现代电力电子翻译

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 60, NO. 5, MAY 2013

Design of Neutral-Point Voltage Controller of a

Three-Level NPC Inverter with Small DC-Link

Capacitors

带小型直流母线电容的三电平NPC逆变器中性点

电压控制器的设计

Abstract：A neutral-point-clamped three-level inverter with small dc-link capacitors is presented in this paper. The inverter requires zero average neutral-point current for stable neutral– point voltage. The small dc-link capacitors may not maintain capacitor voltage balance, even with zero neutral-point current. This may happen due to nonlinearities present in the circuit. This requires a fast control of the neutral-point voltage. A simple carrier-based modulation strategy which allows modeling of the neutral-point voltage dynamics as a continuous function of power drawn from the inverter is proposed. This continuous model shows that the neutral-point current is proportional to the power drawn from the inverter, and it enables the use of a well-established classical control theory for the neutral-point voltage controller design.

A simple proportional integral controller is designed for the neutral-point voltage control on the basis of the continuous model. The design method for optimum performance is discussed. The implementation of the proposed modulation strategy and the controller is very simple. The controller is implemented in a 7.5-kW induction machine-based drive with only 14 μF dc-link capacitors. Also, the experimental results show that fast and stable performance of the neutral-point voltage controller are achieved and thus verify the validity of the proposed control approach.

Index Terms—Multilevel inverter, neutral-point-clamped (NPC) inverter, neutral-point voltage control, pulsewidth modulation (PWM).

摘要：本文提出了一种带小型直流母线电容的三电平NPC逆变器。逆变器需要平均中性点电流为零以便获得稳定的中性点电压。小型直流母线电容可能无法维持电容电压的平衡，即使中性点电流为零时。因为电路存在非线性，所以这种情况有可能发生。这就意味着需要中性点电压的快速控制。提出了一个简单的允许中性点电压的动态建模作为逆变器消耗的电能的连续函数的载波调制策略。这个连续的模型表明中性点电流正比于逆变器消耗的功率，并且它能够使用完善建立的经典控制理论来进行中性点电压控制器的设计。在此连续模型的基础上设计了一个简单地比例积分控制器来控制中心点电压。讨论了该设计方法的最佳性能。所提出的调制策略和控制器的实现非常简单。该控制器只用了14μF的直流母线电容即实现了7.5千瓦异步电机驱动器的驱动。此外，实验结果表明中性点电压控制器的快速性和稳定性得以实现，从而验证了所提出的控制方法的有效性。

关键词：多电平逆变器，中性点箝位（NPC）逆变器，中性点电压控制，脉宽调制（PWM）。

6 实验结果

电网上的中性点电压的均方根是230V相当于VDC =269 V，异步电机额定输出功率为7.5千瓦。这就需要三电平逆变器的输出功率为8.7千瓦左右。三电平逆变器是使用SEMIKRON IGBT的

SK30MLI066模块来实现。每个模块具有NPC三电平逆变器一个桥臂所需的四个IGBT和六个二极管。在逆变器中使用的直流母线电容均为14μF。该驱动器采用开环V / f控制。用在电源频率为50

赫兹设备上的最大调制指数为1.1547。

图10和11表明，300 Hz的纹波存在于直流母线，是因为相当于7μF的直流母线电容（两个14μF 的电容串联组合）和200μH直流母线电抗器的存在。这对应于直流母线的LC滤波器的截止频率为4 kHz。为了比较此逆变器和具有硬直流母线电压的逆变器的性能，电容值的改变为1.65 mF（串联组合两个3.3mF电容），不改变直流母线电抗器的值。

这对应于直流母线的LC滤波器的截止频率为275赫兹。直流母线电压（Vdc1，Vdc2），异步电机的线电流（IA），以及电机的线电压（V AB）在满负荷条件下如图12所示，电机的电流波形失真较小，是因为电机电压中不存在低次谐波。

（a）异步电机空载（b）异步电机的输出机械功率为7.5

千瓦

图10 ωc=2π•500弧度/秒，直流母线电容为14μF时，Vdc1，Vdc2，电机的相电流（Ia），和电机的线电压（VAB）

（a）异步电机空载（b）异步电机的输出机械功率为7.5

千瓦

图11 ωc=2π•1000弧度/秒，直流母线电容为14μF时，Vdc1，Vdc2，电机的相电流（Ia），和电机的线电压（VAB）

图12 在ωc=2π·1000弧度/秒，异步电机输出功率为7.5千瓦和直流母线电容为3.3mF 时，Vdc1，Vdc2，电机的相电流（Ia）和电机的线电压（VAB）

选择不同的Kp时直流母线电压的响应图13所示。图13（a）显示的是Kp=-0.0007时的响应，高过冲因为低的交叉频率导致过电压穿过直流母线电容的底部并且逆变器被关闭。

图13（b）表示Kp = -0.0014的响应。直流母线电压在控制器接通后的24毫秒实现了平衡。因为无电流控制器，所以在异步电机空载时控制器就需要接通。于一个给定的Kp这种情况对应于低增益交叉频率（ωc）。为了更快的平衡直流母线电压可以使用较高绝对增益的的Kp来实现，如图13（c）所示，Kp=-0.0028。在这种情况下直流母线在12毫秒时达到了平衡并减小了过冲。基于小型直流母线电容的驱动器的性能如图14和15所示，在启动过程中直流母线电压，电机的电流（IA），以及电机的线电压（VAB）如图14所示。图14显示出频率变化范围为15到45赫兹。这也显示了中性点电压控制器应对不同频率和瞬变的性能。该控制器是能够保持中性点电压的平衡的。他励直流电机被用作异步电机的负载，负载的阶跃变化是通过改变直流电机的励磁来实现的。因为它不是一个高性能的驱动器，异步电机的电流变化从空载到满载需要约2秒的时间，如图15所示。在这种情况下中性点电压控制器还能够维持中性点电压的平衡。