模塊化NPC逆變器中點電位平衡及環(huán)流抑制的協(xié)同控制策略

胡德旺，張國琴，蔡久青，吳 鈁

模塊化NPC逆變器中點電位平衡及環(huán)流抑制的協(xié)同控制策略

胡德旺1，張國琴2，蔡久青1，吳 鈁1

（ 1. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205；2.武漢紡織大學電子與電氣工程學院，武漢 430200）

本文研究了一種模塊化三相三線制中點箝位型（Neutral Point Clamped—NPC）三電平逆變器中點電位控制與環(huán)流抑制的協(xié)同控制技術(shù)。首先介紹了模塊化逆變器系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與可切換的控制模態(tài)；然后針對NPC并聯(lián)系統(tǒng)中特有的中點電位問題與模塊間不均流的問題，提出一種和零序環(huán)流協(xié)同控制的準比例諧振的中點電壓平衡算法。所提的優(yōu)化控制方法可使NPC逆變器保證輸出波形質(zhì)量的同時具有更寬的穩(wěn)定運行范圍。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

模塊化三電平逆變器 控制模式切換 協(xié)同控制策略 準比例諧振控制

0 引言

三相三線制中點箝位型（Neutral Point Clamped—NPC）三電平逆變器具有易模塊化、器件應(yīng)力低、容量大及輸出電壓諧波含量低等優(yōu)點，在大功率電源領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。一方面，NPC逆變器本身具有中點電位波動以及并聯(lián)模塊之間的環(huán)流、諧振點偏移等問題[2-3]；另一方面，大功率電源會經(jīng)歷故障穿越的限流階段，需要對應(yīng)的限流控制策略[4-5]。模塊化NPC逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行往往面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn)，必須進行合理且優(yōu)化的控制策略設(shè)計，使其具有更寬的穩(wěn)定運行范圍。

本文首先闡述了模塊化NPC逆變器的工作原理，然后介紹了正常運行和負載側(cè)發(fā)生三相對稱短路故障時的綜合控制策略與可切換的控制模式，為進一步保證模塊化NPC逆變器穩(wěn)定運行，針對中點電位以及零序環(huán)流這兩類具體問題，提出了一種和零序環(huán)流協(xié)調(diào)控制的準比例諧振的中點電壓平衡算法。最終仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 模塊化NPC逆變器分析

圖1(a)為三相三線制并聯(lián)型模塊化NPC整體架構(gòu)，控制器通過采集各模塊的電壓電流等信號，生成PWM信號驅(qū)動各個模塊的開關(guān)管，實現(xiàn)電能的變換。對其中每個NPC模塊主電路進行分析，如圖1（b）所示，C、C為直流側(cè)支撐電容，L為逆變器側(cè)電感，L為輸出側(cè)電感，C為濾波電容。同時定義逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中的零序環(huán)流為輸出側(cè)電流三相平均值。

圖1 并聯(lián)型NPC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

每個模塊的每相橋臂的結(jié)構(gòu)相同，都由4個IGBT 開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管，以及 2 個鉗位二極管組成，根據(jù)開關(guān)序列的不同，每相橋臂都有三種工作狀態(tài)：“P”，“O”和“N”，以A相為例，“P”狀態(tài)時，T和T導(dǎo)通，T和T關(guān)斷，產(chǎn)生V/2的正電平；“O”狀態(tài)時，T和T導(dǎo)通，T和T關(guān)斷，產(chǎn)生零電平；“N”狀態(tài)時，T和T導(dǎo)通，T和T關(guān)斷，產(chǎn)生-V/2的負電平。于是輸出電壓根據(jù)每相的開關(guān)管工作狀態(tài)不同，最終可以產(chǎn)生V/2，0，-V/2三種電壓，三電平逆變器比兩電平逆變器的輸出電平多了零電平（“O”工況），使得在相同的開關(guān)狀態(tài)下，其交流側(cè)輸出線電壓波形的電平數(shù)也相應(yīng)增加，故輸出波形更為接近正弦波。此外，輸出電平數(shù)的增多，使得逆變輸出電壓的變化率 d/d減小，從而減小了逆變器的 EMI 干擾，適合應(yīng)用于大功率電源的場合。

2 模塊化NPC逆變器整體控制模式分析

本文所研究的模塊化三相三線制NPC型三電平逆變器的主控制采用成熟的電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。同時，由于如今各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谀孀兤髟陔妷悍€(wěn)定度、波形畸變以及可靠性上有十分嚴格的要求。尤其是在可靠性方面，大功率逆變器電源要求具有一定的短路故障穿越能力，即要保證逆變器在發(fā)生短路沖擊工況下不能損壞器件和設(shè)備，并且在沖擊結(jié)束后可以自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)。因此，很有必要在逆變器中加入限流保護功能，這樣當發(fā)生短路沖擊的狀況時逆變器才能可靠穩(wěn)定工作，除了傳統(tǒng)的硬件限流保護，軟件控制方面的限流控制設(shè)計也是常用手段[5]。

本文所研究的模塊化三相三線制NPC型三電平逆變器在正常工作時要求穩(wěn)定輸出具有恒定幅值頻率的三相電壓，在負載側(cè)發(fā)生短路故障時需要具有一定的穿越能力，以恒流的形式支撐一段時間，因此模塊化NPC逆變器整體的控制策略是可切換的雙模式，整體控制模式如圖2所示。開機后處于正常運行的控制模式，通過電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的傳統(tǒng)控制方案保證模塊化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；此時，當負載側(cè)發(fā)生三相對稱短路時，通過故障識別算法的判斷，模塊化系統(tǒng)便能快速平滑地切換到限流控制模式，此時，電壓外環(huán)應(yīng)處于輸出限幅的飽和狀態(tài)，相當于電壓外環(huán)在模式切換后被切除，而電流環(huán)的控制參考值經(jīng)由限幅環(huán)節(jié)之后被鉗位至一個幾近恒定的值，然后通過電流環(huán)的作用，使模塊化系統(tǒng)輸出恒定幅值頻率的電流。同時需要指出的是，本文所研究的短路故障主要是三相對稱短路，由于此種短路故障具有對稱性，在故障發(fā)生后逆變器與負載是平衡的且任意兩相之間都相差120度，因此可以基本保持原有的控制框架，僅僅針對不同工況進行控制模式的切換。

圖2 模塊化NPC逆變器整體控制模式框圖

3 控制策略優(yōu)化設(shè)計

3.1 與零序環(huán)流抑制協(xié)同的中點電壓平衡控制

圖2的控制框圖主要考慮模塊化NPC逆變器輸出交流電的電壓和電流質(zhì)量，未考慮直流母線電源側(cè)的電容中點電位不平衡和模塊間環(huán)流的問題，而這兩種問題也容易造成器件損壞甚至整機系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行。中點電位的脈動和偏移與流經(jīng)直流側(cè)中點的電流有關(guān)，而NPC三電平逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中零序環(huán)流的形成不僅與各個模塊開關(guān)狀態(tài)的差異有關(guān)，同時各個模塊間中點電位的差異也是零序環(huán)流的激勵源，因此中點電位不平衡與零序環(huán)流的問題存在耦合[6-7]。

一般來說，針對SPWM調(diào)制的模塊化NPC逆變器系統(tǒng)存在固有的中點不平衡問題，采用統(tǒng)一中點平衡控制法，通過注入計算出的零序分量使中點電位達到平衡。以兩臺并聯(lián)模塊為例，假設(shè)為了控制中點平衡需要注入的零序分量為V，為了抑制零序環(huán)流所需要注入的零序分量為V，每臺逆變器都會加入同樣的中點平衡控制和零序環(huán)流控制，可以得到兩臺逆變器模塊總零序分量為：

根據(jù)公式（2），可以建立傳統(tǒng)零序環(huán)流和中點電位的PI控制框圖如圖3所示。

然而V和V這兩個控制量存在交疊部分，需要兩部分的控制自由度不沖突才能實現(xiàn)控制策略的優(yōu)化設(shè)計。注入零序電流控制在抑制環(huán)流的同時，可以抑制兩臺逆變器中點的電位差。中點電位平衡控制主要是消除本臺逆變器上下電容的電壓不平衡。考慮到在實際變流器系統(tǒng)中，直流母線電容中點電位本身具有一定的自平衡能力，當本臺逆變器上下電容的電壓偏差不超過一定范圍也不會影響本臺變流器的穩(wěn)定運行，并且即使本臺逆變器的上下電容有電壓偏差，只要兩臺逆變器的中點電位不存在電壓差，對零序環(huán)流的影響就可以忽略，因此可以對V進行判別，引入權(quán)重因子，可以將式（2）改寫為：

其中，是中點電位變化量和控制中點平衡需要注入的零序分量為V的函數(shù)，即：

其中，ΔVNP是電容中點電壓的變化量。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，零序環(huán)流的抑制策略應(yīng)當持續(xù)作用，而直流側(cè)的電容中點電位偏移在不超過一定范圍時可以不對電容中點電位進行控制，這樣就在一定范圍內(nèi)避免了兩個控制自由度的沖突。而當其超過一定閾值時才開始對直流側(cè)電容進行中點電位平衡控制。計算得到零序電壓分量V，將其注入到逆變器三相調(diào)制波當中，對逆變器零序電壓分量的占空比進行調(diào)節(jié)；通過合理略微減弱對中點電位的控制效果，同時實現(xiàn)中點平衡和零序環(huán)流協(xié)同控制（以下簡稱協(xié)同控制策略），控制框圖如圖4所示。

圖4 電容中點電壓與零序環(huán)流協(xié)同控制框圖

由于NPC拓撲的固有問題，加之NPC并聯(lián)系統(tǒng)中零序環(huán)流激勵源與各模塊中點電位差異、各模塊共模電壓差異都有關(guān)，因此中點電位與零序環(huán)流中都存在以三倍頻分量為主的低頻分量[3,7-8]。常規(guī)的 PI 調(diào)節(jié)器無法實現(xiàn)對交流分量的無誤差跟蹤，存在穩(wěn)態(tài)誤差。因此，圖4中采用QPR 調(diào)節(jié)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，對中點電壓以及零序環(huán)流中的三倍頻分量實現(xiàn)更好地跟蹤，其表達式為：

其中，K，r3為比例系數(shù)和3次諧振系數(shù)；ω，ω分別為諧振環(huán)節(jié)的截止角頻率和諧振角頻率。采用QPR控制器在不同K下的幅頻特性曲線如圖5所示。可以看出，QPR控制器對特定頻率的增益較大，能較好地抑制該頻率分量。需要指出的是，p主要決定非諧振頻率處的增益，p越大，系統(tǒng)帶寬越大，同時p影響系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度；K主要決定在諧振頻率處的相對增益大，K越大相對增益越大，對諧振頻率的抑制便越明顯；而ω只影響諧振頻率處的諧振帶寬。根據(jù)相關(guān)的穩(wěn)定裕度要求以及技術(shù)規(guī)范可以設(shè)計出QPR控制器的參數(shù)為：=5.5，K=20，ω=15rad/s，ω=942rad/s。

圖5 不同Kr下QPR控制器波特圖

3.2 控制回路穩(wěn)定性分析

由于中點電位與零序環(huán)流的調(diào)節(jié)最終是通過直接注入SPWM調(diào)制波實現(xiàn)，為了保證增添的中點電位與零序環(huán)流的協(xié)同控制環(huán)節(jié)不影響整個控制回路的穩(wěn)定性，根據(jù)圖2和圖4，考慮到上節(jié)中所分析的注入量主要是零序環(huán)流的調(diào)節(jié)量，于是將注入的零序環(huán)流控制當成整體控制環(huán)節(jié)的擾動量，變換得到新的控制框圖如圖6，其中u是零序環(huán)流的激勵源，為零序環(huán)流的環(huán)路傳遞函數(shù)，G(s)、G(s)分別為零序環(huán)流控制器傳遞函數(shù)、電流控制器傳遞函數(shù)以及濾波器傳遞函數(shù)，K為逆變器傳遞函數(shù)。

圖6 注入零序量后的系統(tǒng)控制框圖

進一步列寫擾動量到輸出電流的閉環(huán)傳遞函數(shù)如式(6)所示。

代入相應(yīng)參數(shù)可以繪出其閉環(huán)傳遞函數(shù)的零極點圖如圖7所示。

圖7 注入零序量后輸出電流閉環(huán)傳遞函數(shù)的零極點分布

可以看出，該系統(tǒng)的極點均在復(fù)平面的左半平面，說明采用優(yōu)化的協(xié)同控制策略后，控制系統(tǒng)依舊穩(wěn)定。

4 仿真驗證

為驗證中點電壓平衡與零序環(huán)流抑制協(xié)同控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了兩模塊的NPC三電平逆變器并聯(lián)系統(tǒng)。比較了傳統(tǒng)PI控制器（圖3）下與基于QPR的協(xié)同控制（圖4）下的正常負載以及短路時中點電壓的情況，如圖8-圖11所示。同時通過動態(tài)投入?yún)f(xié)同控制策略，驗證了該策略對環(huán)流的動態(tài)抑制情況，如圖12-圖13所示。

圖8 正常運行時傳統(tǒng)PI控制下中點電位波動情況

從上述仿真結(jié)果可以看出，當模塊化NPC三電平逆變器處于正常運行時，傳統(tǒng)PI控制與協(xié)同控制策略有類似效果，中點電位波動均處于較小的水平，但采用傳統(tǒng)PI控制器時，中點電位的偏置量略大；當模塊化NPC三電平逆變器處于負載短路運行時，協(xié)同控制策略下中點電位的波動只有PI控制下的50%，為10 V左右，控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器，中點電位會被限制到一個更合理的范圍，不易觸發(fā)對應(yīng)的保護，保證了模塊化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；同時，相較于傳統(tǒng)PI控制器，該協(xié)同控制策略也能將環(huán)流抑制到一個較低的水平，進一步保證了輸出電流波形質(zhì)量與整機的穩(wěn)定運行。

圖9 正常運行時協(xié)同控制下中點電位波動情況

圖10 負載短路時傳統(tǒng)PI控制下中點電位波動情況

圖11 負載短路時協(xié)同控制下中點電位波動情況

5 結(jié)論

本文首先對三相三線制并聯(lián)型NPC逆變器系統(tǒng)進行了工作原理的闡述，同時介紹了模塊化NPC并聯(lián)系統(tǒng)的多模式控制策略，然后為了進一步確保并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，針對中點電位與零序環(huán)流兩個具體問題，對上下母線電容電壓偏移與零序環(huán)流之間的關(guān)系進行了分析，在此基礎(chǔ)上提出一種基于QPR控制的中點電位與零序環(huán)流協(xié)同的閉環(huán)控制算法。最終仿真結(jié)果驗證了理論分析與所提策略的正確性與有效性。

圖12 傳統(tǒng)PI控制下環(huán)流動態(tài)抑制效果

圖13 協(xié)同控制下環(huán)流動態(tài)抑制效果

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Collaborative control strategy for neutral point potential balance and circulation suppression in NPC inverters

Hu Dewang1, Zhang Guoqin2, Cai Jiuqing1, Wufang1

（1. Wuhan Second Ship Design And Research Institute,Wuhan 430205, China；2. School of Electronic and Electrical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430200, China）

TM464

A

1003-4862（2023）11-0007-05

2023-05-11

胡德旺（1996-），男，碩士。研究方向：電機電子與電氣傳動。E-mail: hudewang@hust.edu.cn

張國琴(1977-)，女，講師。研究方向：電力電子變換技術(shù)、電能質(zhì)量分析等。E-mail: guoqinzhang@wtu.edu.cn