三电平逆变器中点电位平衡控制策略研究

三电平逆变器中点电位平衡控制策略研究
摘要：本文对二极管箝位型三电平逆变器的原理进行分析与研究，主要对三电
平中点电位平衡的控制策略进行研究，阐述了造成三电平逆变器中点电位不平衡
的原因以及危害，并且通过调整互补矢量相对工作时间来控制中点电位平衡。

通
过仿真以及实验验证了该方法的正确性与可行性。

关键词：三电平逆变器；SVPWM；中点电位平衡
Research on neutral point potential balance control strategy of three level inverter LU Yao
(CRRC xi’an YongeJieTong Electric Co., Ltd, Xi’an 710000, China)
Abstract： The paper analyzes the principle of diode clamped three level inverter, for three level neutral point balance control strategy research, expounds the cause of three level inverter neutral point unbalance and harm, and by adjusting the complementary vector of relative working time to control the neutral point potential balance. The correctness of the proposed method is verified by simulation and experiment.
Key Words： Three level inverter; SVPWM; Neutral point potential balance
1 引言
近年来，由于多电平逆变器在高电压、大功率的场合应用的越来越广泛，所
以也就使得我们对其有了越来越多的研究和关注。

因此提出了多种拓扑结构的主
电路，并对其进行深入的研究。

就理论而言，逆变器电平数越多，输出的波形就
会越接近于正弦波，并且谐波成分也将随之越少。

但是随着电平数的增加，对逆
变器的控制也将会更加复杂，其可靠性也会降低。

所以在在中高压变频调速系统中，通常选择二极管箝位型三电平逆变器作为主电路拓扑结构。

对于一个逆变器
而言，要实现开关管的可靠开通和关断，就需要采用适当的的调制策略，即逆变
器的PWM调制技术。

由于本文是以二极管箝位型三电平逆变电路作为研究对象，因此选择空间电压矢量（SVPWM）调制算法作为逆变器的调制算法。

定稿日期：
作者简介：路尧（1990-），男，工程师，研究方向为电力电子与电力传动本文中所提出的中点电位控制策略是建立在调整中小矢量工作时间来控制中
点电位平衡的基础上。

但是在长时间运行下，由于电机运行时产生的电流以及中
小矢量造成的偏移积累还是有可能使系统出现故障。

所以我们将会采用硬件与软
件相结合的改进型控制算法来提高系统的稳定性与可靠性。

为了解决中点电位不平衡的问题，目前主要有硬件和软件两种方案。

硬件方
法主要有两种，一种是在电容两端并联大电阻进行强制分压，但是这种方法会产
生很大功耗，也不利于散热；另一种是采用大容量直流电容，但是电容容量越大，体积也会越大，成本也会增加，不利于逆变器的产业化应用，因此单一使用硬件
的方法没有得到广泛应用。

二是软件方法，通过改变调制算法，根据中、小矢量
对中点电位影响所具有的特性，通过调整互补矢量相对工作时间来控制中点电位
平衡。

下面主要来介绍一下软件控制方法的作用原理。

由前面的分析可知，中点电压平衡与否是和流入逆变器的中点电流有关。

那
么在什么样的情况下才会有电流流入逆变器中点呢？在三相负载对称的情况下，
当三相逆变器中有一相或两相工作在O状态，则电容中点和逆变器中点能形成通道，有电流流入逆变器的中点。

根据三电平逆变器的拓扑结构（图1），可以得
到中点电流和基本矢量的关系，结果列于表1中。

由表1可以看出，中矢量对中点电位有影响，但是不可控，正小矢量和负小
矢量互为冗余小矢量，它们对中点电位的作用正好相反，因此在一个控制周期内，可以使正负小矢量的作用时间相等来控制中点电位的平衡。

由第三节可知，中点电位与中点电流密切相关，因此可以通过硬件电路检测
中点电流和中点电位的偏移方向，来调整小矢量的作用时间。

具体的控制方法为：在每个控制周期内，对中点电压和输出电流进行采样，当时，若中点电流，
则应使负小矢量的作用时间多于正小矢量的作用时间，反之使正小矢量的作用时
间多于负小矢量的作用时间。

当时，若中点电流，则应使正小矢量的作用时间多
于负小矢量的作用时间，反之使负小矢量的作用时间多于正小矢量的作用时间。

令，当偏移的程度较大时，才对开关矢量的作用时间进行调整，以免开关管频繁
开通与关断，造成不必要的损耗。

我们在这里引入一个控制因子k来对一个采样
周期内正负小矢量的作用时间进行调整。

假设在一个控制周期内，受控小矢量的
作用时间为，正小矢量的作用时间为，则分配给负小矢量的作用时间应为。

5 仿真和实验
利用MATLAB软件，在Simulink中搭建仿真模型实验平台，系统仿真模型图
如图6所示，对文中提到的中点点位平衡控制策略进行仿真验证。

仿真试验参数为：直流电压720V，周期0.6ms，仿真时间设置为0.3s，频率50Hz。

从图8、图9和图10的对比可以明显的看出传统中点电位平衡控制算法与改
进中点电位平衡控制算法可以良好的控制无中点电位控制时中点电压不平衡的问题，而改进中点电位平衡控制算法中的中点电压幅值明显小于传统中点电位平衡
控制算法中的中点电压幅值，可以体现改进中点电位平衡控制算法的优越性与理
论分析的正确性。

图11、12为验证上述理论研究与仿真分析所做的实验验证得出的波形。

图
11可以看出A相电压波形会出现三种不同的状态，且为三电平阶梯波，图12为
线电压波形图，可以看出AB线电压波形为五电平阶梯波。

从两图可以看出实验
波形图平滑无大的偏差和突跳，验证了此方法的可行性；同时，和两电平逆变器
相比，三电平逆变器输出的五电平阶梯波更加逼近正弦波，验证了此方法的先进性。

6 结论
本文对二极管箝位型三电平逆变器的原理以及中点电位平衡问题做了详细的分析和实验。

针对空间矢量对于中点电位的影响进行了分析并且在此基础上，给出了一种改进中点电位平衡控制算法，最后搭建仿真实验平台，对改进的中点电位平衡控制算法进行了仿真实验，证明了理论的正确性。

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