一種T型NPC三電平三相四橋臂中點電位控制策略

劉京斗，張冀川，李會南

（1.北京交通大學(xué)國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京100044；2.北京交通大學(xué)北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100044）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．61中圖分類號：TM 923文獻標(biāo)志碼：A

一種T型NPC三電平三相四橋臂中點電位控制策略

劉京斗1，2，張冀川1，2，李會南1，2

（1.北京交通大學(xué)國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京100044；2.北京交通大學(xué)北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100044）

T型中點箝位三電平（TNPC）逆變器因其損耗低、效率高已被廣泛應(yīng)用，但中點電位平衡是關(guān)鍵問題之一。針對中點電位偏移，采用直流側(cè)并聯(lián)半橋模塊并且中線串接電感構(gòu)成第四橋臂的結(jié)構(gòu)，分析了第4橋臂數(shù)學(xué)模型及在三相負載平衡和不平衡工況下中點偏移電壓諧波次含量，根據(jù)中點偏移電壓諧波次含量不同提出基于PIR比例積分諧振的電壓電流雙環(huán)控制。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)第4橋臂與TNPC獨立控制，仿真和實驗結(jié)果表明該方法能夠保證直流側(cè)中點電位平衡。

TNPC；4橋臂；中點電位平衡；比例積分諧振

Project Supported by the Application Technology Research and Engineering Demonstration Program of National Energy（NY20 150303）

引言

三電平變流器已廣泛應(yīng)用于電力傳動領(lǐng)域。相比于兩電平逆變器，三電平NPC逆變器具有如下優(yōu)點［1-2］：①開關(guān)損耗小，效率高；②開關(guān)動作時dv/ dt小，引起的電磁干擾?。虎巯嗤_關(guān)頻率下，輸出電壓和電流諧波含量大幅降低；④濾波電感小，降低系統(tǒng)成本。而在三電平NPC拓撲中，又以T型NPC拓撲效率最高，且所用器件數(shù)量最少。

為了使得三電平逆變器可靠運行，需確保中點電位平衡［3］。若中點電位控制不好，將會導(dǎo)致輸出電壓不對稱或者輸出諧波及包含零序分量。目前平衡中點電位的方法主要有2種方案：①基于零序分量注入的載波PWM方法［4-6］；②基于冗余小矢量調(diào)整的SVPWM方法［7-8］。利用冗余小矢量對中點電壓影響作用相反的特點，通過精確調(diào)整冗余小矢量對作用時間來控制中點電壓平衡，該方法效果好，且算法簡單易行，已被廣泛采用。但上述方案僅適用于三相橋臂逆變器帶平衡負載工況。若三相橋臂逆變器帶不平衡負載不對稱運行，輸出電壓幅值會產(chǎn)生差異、帶非線性負載不對稱運行時輸出電壓波形會發(fā)生畸變，因而輸出的電能質(zhì)量不能保證。三相四橋臂逆變器［9-12］拓撲能夠解決中點電位平衡及不對稱運行工況。

本文首先分析了第4橋臂的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計了電壓電流雙環(huán)控制方案，使電感電流能夠補償中線電流的波動，進而控制中點電位平衡。同時方案能夠?qū)崿F(xiàn)第4橋臂與三相橋臂TNPC的獨立控制。仿真和實驗表明了控制方法的有效性。

1　TNPC型三相四橋臂逆變器拓撲

圖1為TNPC三相四橋臂逆變器拓撲。其中，逆變器通過LC濾波器與三相負載Rload連接，負載中點連接至直流側(cè)支撐電容中點，中線電感Ln用于降低中線電流中的高頻分量。第4橋臂由半橋模塊構(gòu)成，并聯(lián)至直流側(cè)電容C1、C2上，其主要作用是：一是給中線電流提供回路；二是保持中點的平衡，即實現(xiàn)中點電壓漂移控制。確保4橋臂變換器即使在給不平衡負載供電時也能輸出平衡的三相電壓，克服中點漂移而引起的輸出電壓包含直流分量的現(xiàn)象。

單獨加第4橋臂便于實現(xiàn)第4橋臂與其他3個橋臂的獨立控制，容易將傳統(tǒng)3橋臂變換器的控制算法應(yīng)用到該4橋臂變換器中。

2　中點電位平衡分析

以圖1中A相拓撲分析，其中VTa1、VTa2、VTa3、VTa4為IGBT器件，C1和C2為中間支撐電容，假定此單相模型負載電流流出橋臂方向為正。

變流器在穩(wěn)態(tài)工作時共有3種工作狀態(tài)，相應(yīng)地有3種開關(guān)狀態(tài)P、O、N。定義IGBT導(dǎo)通為1、關(guān)斷為0，則IGBT的開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

表1　IGBT開關(guān)狀態(tài)Tab.1 IGBT switching states

在“O”開關(guān)狀態(tài)即某相輸出0電平時，負載電流流過中間電容，在一個開關(guān)周期內(nèi)流出中點和流進中點的電流不等，將造成中點電位不平衡。

設(shè)m為調(diào)制比，平衡工況下三相調(diào)制波為

三相輸出電流為

式中：ia、ib、ic為逆變器輸出三相電流；φ為功率因數(shù)角。

當(dāng)開關(guān)管VTa3、VTa4導(dǎo)通時，逆變器輸出連接到中點，輸出“O”狀態(tài)。定義dk0（k=a，b，c）為一個載波周期內(nèi)k相輸出“O”狀態(tài)的占空比。根據(jù)脈寬調(diào)制理論，在線性調(diào)制區(qū)內(nèi)，dk0可表示為

由于載波頻率遠高于調(diào)制波頻率，近似認為一個載波周期內(nèi)ia、ib、ic為恒定值。在一個載波周期內(nèi)三相流入或流出中點的平均電流之和為中點平均電流，即

對于三相平衡系統(tǒng)工況，ia+ib+ic=0，則inp為而調(diào)制波不滿足ua=ub=uc，因此不平衡問題會一直存在。

設(shè)中點漂移電壓為UO，直流側(cè)電壓為Udc，則UO、Udc分別為

流入中點的電流與中點電壓關(guān)系為

假設(shè)直流側(cè)電容C1=C2=C，可得

聯(lián)立式（7）和式（9），則直流側(cè)中點電位的變化量可以表示為

對式（5）、式（10）進行數(shù)學(xué)分析可知：

①平衡負載工況下，流入或流出中點電位電流和中點電位變化量為3倍頻分量；

②不平衡負載工況下，流入或流出中點電位電流和中點電位變化量為基頻分量和3倍頻分量。

3　第4　橋臂控制器設(shè)計

3.1第4橋臂數(shù)學(xué)模型分析

根據(jù)基爾霍夫定律，由圖1得到電感電壓uL和中線電流iN為

由式（10）和式（12）可得

3.2控制器設(shè)計

結(jié)合第4橋臂數(shù)學(xué)模型，提出一種電壓電流雙閉環(huán)的中點電位平衡控制，控制模型如圖2所示。UO*為中點電位控制指令復(fù)矢量，UO為中點電位反饋復(fù)矢量，ΔUO為中點電位誤差復(fù)矢量，GV（s）、為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)?？刂茖ο鬄橹芯€電感1/sL和直流側(cè)電容1/（2sC）。

此方法能夠?qū)崿F(xiàn)第4橋臂與其他3個橋臂的獨立控制，容易將傳統(tǒng)3橋臂變換器的控制算法應(yīng)用到該4橋臂變換器中。

圖2　電壓電流雙閉環(huán)模型Fig.2 Model of voltage-current feedback control

根據(jù)本文第2節(jié)分析可知，在平衡或不平衡負載工況下中點電位電壓存在基頻或3倍頻分量。為了實現(xiàn)對中點電位的無靜差控制，需改進傳統(tǒng)控制中的比例積分PI調(diào)節(jié)器。為此，本文提出了一種準(zhǔn)PIR控制器，PIR中點電位控制器由1個傳統(tǒng)PI控制器加上1個基頻和3倍頻的諧振調(diào)節(jié)器組合而成。

其傳遞函數(shù)可表示為

式中：KP和KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)；KR為諧振系數(shù)；ω0為諧振頻率；ωc為諧振調(diào)節(jié)器的響應(yīng)帶寬，以降低諧振調(diào)節(jié)器對頻率擾動的敏感程度，實際系統(tǒng)中取典型參考值為5～15 rad/s。

實際控制中設(shè)定響應(yīng)帶寬ωc=5，諧振頻率ω0= 50 π，KP=5，KI=0.1，KR=40，得到準(zhǔn)PIR調(diào)節(jié)器的伯德圖如圖3所示。通過伯德圖可知，當(dāng)ω0=50 π和ω0=150 π時，幅值被放大，可以實現(xiàn)對基頻和3倍頻信號的跟蹤。

圖3　PIR波德圖Fig.3 Bode plot of PIR

4　仿真與實驗結(jié)果

為驗證本文TNPC型三電平逆變器中點電位波動分析及第4橋臂控制策略的可行性，采用Matlab/Simulink軟件對圖1的拓撲結(jié)構(gòu)進行仿真分析。逆變離網(wǎng)工況下的主要參數(shù)如下：三相主橋臂采用載波層疊調(diào)制，載波頻率f=4.95 kHz、直流側(cè)電壓Udc=600 V、交流側(cè)濾波電感為5 mH、濾波電容為470 μF，中線電感為5 mH。不同工況下的中點電位波形及諧波如圖4所示。

工況1：三相負載相等，均為R=30 Ω。如圖4（a）所示，中點電位波動僅含3倍頻分量。

圖4　平衡及不平衡負載工況下中點電位波形及諧波Fig.4 Neutral voltage waveform and THD in balanced and unbalanced load

工況2：三相負載不等，Ra=20 Ω，Rb=40 Ω，Rc= 60 Ω。如圖4（b）所示，中點電位波動僅含基頻分量和3倍頻分量。表明上述中點電位分析的正確性。

采用RT-LAB+主電路組成一個半實物仿真實驗平臺?？刂颇Ｐ驮谏衔粰CRT-LAB中搭建，通過編譯下載至目標(biāo)機，產(chǎn)生PWM脈沖信號對三相四橋臂TNPC逆變器進行控制。受限于實驗條件，未在仿真工況下進行實驗。主電路設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2　TNPC主電路參數(shù)Tab.2 Main circuit parameters of TNPC

平衡負載下中點電位偏移抑制如圖5所示。實驗中通道1、2為直流側(cè)電容電壓Uc1、Uc2，通道3為中點偏移電壓ΔUO。從圖5中可以看出，中點電位波動為3倍頻分量。在雙閉環(huán)控制電壓環(huán)中加入PI調(diào)節(jié)器時，中點電位波動明顯減小，但仍含有3倍頻分量；改為PIR比例積分諧振控制后，3倍頻分量幾乎為0，同時直流側(cè)2個電容電壓基本相等，表明第4橋臂控制中點電位效果明顯。

圖5　平衡負載下中點電位偏移抑制Fig.5 Neutral voltage shift suppressing in balanced load

5　結(jié)語

本文從理論推導(dǎo)，分析了TNPC三電平逆變器中點電位偏移產(chǎn)生的機理與成分，對中點偏移電壓諧波次數(shù)進行了總結(jié)。針對中點電位平衡問題提出了一種三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種電壓電流雙環(huán)控制策略。對特定次諧波外環(huán)采用PIR控制器進行中點電位跟蹤，再通過第4橋臂補償電流差值控制中點電位平衡，仿真和實驗驗證了該控制策略對控制中點電位平衡的有效性。

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A Novel Strategy of Neutral Point Potential Balancing for T-NPC Three-level Three-phase Four-leg Inverters

LIU Jingdou1，2，ZHANG Jichuan1，2，LI Huinan1，2
（1. National Active Distribution Network Technology Research Center，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

T-type neutral point clamped（TNPC）grid-connected inverter has been widely used for its low loss and high efficiency，but the neutral-point potential balancing is one of the key issues. In view of neutral-point potential deviating，this paper adopts the DC side shunt half-bridge-module and the midline concatenated inductance，which constitute the structure of fourth leg. This paper analyzed the mathematical model of the fourth leg and harmonic contents of the neutral-point potential under balanced and unbalanced load. Considering of the harmonic times of neutral-point potential，double loop control based on PIR（proportional integral resonant）controller was introduced. This algorithm can realize independent control of fourth leg and TNPC. Simulation and experimental results verify the validity of the neutral-point potential balancing in DC side.

T-type neutral point clamped（TNPC）；four-leg；neutral point voltage shift；proportional integral resonant （PIR）controller

劉京斗

2015-08-14

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項目（NY2015 0303）

劉京斗（1975-），男，工程師，研究方向：電力電子及新能源發(fā)電，E-mail：jdliu@bjtu.edu.cn。

張冀川（1990-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：電力電子及新能源發(fā)電，E-mail：13121501@bjtu.edu.cn。

李會南（1988-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子及新能源發(fā)電，E-mail：13121501@bjtu.edu.cn。