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相比于傳統(tǒng)兩電平變換器，多電平變換器具有更好的輸出電壓波形，較小的電壓畸變率，以及功率器件只承受部分直流母線電壓的特點，因而廣泛應用于電機驅(qū)動、光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電和高壓直流輸電等領(lǐng)域。大量研究表明，多電平變流技術(shù)不僅僅只適用于高壓大功率場合，同樣適用于中壓或低壓（小功率）領(lǐng)域，由于使用更低額定電壓的功率器件，可以有更好的性能表現(xiàn)以及更低的經(jīng)濟成本。

在多電平拓撲結(jié)構(gòu)中，三電平中點鉗位型（Neutral-Point-Clamped, NPC）變換器是研究和應用最為廣泛的電路拓撲。普遍應用于2.3～4.16kV場合，也有應用于6 kV電壓場合。當前大量文獻主要致力于三電平的調(diào)制過程簡化，以及中點電位平衡控制。

文獻[11]提出了一種簡化的三電平空間矢量調(diào)制方法。該方法將傳統(tǒng)的三電平空間矢量分解成6個兩電平空間矢量，因此適用于兩電平的調(diào)制方法，也適用于分解得到的6個兩電平空間矢量，這樣可以大大簡化三電平的調(diào)制過程。

對于三電平NPC變換器，中點電位平衡控制是核心問題。文獻[2]指出，中點電位不平衡分為直流不平衡和交流不平衡。通常直流不平衡容易通過控制算法實現(xiàn)抑制。相比于直流不平衡，交流不平衡（中點低頻電壓振蕩）研究最多。低頻振蕩電壓頻率為3倍輸出基波頻率，其幅值大小受輸出電流、功率因數(shù)和直流母線電容影響，且低頻振蕩電壓幅值過大時會造成輸出電壓畸變，以及功率器件過高的電壓應力。

為了抑制中點低頻電壓振蕩，提出了大量控制方法，其中文獻[12]提出一種虛擬空間矢量調(diào)制（Virtual Space Vector Pulsewidth Modulation, VSVPWM）方法，該方法可以使變換器在線性或非線性，以及不同功率因數(shù)負載條件下，保持中點電壓平衡。但該方法計算量大，實現(xiàn)過程復雜。

文獻[13]提出了一種基于零序注入的載波調(diào)制策略來簡化VSVPWM。文獻[5,6,13,14,19-22,24]也提出了類似的方法，雖然都能較好地抑制中點低頻電壓振蕩，但是這些方法會導致線電壓出現(xiàn)以下問題：

• （1）線電壓的dv/dt較高，可能導致在長線驅(qū)動的電機端產(chǎn)生反射過電壓，造成電機絕緣損壞，同時也會產(chǎn)生高頻共模電流，影響電機軸承壽命。

• （2）線電壓畸變嚴重。

文獻[5,6,12,13,19-22]方法的功率器件等效開關(guān)頻率比空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）增加1/3，這將顯著增加三電平NPC變換器的開關(guān)損耗，降低變換器效率以及功率密度。此外，VSVPWM還存在中點電壓平衡動態(tài)響應特性慢的問題。目前，很少有工作對VSVPWM這些不足的本質(zhì)原因進行分析。為了便于理解和分析，本文將以SVPWM方法為對照，深入分析VSVPWM不足的本質(zhì)原因。

同時，提出一種零序注入的載波調(diào)制方法。該方法既能夠克服VSVPWM方法線電壓dv/dt高和諧波含量大，功率器件開關(guān)損耗大，以及中點電壓平衡動態(tài)響應特性慢等不足；又能夠大大簡化SVPWM復雜的調(diào)制過程，改善SVPWM中點電位平衡能力。具有實現(xiàn)過程簡單、代碼量少、執(zhí)行效率高、中點電壓平衡能力強且動態(tài)響應快等優(yōu)點。

圖10 實驗樣機

結(jié)論

本文以SVPWM對照，深入分析和討論VSVPWM存在不足的本質(zhì)原因。同時為了克服傳統(tǒng)SVPWM和VSVPWM的缺點，提出了一種零序注入法，實現(xiàn)三電平NPC變換器的載波調(diào)制以及中點電壓平衡控制。主要工作概括如下：

1）對VSVPWM輸出線電壓dv/dt高和諧波含量大、功率器件開關(guān)損耗大、以及中點電壓平衡動態(tài)響應特性慢的本質(zhì)原因進行分析，定義補償能力值，解釋不同方法調(diào)節(jié)中點電壓速度快慢的本質(zhì)原因。

2）在6個小六邊形中，建立中點平均電流與零序分量之間嚴格準確的數(shù)學關(guān)系，這是實現(xiàn)中點電位補償?shù)年P(guān)鍵因素。

3）利用開關(guān)函數(shù)在6個小六邊形的符號特點，只需一路載波實現(xiàn)三電平的載波調(diào)制；同時利用表5給出的6個零序分量表達式就能夠?qū)崿F(xiàn)對中點電壓平衡控制，整個算法具有實現(xiàn)簡單，計算量小，執(zhí)行時間短，以及中點電壓平衡動態(tài)響應快等優(yōu)點。

最后，給出了三種方法實驗結(jié)果比較，本文方法具有更明顯優(yōu)勢，仿真和實驗結(jié)果驗證了本文方法的可行性和有效性。