一种五电平ANPC变换器的调制技术研究
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ABB 推出一种五电平拓扑结构为有源中性点钳 位（5L-ANPC）转换器，其将悬浮电容与中点钳位 （Neutral Point Clamp，NPC）拓扑相结合，如图 1（a） 所示 [3]。与传统拓扑结构相比，此类五电平拓扑的中 点平衡控制更简单，输出的电平状态更加灵活，可靠 性更高。为提高效率，文献 [4] 提出了一种新拓扑， 如图 1（b）所示。此拓扑能保证大电流时导通的开 关管从 3 个降低为两个。然而，此拓扑效率虽然获得 了提升，但是为了效率等，其在高压情况下开关管 Q1 和 Q6 的应力较大，尚待优化。针对上述问题，文
Q 66
L aa C aa
（b）五电平 ANPC 拓扑 2 图 1 单相含悬浮电容的五电平逆变器
为了克服这些问题，本文基于图 1（b）提出了
2021 年 6 月 25 日第 38 卷第 12 期
耿后来，等：一种五电平 ANPC 变换器的 调制技术研究
Telecom Power Technology
压的机会。例如，当输出参考电压介于 Udc/4 和 Udc/2 之间时，可以使用开关状态 V2 和 V4 或 V3 和 V4。选 择使用其中的一个 (V2 或 V3)，主要目标是减少参考 电压和实际悬浮电容电压之间的差异。为了调节悬浮
电 影容响电，压在，选基择于开U表关AN状1=中态2矢×V(2量G或1和−V输13)时出+ G必电5须流+ G考对7 虑悬×输浮U4出电dc 电容流的
Keywords: active neutral point clamp ; floating capacitor balance control; five-level; pulse width modulation
0 引 言
多电平变换器能够实现更高电压等级和更大容 量，且可以能降低系统谐波，功率器件所承受的电压 应力小，相对能用低压开关管降低开关损耗等优点， 在交流调速、光伏发电以及风力发电等系统中得到 广泛应用。多电平逆变器的拓扑结构主要包括 H 桥 级联拓扑、中点钳位拓扑以及飞跨电容拓扑。其中 H 桥级联型多电平变换器所用的功率器件较多，整机综 合成本高，传统二极管箝位式变换器存在母线电容电 压难以平衡的问题，控制较复杂，严重影响整个系统 的可靠性 。 [1-3]
2021 年 6 月 25 日第 38 卷第 12 期
ｄｏｉ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２１．１２．００５
Telecom Power Technology
Ｊｕｎ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１２
研制开发
一种五电平 ANPC 变换器的调制技术研究
耿后来，李 星，曹 伟，徐清清，李 顺 （阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088）
驱动 G5 互补，开关管 Q3 的驱动 G3 与开关管 Q6 的驱
动 G6 互补，其驱动关系和 G7/G8 一样。表 1 为五电平
各个矢量及开关状态表，其中开关管为“0”则表示
其断开，开关管为“1”则表示其导通。对于正半周期，
可推导出输出电平的计算公式为：
U AN
=
2× (
U AN
G=1−21×)(+GG1 −5 +1)G+7G ×5 +U4Gdc7
关键词：有源中性点钳位；悬浮电容平衡控制；五电平；脉宽调制
A New Modulation Technology of Five-Level ANPC Converter
GENG Houlai, LI Xing, CAO Wei, XU Qingqing, LI Shun (Sungrow Power Supply Co., Ltd., Hefei 230088, China)
1
0
-Udc/4
-
+
V8
0
0
1
0
-Udc/2
0
0
表中开关管 Q7 的驱动 G7 与开关管 Q8 的驱动 G8
互补，当驱动 G7 为 0 时，对应驱动 G8 为 1，当驱动
G7 为 1 时，对应驱动 G8 为 0；开关管 Q1 的驱动 G2
与 Q4 的驱动 G5 互补，开关管 Q2 的驱动 G2 与 Q5 的
1 ANPC 五电平转换器工作原理
基于悬浮电容的五电平 ANPC 转换器如图 1（b）
所示，其输入侧由两个电容串联组成，每个电容的额
定电压值为直流母线电压的一半，即 Udc/2。此类拓 扑结构要求每一相都有一个悬浮电容 Cf，通常控制 其电压应为直流母线电压的 1/4，即 Udc/4。基于悬浮 电容 Cf 的五电平 ANPC 转换器由 8 个开关状态组成， 根据电容器电压在输出端产生不同的电压电平，各个
控制悬浮电压超过 Udc/4，由于悬浮电容电压波 动，V2 和 V3 矢量的输出电平将不再相同，同理 V6 和 V7 矢量的输出电平将也不再相同，故可以使用 7 种 不同的电压电平来生成所需的输出电压 [5]。控制输 出七电平，然而其使用的是七电平方案不是最近矢量 调制，输出电压在过度点波动过大，进而导致输出电 流 THD 偏大。故结合最近矢量调制和悬浮电容控制 平衡的方案，提出一种基于平均的概念进行新的调制 策略。
出电压 UAN 可以输出 5 个电平，分别为 Udc/2、Udc/4、 0、-Udc/4 以及 -Udc/2。某些开关状态在产生一定的 输出电压电平时是冗余的，如 V2 和 V3 是冗余开关状 态以生成 Udc/4，类似地，(V6,V7) 和 (V4,V5) 是分别生 成 -Udc/4 和 0 的冗余状态。尽管冗余开关状态 (V2,V3) 和 (V6,V7) 产生相同的输出电压电平，但由于流过悬浮 电容 Cf 的电流方向是变化的，它们对悬浮电容电压 的影响彼此相反，故此相同电平提供了调节其两端电
∫ 向 电，平为输了出达的到目控的U，制os 需悬= T要浮1s ×在电0正容TsU或电AN负压(t半的) d周平t 期衡通，过进选而择实合现适五
的矢量来进行状态切换。但是，考虑应力等问题，可 以使用不同的控制技术和策略来确定悬浮电容电压的 参考值。
2 基于悬浮电容的 ANPC 的调制技术
传统上，调制器只需要输出参考电压作为输入， 假设悬浮电容 Cf 电压调节到 Udc/4，可以利用 5 个不 同的电压电平来生成所需的输出电压。但是，一般而 言，必须考虑参考悬浮电容电压值，特别是输入电压 为高压的时候，需要通过调制降低 Q1 和 Q6 的应力。
其中开G关5 =管10QG55UU的=oo驱><1000动UUGoo5><的00 状态为：
×
U（dc1） 4
（2）
dU Cf dt
= iR × dCUf Cf dt
(=G1i
−
R
Cf
G7
×(
)
G1
−
G7
)
∫ ( ) Uos = 1 ×
U Ts AN
t
dt
式中，Uo 为调制波信号。 以直流母线重点 N 为参考点，则该电路桥臂输
和 Uy 之间，结果输出电压跟踪基于式（4）的参考 波形。
Ux
Ucf Udc/2-Ucf
0
-Udc/2+ Ucf -Ucf
(V3) (V2)
(V4V5)
(V7) (V6)
Uref
-Udc/2
(V8)
图 3 矢量状态及 7 个电平示意图
Uy
基于平均技术，实施平均方法以获得悬浮五电平
逆变器中所需的输出电压。重点对图 3 中输出电压的 虚线部分进行优化，需要利用两个最接近的适当电压
· １９ ·
4
1 G5 = 0
Uo >0 Uo <0
2021 年 6 月 25 日第 38 卷第 12 期
Telecom Power Technology
Ｊｕｎ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１２
值 Uo通s 可常以，表每示个为采d：Ud样tCf时=间Ci RfT×s 内(G输1 −出G7电) 压 UAN 的平均
Q77
N
C22
Uddcc /2
Q44
Cff
Uff
A
Q55
Q88
Q66
PV-
（a）五电平 ANPC 拓扑 1
+U ddcc/2 C 11
D 11 Q 22 N
C 22 -U ddcc/2
Q 55 D 66
Q 11
Q 77 D 22
D 33
Q 33
Q 44
U CCff
C ff
A
D 44 D 55
Q 88
Abstract: This article analyzes the principle of the neutral point clamped five-level inverter with floating capacitor, in order to overcome the problem of the module stress and output current quality of the five-level inverter with floating capacitor at high voltage, combined with the recent vector modulation and floating capacitor balance control，This paper proposed a modulation technology based on the average concept to generate the required AC output voltage, reduce the power module stress and reduce the THD of the output current. Simulation research has verified the correctness of the scheme, experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed modulation technology.
摘要：分析一种带悬浮电容的中性点钳位五电平逆变器的工作原理，针对其在高压时的模块应力和输出电流质 量问题，结合最近矢量调制和悬浮电容平衡控制的方案，提出了一种基于平均概念的调制技术，产生所需的交流输 出电压，降低功率模块应力的同时降低输出电流的总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）。仿真研究验证 了此方案的正确性，最后通过实验结果证明了所提调制技术的有效性。
的极性。当输出电流的极性为正时，选择 V2 矢量则 悬 而浮V3电矢容量C的f 会选放G择5电会=，导10因致此UU悬oo，>浮<00悬电浮容电的容电的压电将压增会加降。低从， 上述的分析可推导出悬浮电容电压波动公式为：
dU Cf dt
= iR Cf
× (G1 − G7 )
（3）
通过上述分析可知，依据对应相的输出电流方
∫ ( ) Uos
=
1 Ts
×
U Ts
0 AN
t
dt
（4）
以使用 7 种不同的电压电平来生成所需的输出电压。 图 3 显示了悬浮电容电压超过正常额定值 Udc/4 的示 意图，对应桥臂输出电压 UAN 将会出现 7 个电平。
Udc/2
(V1)
式中，UAN(t) 是输出开关电压。 图 2 为参考电压波形，Uref 位于两个电压电平 Ux
矢量的开关组合及电压输出如表 1 所示。
表 1 五电平各个矢量及开关状态表
开关管
对悬浮电容影响
矢量
电压
Q7
Q1
Q2
Q3
iA ＜ 0 iA ＞ 0
V1
1
1
0
1
+Udc/2
0
0
V2
0
1
0
1
+Udc/4
+
-
V3
1
0
0
1
+Udc/4
-
+
V4
Hale Waihona Puke 0001
0
0
0
V5
1
0
1
1
0
0
0
V6
0
0
1
1
-Udc/4
+
-
V7
1
0
收稿日期：2021-05-03 作者简介：耿后来（1985-），男，湖北黄冈人，硕士，高 级工程师，主要研究方向为新能源发电与光伏逆变器电源 的开发。
· １８ ·
献 [5] 提出了一种七电平的控制方式，然而其方案会 降低转换器输出电流质量，电流畸变偏大。
PV+ Q11
C11
Uddcc/2
Q22
Q33
Ｊｕｎ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１２
一种新的调制策略来确定要选择的适当开关状态，即 使在悬浮电容器电压存在不平衡时，也可以产生所需 的输出电压。所提出的调制技术控制悬浮电容电压不 必总是等于直流母线电压的 1/4，在高压时使得逆变 器处于七电平调制策，采用平均的概念，结合最近矢 量调制和悬浮电容控制平衡方案控制输出电压占空比， 高压时在保证器件应力的前提下保证逆变器输出电流 质量。最后，在高压下通过 MATLAB 进行仿真，验 证了所提调制策略的正确性与可行性。
Q 66
L aa C aa
（b）五电平 ANPC 拓扑 2 图 1 单相含悬浮电容的五电平逆变器
为了克服这些问题，本文基于图 1（b）提出了
2021 年 6 月 25 日第 38 卷第 12 期
耿后来，等：一种五电平 ANPC 变换器的 调制技术研究
Telecom Power Technology
压的机会。例如，当输出参考电压介于 Udc/4 和 Udc/2 之间时，可以使用开关状态 V2 和 V4 或 V3 和 V4。选 择使用其中的一个 (V2 或 V3)，主要目标是减少参考 电压和实际悬浮电容电压之间的差异。为了调节悬浮
电 影容响电，压在，选基择于开U表关AN状1=中态2矢×V(2量G或1和−V输13)时出+ G必电5须流+ G考对7 虑悬×输浮U4出电dc 电容流的
Keywords: active neutral point clamp ; floating capacitor balance control; five-level; pulse width modulation
0 引 言
多电平变换器能够实现更高电压等级和更大容 量，且可以能降低系统谐波，功率器件所承受的电压 应力小，相对能用低压开关管降低开关损耗等优点， 在交流调速、光伏发电以及风力发电等系统中得到 广泛应用。多电平逆变器的拓扑结构主要包括 H 桥 级联拓扑、中点钳位拓扑以及飞跨电容拓扑。其中 H 桥级联型多电平变换器所用的功率器件较多，整机综 合成本高，传统二极管箝位式变换器存在母线电容电 压难以平衡的问题，控制较复杂，严重影响整个系统 的可靠性 。 [1-3]
2021 年 6 月 25 日第 38 卷第 12 期
ｄｏｉ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２１．１２．００５
Telecom Power Technology
Ｊｕｎ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１２
研制开发
一种五电平 ANPC 变换器的调制技术研究
耿后来，李 星，曹 伟，徐清清，李 顺 （阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088）
驱动 G5 互补，开关管 Q3 的驱动 G3 与开关管 Q6 的驱
动 G6 互补，其驱动关系和 G7/G8 一样。表 1 为五电平
各个矢量及开关状态表，其中开关管为“0”则表示
其断开，开关管为“1”则表示其导通。对于正半周期，
可推导出输出电平的计算公式为：
U AN
=
2× (
U AN
G=1−21×)(+GG1 −5 +1)G+7G ×5 +U4Gdc7
关键词：有源中性点钳位；悬浮电容平衡控制；五电平；脉宽调制
A New Modulation Technology of Five-Level ANPC Converter
GENG Houlai, LI Xing, CAO Wei, XU Qingqing, LI Shun (Sungrow Power Supply Co., Ltd., Hefei 230088, China)
1
0
-Udc/4
-
+
V8
0
0
1
0
-Udc/2
0
0
表中开关管 Q7 的驱动 G7 与开关管 Q8 的驱动 G8
互补，当驱动 G7 为 0 时，对应驱动 G8 为 1，当驱动
G7 为 1 时，对应驱动 G8 为 0；开关管 Q1 的驱动 G2
与 Q4 的驱动 G5 互补，开关管 Q2 的驱动 G2 与 Q5 的
1 ANPC 五电平转换器工作原理
基于悬浮电容的五电平 ANPC 转换器如图 1（b）
所示，其输入侧由两个电容串联组成，每个电容的额
定电压值为直流母线电压的一半，即 Udc/2。此类拓 扑结构要求每一相都有一个悬浮电容 Cf，通常控制 其电压应为直流母线电压的 1/4，即 Udc/4。基于悬浮 电容 Cf 的五电平 ANPC 转换器由 8 个开关状态组成， 根据电容器电压在输出端产生不同的电压电平，各个
控制悬浮电压超过 Udc/4，由于悬浮电容电压波 动，V2 和 V3 矢量的输出电平将不再相同，同理 V6 和 V7 矢量的输出电平将也不再相同，故可以使用 7 种 不同的电压电平来生成所需的输出电压 [5]。控制输 出七电平，然而其使用的是七电平方案不是最近矢量 调制，输出电压在过度点波动过大，进而导致输出电 流 THD 偏大。故结合最近矢量调制和悬浮电容控制 平衡的方案，提出一种基于平均的概念进行新的调制 策略。
出电压 UAN 可以输出 5 个电平，分别为 Udc/2、Udc/4、 0、-Udc/4 以及 -Udc/2。某些开关状态在产生一定的 输出电压电平时是冗余的，如 V2 和 V3 是冗余开关状 态以生成 Udc/4，类似地，(V6,V7) 和 (V4,V5) 是分别生 成 -Udc/4 和 0 的冗余状态。尽管冗余开关状态 (V2,V3) 和 (V6,V7) 产生相同的输出电压电平，但由于流过悬浮 电容 Cf 的电流方向是变化的，它们对悬浮电容电压 的影响彼此相反，故此相同电平提供了调节其两端电
∫ 向 电，平为输了出达的到目控的U，制os 需悬= T要浮1s ×在电0正容TsU或电AN负压(t半的) d周平t 期衡通，过进选而择实合现适五
的矢量来进行状态切换。但是，考虑应力等问题，可 以使用不同的控制技术和策略来确定悬浮电容电压的 参考值。
2 基于悬浮电容的 ANPC 的调制技术
传统上，调制器只需要输出参考电压作为输入， 假设悬浮电容 Cf 电压调节到 Udc/4，可以利用 5 个不 同的电压电平来生成所需的输出电压。但是，一般而 言，必须考虑参考悬浮电容电压值，特别是输入电压 为高压的时候，需要通过调制降低 Q1 和 Q6 的应力。
其中开G关5 =管10QG55UU的=oo驱><1000动UUGoo5><的00 状态为：
×
U（dc1） 4
（2）
dU Cf dt
= iR × dCUf Cf dt
(=G1i
−
R
Cf
G7
×(
)
G1
−
G7
)
∫ ( ) Uos = 1 ×
U Ts AN
t
dt
式中，Uo 为调制波信号。 以直流母线重点 N 为参考点，则该电路桥臂输
和 Uy 之间，结果输出电压跟踪基于式（4）的参考 波形。
Ux
Ucf Udc/2-Ucf
0
-Udc/2+ Ucf -Ucf
(V3) (V2)
(V4V5)
(V7) (V6)
Uref
-Udc/2
(V8)
图 3 矢量状态及 7 个电平示意图
Uy
基于平均技术，实施平均方法以获得悬浮五电平
逆变器中所需的输出电压。重点对图 3 中输出电压的 虚线部分进行优化，需要利用两个最接近的适当电压
· １９ ·
4
1 G5 = 0
Uo >0 Uo <0
2021 年 6 月 25 日第 38 卷第 12 期
Telecom Power Technology
Ｊｕｎ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１２
值 Uo通s 可常以，表每示个为采d：Ud样tCf时=间Ci RfT×s 内(G输1 −出G7电) 压 UAN 的平均
Q77
N
C22
Uddcc /2
Q44
Cff
Uff
A
Q55
Q88
Q66
PV-
（a）五电平 ANPC 拓扑 1
+U ddcc/2 C 11
D 11 Q 22 N
C 22 -U ddcc/2
Q 55 D 66
Q 11
Q 77 D 22
D 33
Q 33
Q 44
U CCff
C ff
A
D 44 D 55
Q 88
Abstract: This article analyzes the principle of the neutral point clamped five-level inverter with floating capacitor, in order to overcome the problem of the module stress and output current quality of the five-level inverter with floating capacitor at high voltage, combined with the recent vector modulation and floating capacitor balance control，This paper proposed a modulation technology based on the average concept to generate the required AC output voltage, reduce the power module stress and reduce the THD of the output current. Simulation research has verified the correctness of the scheme, experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed modulation technology.
摘要：分析一种带悬浮电容的中性点钳位五电平逆变器的工作原理，针对其在高压时的模块应力和输出电流质 量问题，结合最近矢量调制和悬浮电容平衡控制的方案，提出了一种基于平均概念的调制技术，产生所需的交流输 出电压，降低功率模块应力的同时降低输出电流的总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）。仿真研究验证 了此方案的正确性，最后通过实验结果证明了所提调制技术的有效性。
的极性。当输出电流的极性为正时，选择 V2 矢量则 悬 而浮V3电矢容量C的f 会选放G择5电会=，导10因致此UU悬oo，>浮<00悬电浮容电的容电的压电将压增会加降。低从， 上述的分析可推导出悬浮电容电压波动公式为：
dU Cf dt
= iR Cf
× (G1 − G7 )
（3）
通过上述分析可知，依据对应相的输出电流方
∫ ( ) Uos
=
1 Ts
×
U Ts
0 AN
t
dt
（4）
以使用 7 种不同的电压电平来生成所需的输出电压。 图 3 显示了悬浮电容电压超过正常额定值 Udc/4 的示 意图，对应桥臂输出电压 UAN 将会出现 7 个电平。
Udc/2
(V1)
式中，UAN(t) 是输出开关电压。 图 2 为参考电压波形，Uref 位于两个电压电平 Ux
矢量的开关组合及电压输出如表 1 所示。
表 1 五电平各个矢量及开关状态表
开关管
对悬浮电容影响
矢量
电压
Q7
Q1
Q2
Q3
iA ＜ 0 iA ＞ 0
V1
1
1
0
1
+Udc/2
0
0
V2
0
1
0
1
+Udc/4
+
-
V3
1
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+Udc/4
-
+
V4
Hale Waihona Puke 0001
0
0
0
V5
1
0
1
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0
0
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0
0
1
1
-Udc/4
+
-
V7
1
0
收稿日期：2021-05-03 作者简介：耿后来（1985-），男，湖北黄冈人，硕士，高 级工程师，主要研究方向为新能源发电与光伏逆变器电源 的开发。
· １８ ·
献 [5] 提出了一种七电平的控制方式，然而其方案会 降低转换器输出电流质量，电流畸变偏大。
PV+ Q11
C11
Uddcc/2
Q22
Q33
Ｊｕｎ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１２
一种新的调制策略来确定要选择的适当开关状态，即 使在悬浮电容器电压存在不平衡时，也可以产生所需 的输出电压。所提出的调制技术控制悬浮电容电压不 必总是等于直流母线电压的 1/4，在高压时使得逆变 器处于七电平调制策，采用平均的概念，结合最近矢 量调制和悬浮电容控制平衡方案控制输出电压占空比， 高压时在保证器件应力的前提下保证逆变器输出电流 质量。最后，在高压下通过 MATLAB 进行仿真，验 证了所提调制策略的正确性与可行性。