器SVPWM控制策略中不同矢量的分配选择，通过和后级DC/AC逆变器模块共用直流支撑电容，利用该特性，可解决系统中点电压偏移问题。

(a) 工作模式二 (b) 工作模式三

图2 三电平直流变换器工作模式

从以上工作模式的分析过程中可以看出，由于两开关管的PWM控制即实现升压，同时根据中点电位的状态又调整电位偏移，母线电压PI控制环与中点电压PI控制环之间存在耦合的问题。将DC/AC级三电平逆变器及负载均等效为阻抗进行分析，其等效电路图如图3所示。

2 控制策略基本原理

DC/DC级的三电平直流变换器与DC/AC级的三电平逆变器共用直流支撑电容，因而可以通过调整三电平直流变换器的控制算法，在实现升压的同时稳定直流侧中点电位。

系统通过电压采样模块实时采集三电平逆变器的直流母线电压Udc(t)以及直流侧两电容中点电压；送至PI控制模块生成两开关管SW1和SW2对应的控制量；根据获得的控制量决定系统的工作模式以及与之对应的开关管开关状态，从而控制直流母线电压Udc(t)和2个母线支撑电容的电压差ΔUc(t)。

当|ΔUc(t)|<ε时，ε为一个小正数，是可以接受的最大中点电压偏移量，则进入工作模式一：两开关管在开关状态I和IV之间切换，通过对两开关管同时进行PWM控制，从而获得DC/AC级三电平逆变器期望的Udc(t)，实现升压的功能。

则进入工作模式二，如图2(a)当ΔUc(t)>+ε时，

所示：两开关管处于开关状态III，通过开通SW1，对负母线电容C2进行充电；当ΔUc(t)<-ε关断SW2，

时，则进入工作模式三，如图2(b)所示：两开关管处于开关状态II，通过开通SW2、关断SW1，对正母线电容C1进行充电；从而调整ΔUc(t)在允许的范围内波动，实现抑制中点电位偏移的功能。

图3 负载不均衡等效电路图

通过分析三电平直流变换器电路的工作原理UC2为两电容端可以得到式(1)与式(2)，其中UC1，电压，其和即为直流母线电压Udc(t)，Uin为系统输入电压，Z1，Z2，Z3为各支路等效阻抗，D1，D2为开关管SW1和SW2的占空比，i1，i2为两支撑电容提供给负载的网孔电流：

Uc1+Uc2−Uin=Uc1D1+Uc2D2 (1)

i11−D1

= (2) i21−D2

由基尔霍夫定律，对图3右边的等效负载部分采用网孔电流法列方程组可得：

i1Z1+(i1−i2)Z2−Uc1=0 (3)

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i2Z3+(i2−i1)Z2−Uc2=0 (4)

点电位偏移有限且可以在工程上近似忽略其影响，则式(11)右边退化为仅存输入、输出电压的简单比例关系式，也就是说开关管关断时间之和决定母线电压。由式(12)可以看出，如果在升压的过程中直流母线电压Udc(t)可以稳定得跟踪给定值且不易受到干扰，即母线电压PI控制环的稳态误差小且稳定性强，则式(12)右边退化为仅存定值标量和变量

联立式(3)，(4)可解得：

i1=

Z2Uc1+Z3Uc1+Z2Uc2

(5)

Z1Z2+Z1Z3+Z2Z3

i2=

Z1Uc2+Z2Uc1+Z2Uc2

(6)

Z1Z2+Z1Z3+Z2Z3

Z2Uc1+

将式(5)，(6)代入(2)式并与(1)式联立，可解得： 1−D1=

←1−D2=

←

(Z3+Z3)Uc21+

→

ΔUc(t)的表达式，也就是说开关管关断时间之比决定中点电位。可以据此以直流母线电压的误差值和

Uin (7)

2Z2Uc1Uc2+(Z3+Z3)Uc21

Z3Uc1+Z2Uc2

中点电位偏移的误差值为输入，开关管SW1和SW2的PWM控制信号为输出，设计一个双输入双输出的闭环控制系统，调节两开关管的占空比，满足如下控制方程：

(Z3+Z3)Uc21+

Z1Uc2+

→

2Z2Uc1Uc2+(Z3+Z3)Uc21

Z2Uc1+Z2Uc2

Uin (8)

1−D1=[PI(△Udc(t))+N]×

[M−PI(△Uc(t))] (13)

(14)

由式(7)，(8)可以看出，开关管关断时间既影响母线电压，同时也会影响中点电位，通过调整开关管占空比达到在实现升压的同时稳定直流侧中点电位的目的，不能依靠独立控制每一个开关管的导通时间达成。

假设中点电位偏移已经存在，由于两个母线支撑电容的电压差为ΔUc(t)，则UC1，UC2应分别满足式(9)，(10)。

1−D2=[PI(△Udc(t))+N]×

[M+PI(△Uc(t))]其中M，N分别为中点电位和直流母线电压的制约因子，以上控制方程实际上满足式(11)，(12)所表达的约束条件。

3 系统仿真模型

在MATLAB/Simulink环境下对本文提出的基于三电平直流变换器的三电平逆变器中点电位控制方法进行了仿真建模。按照图1所示的拓扑完成系统结构设计，其中三电平逆变器拓扑及控制方法采用Simulink自带的三电平桥和SVPWM算法模块；三电平直流变换器中开关管SW1和SW2的

Uc1=Uc2=

1

(Udc−󰀀Uc) (9) 2

1

(Udc+󰀀Uc) (10) 2

从而，由式(7)，(8)进一步可得：

(1−D1)+(1−D2)=

2(Z1+4Z2+Z3)Udc+

2+(Z1+4Z2+Z3)Udc

→

PWM控制驱动信号按照控制方程式(13)和式(14)设计，并封装为PI control子模块。图4所示为完整的系统仿真模型，包括：三电平直流变换器、

←

2(Z1−Z3)󰀀Uc+(Z1+Z3)󰀀Uc2

2(Z1−Z3)󰀀UcUin

(11)

PI控制模块、三相三电平逆变桥模块、SVPWM矢量计算模块、测量模块、可调节直流电源、负载等。

1−D1(2Z2+Z3)Udc−Z3󰀀Uc

(12) =

1−D2(2Z2+Z1)Udc+Z1󰀀Uc

由式(11)可以看出，如果在升压的过程中，中

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图4 基于三电平直流变换器的三电平逆变器中点电位控制仿真模型

图4中仿真参数根据模拟的6 kW三电平光伏逆变器系统进行设定。Uin为可变直流源，模拟输直流入电压变化范围为300∼400 V的光伏电池板，侧输出电压600 V。为确保在不同负载的情况下升压电感都能工作在电流连续状态，电感值应当在最大电流时避免饱和。母线支撑电容C1, C2的大小将影响到DC/DC级输出稳定性及THD大小，应在节省成本并满足设计要求的前提下尽量选较大的本系统中升压电容量。根据文献[12]中的计算方法，感选用1 mH，母线支撑电容C1=C2=100 μF，二极系统输出管导通电阻参考实际二极管设定为2 mΩ。负载使用感性负载，模拟真实用电网络。系统输出电压为电网电压，相电压220 V，线电压380 V。

图5所示为PI控制模块中的控制算法框图，图中ΔUc为两电容电压差，ΔUdc为期望直流母线电压与实际值之间的误差。可见该系统为双输入、双输出系统，两开关管的导通时间同时受母线电压和中点电位偏移的影响，存在耦合问题。实际是通过满足式(13)，(14)所示的控制约束条件实现解耦的，然后由三角波调制生成两开关管SW1和SW2的控制信号，最终通过对两开关管同时进行PWM控制，在升压的同时稳定中点电位。

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图5 三电平直流变换器中点平衡PI控制环

4 仿真结果

图6所示为三电平逆变器的中点电位及输出电流在DC/DC级为传统Boost变换器时的情况。从图6(a)中可以看出，直流母线电压600 V时，系统中点电位最大变化范围为±30 V，系统稳定后基本保持在±30 V的范围区间内，可见电压波动范围较大。

图7所示为三电平逆变器的中点电位及输出电流在DC/DC级为三电平直流变换器时的情况。从图7(a)中可以看出，直流母线电压600V时，系有统中点电位偏移减小，其波动范围为±2V以内，效降低中点电位偏移达93%以上。

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(a) 中点电位偏移量

(b) 输出电流波形

图6 传统型三电平光伏逆变系统中 点电位偏移量及输出电流波形

(a) 中点电位偏移量

(a) 前级传统Boost变换器

(b) 输出电流波形

图7 基于三电平直流变换器的三电平光伏逆变系统中

点电位偏移量及输出电流波形

图8所示为两种不同拓扑系统输出电流(图

6(b)和图7(b))对应的傅立叶(FFT)频谱分析图。由图8(a)可以看出在DC/DC级为传统Boost变换器拓扑中输出电流的总谐波畸变率(THD)为

3.07%，谐波含量较高，而对图8(b)分析可以看到，在DC/DC级为三电平直流变换器拓扑中，系统输出电流的THD仅为1.59%，输出电流质量得到了改善。

(b) 前级交错DC/DC变换器 图8 系统输出电流THD分析

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5 结论

本文针对三电平逆变器中点电位平衡的问题进行了研究。重点分析了在DC/DC级采用三电平直流变换器抑制中点电位偏移的基本工作原理，在

MATLAB/Simulink环境下对电路拓扑和控制算法进行了系统仿真。仿真结果表明，采用基于三电平直流变换器的三电平逆变器，较传统结构增加的硬件成本低，中点电位控制效果好，其中点电位偏移有效减小93%以上。

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