模塊化NPC逆變器中點電位平衡及環流抑制的協同控制策略

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流抑制的協同控制策略

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流抑制的協同控制技術。首先介紹了模塊化逆變器系統的整體結構與可切換的控制模態；然后針對NPC并聯系統中特有的中點電位問題與模塊間不均流的問題，提出一種和零序環流協同控制的準比例諧振的中點電壓平衡算法。所提的優化控制方法可使NPC逆變器保證輸出波形質量的同時具有更寬的穩定運行范圍。仿真結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、器件應力低、容量大及輸出電壓諧波含量低等優點，在大功率電源領域廣泛應用[1]。一方面，NPC逆變器本身具有中點電位波動以及并聯模塊之間的環流、諧振點偏移等問題[2-3]；另一方面，大功率電源會經歷故障穿越的限流階段，需要對應的限流控制策略[4-5]。模塊化NPC逆變器并聯系統的穩定運行往往面臨更為嚴峻的挑戰，必須進行合理且優化的控制策略設計，使其具有更寬的穩定運行范圍。

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發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逆變器穩定運行，針對中點電位以及零序環流這兩類具體問題，提出了一種和零序環流協調控制的準比例諧振的中點電壓平衡算法。最終仿真結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)為三相三線制并聯型模塊化NPC整體架構，控制器通過采集各模塊的電壓電流等信號，生成PWM信號驅動各個模塊的開關管，實現電能的變換。對其中每個NPC模塊主電路進行分析，如圖1（b）所示，C、C為直流側支撐電容，L為逆變器側電感，L為輸出側電感，C為濾波電容。同時定義逆變器并聯系統中的零序環流為輸出側電流三相平均值。

圖1 并聯型NPC逆變器拓撲結構

每個模塊的每相橋臂的結構相同，都由4個IGBT 開關管及其反并聯二極管，以及 2 個鉗位二極管組成，根據開關序列的不同，每相橋臂都有三種工作狀態：“P”，“O”和“N”，以A相為例，“P”狀態時，T和T導通，T和T關斷，產生V/2的正電平；“O”狀態時，T和T導通，T和T關斷，產生零電平；“N”狀態時，T和T導通，T和T關斷，產生-V/2的負電平。于是輸出電壓根據每相的開關管工作狀態不同，最終可以產生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），使得在相同的開關狀態下，其交流側輸出線電壓波形的電平數也相應增加，故輸出波形更為接近正弦波。此外，輸出電平數的增多，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和電流內環的雙閉環控制策略。同時，由于如今各個應用領域對于逆變器在電壓穩定度、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生短路沖擊工況下不能損壞器件和設備，并且在沖擊結束后可以自動恢復正常工作狀態。因此，很有必要在逆變器中加入限流保護功能，這樣當發生短路沖擊的狀況時逆變器才能可靠穩定工作，除了傳統的硬件限流保護，軟件控制方面的限流控制設計也是常用手段[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定輸出具有恒定幅值頻率的三相電壓，在負載側發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，通過電壓外環與電流內環的傳統控制方案保證模塊化系統的穩定運行；此時，當負載側發生三相對稱短路時，通過故障識別算法的判斷，模塊化系統便能快速平滑地切換到限流控制模式，此時，電壓外環應處于輸出限幅的飽和狀態，相當于電壓外環在模式切換后被切除，而電流環的控制參考值經由限幅環節之后被鉗位至一個幾近恒定的值，然后通過電流環的作用，使模塊化系統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 控制策略優化設計

3.1 與零序環流抑制協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量，未考慮直流母線電源側的電容中點電位不平衡和模塊間環流的問題，而這兩種問題也容易造成器件損壞甚至整機系統無法穩定運行。中點電位的脈動和偏移與流經直流側中點的電流有關，而NPC三電平逆變器并聯系統中零序環流的形成不僅與各個模塊開關狀態的差異有關，同時各個模塊間中點電位的差異也是零序環流的激勵源，因此中點電位不平衡與零序環流的問題存在耦合[6-7]。

一般來說，針對SPWM調制的模塊化NPC逆變器系統存在固有的中點不平衡問題，采用統一中點平衡控制法，通過注入計算出的零序分量使中點電位達到平衡。以兩臺并聯模塊為例，假設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流控制，可以得到兩臺逆變器模塊總零序分量為：

根據公式（2），可以建立傳統零序環流和中點電位的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控制策略的優化設計。注入零序電流控制在抑制環流的同時，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?？紤]到在實際變流器系統中，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，對零序環流的影響就可以忽略，因此可以對V進行判別，引入權重因子，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，即：

其中，ΔVNP是電容中點電壓的變化量。為保證系統穩定運行，零序環流的抑制策略應當持續作用，而直流側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制波當中，對逆變器零序電壓分量的占空比進行調節；通過合理略微減弱對中點電位的控制效果，同時實現中點平衡和零序環流協同控制（以下簡稱協同控制策略），控制框圖如圖4所示。

圖4 電容中點電壓與零序環流協同控制框圖

由于NPC拓撲的固有問題，加之NPC并聯系統中零序環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，因此中點電位與零序環流中都存在以三倍頻分量為主的低頻分量[3,7-8]。常規的 PI 調節器無法實現對交流分量的無誤差跟蹤，存在穩態誤差。因此，圖4中采用QPR 調節器代替傳統的PI調節器，對中點電壓以及零序環流中的三倍頻分量實現更好地跟蹤，其表達式為：

其中，K，r3為比例系數和3次諧振系數；ω，ω分別為諧振環節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?？梢钥闯?，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，系統帶寬越大，同時p影響系統的穩定裕度；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。根據相關的穩定裕度要求以及技術規范可以設計出QPR控制器的參數為：=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 控制回路穩定性分析

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

圖6 注入零序量后的系統控制框圖

進一步列寫擾動量到輸出電流的閉環傳遞函數如式(6)所示。

代入相應參數可以繪出其閉環傳遞函數的零極點圖如圖7所示。

圖7 注入零序量后輸出電流閉環傳遞函數的零極點分布

可以看出，該系統的極點均在復平面的左半平面，說明采用優化的協同控制策略后，控制系統依舊穩定。

4 仿真驗證

為驗證中點電壓平衡與零序環流抑制協同控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了兩模塊的NPC三電平逆變器并聯系統。比較了傳統PI控制器（圖3）下與基于QPR的協同控制（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。同時通過動態投入協同控制策略，驗證了該策略對環流的動態抑制情況，如圖12-圖13所示。

圖8 正常運行時傳統PI控制下中點電位波動情況

從上述仿真結果可以看出，當模塊化NPC三電平逆變器處于正常運行時，傳統PI控制與協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，控制效果優于傳統PI控制器，中點電位會被限制到一個更合理的范圍，不易觸發對應的保護，保證了模塊化系統的穩定運行；同時，相較于傳統PI控制器，該協同控制策略也能將環流抑制到一個較低的水平，進一步保證了輸出電流波形質量與整機的穩定運行。

圖9 正常運行時協同控制下中點電位波動情況

圖10 負載短路時傳統PI控制下中點電位波動情況

圖11 負載短路時協同控制下中點電位波動情況

5 結論

本文首先對三相三線制并聯型NPC逆變器系統進行了工作原理的闡述，同時介紹了模塊化NPC并聯系統的多模式控制策略，然后為了進一步確保并聯系統的穩定性，針對中點電位與零序環流兩個具體問題，對上下母線電容電壓偏移與零序環流之間的關系進行了分析，在此基礎上提出一種基于QPR控制的中點電位與零序環流協同的閉環控制算法。最終仿真結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PI控制下環流動態抑制效果

圖13 協同控制下環流動態抑制效果

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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、電能質量分析等。E-mail: guoqinzhang@wtu.edu.cn