三电平NPC变换器中点电压平衡控制策略研究

摘要

多电平变换器兼顾大容量和高性能的特点，逐渐成为中高压大功率场合首选的电力电子变换装置。其中三电平中点钳位（Neutral-Point-Clamped,NPC）变换器以其结构简单、功率器件和电容数量少等特点，得到广泛的研究和应用。本文针对三相/单相三电平NPC变换器调制方法、中点电压平衡控制策略以及若干关键技术问题展开深入研究。 从变换器自身和负载的角度分别分析了中点电压不平衡对三相/单相三电平NPC变换器自身特性和负载控制特性的影响。并对三相/单相三电平NPC变换器中点电压不平衡的形成原因进行了定量分析，给出了三相/单相三电平中点低频电压振荡特点以及影响因素。同时也讨论了三相/单相三电平NPC变换器中点电压补偿原理，即是利用冗余的成对正负小矢量生成相同的线电压而中点电流极性相反的特性来实现对中点电压的平衡控制。 针对常见的两种简化的两电平空间矢量调制方法：零序注入法和统一电压调制方法进行改进，并证明了改进后两种方法完全等效。同时将改进后的零序注入法结合简化的三电平空间矢量调制方法，提出了一种基于k因子的三电平中点电压平衡控制零序注入法。该方法利用简化得到的两电平空间矢量图中冗余零矢量与原始三电平空间矢量图中冗余正负小矢量之间的等价关系，通过调节两电平空间矢量图中冗余零矢量的相对作用时间，进而调节三电平空间矢量图中冗余正负小矢量的相对作用时间，从而实现中点电压的平衡控制。仿真和实验验证了所提出方法的可行性和有效性。 针对虚拟空间矢量调制方法线电压dv/dt大且畸变严重，功率器件开关损耗大以及中点电压平衡动态响应特性慢等不足的本质原因进行深入的分析和讨论，且定义补偿能力值，解释不同方法平衡中点电压速度快慢的本质原因。 利用简化三电平空间矢量图的特点，在每个小六边形（或每个区间）中建立中点平均电流和零序分量之间的数学关系，提出了一种既适用于三相三电平，又适用于单相三电平的中点电压平衡控制单载波零序注入法，实现了三相/单相三电平NPC变换器调制和中点电压平衡控制方法的统一。该方法具有实现简单，计算量小，执行时间短以及中点电压平衡动态响应特性快等优点，仿真和实验验证了所提出方法的有效性和实用性。 在利用三相参考电压信号符号特点划分得到的六个扇区中，分别建立中点平均电流与零序分量之间的关系，提出了一种无需修正原始参考信号的双载波零序注入法，并将该方法拓展应用于单相三电平中点电压平衡控制。该方法同样实现了三相/单相三电平NPC变换器调制和中点电压平衡控制方法的统一，仿真和实验结果证明了该方法的正确性和有效性。

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