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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(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏系統(tǒng)、風(fēng)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(chǎng)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(jì)成本。

在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，三電平中點(diǎn)鉗位型（Neutral-Point-Clamped, NPC）變換器是研究和應(yīng)用最為廣泛的電路拓?fù)?。普遍?yīng)用于2.3～4.16kV場(chǎng)合，也有應(yīng)用于6 kV電壓場(chǎng)合。當(dāng)前大量文獻(xiàn)主要致力于三電平的調(diào)制過(guò)程簡(jiǎn)化，以及中點(diǎn)電位平衡控制。

文獻(xiàn)[11]提出了一種簡(jiǎn)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(gè)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(gè)兩電平空間矢量，這樣可以大大簡(jiǎn)化三電平的調(diào)制過(guò)程。

對(duì)于三電平NPC變換器，中點(diǎn)電位平衡控制是核心問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]指出，中點(diǎn)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(guò)控制算法實(shí)現(xiàn)抑制。相比于直流不平衡，交流不平衡（中點(diǎn)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(guò)大時(shí)會(huì)造成輸出電壓畸變，以及功率器件過(guò)高的電壓應(yīng)力。

為了抑制中點(diǎn)低頻電壓振蕩，提出了大量控制方法，其中文獻(xiàn)[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(fù)載條件下，保持中點(diǎn)電壓平衡。但該方法計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜。

文獻(xiàn)[13]提出了一種基于零序注入的載波調(diào)制策略來(lái)簡(jiǎn)化VSVPWM。文獻(xiàn)[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(diǎn)低頻電壓振蕩，但是這些方法會(huì)導(dǎo)致線電壓出現(xiàn)以下問(wèn)題：

• （1）線電壓的dv/dt較高，可能導(dǎo)致在長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)的電機(jī)端產(chǎn)生反射過(guò)電壓，造成電機(jī)絕緣損壞，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生高頻共模電流，影響電機(jī)軸承壽命。

• （2）線電壓畸變嚴(yán)重。

文獻(xiàn)[5,6,12,13,19-22]方法的功率器件等效開(kāi)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(kāi)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(diǎn)電壓平衡動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性慢的問(wèn)題。目前，很少有工作對(duì)VSVPWM這些不足的本質(zhì)原因進(jìn)行分析。為了便于理解和分析，本文將以SVPWM方法為對(duì)照，深入分析VSVPWM不足的本質(zhì)原因。

同時(shí)，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(kāi)關(guān)損耗大，以及中點(diǎn)電壓平衡動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性慢等不足；又能夠大大簡(jiǎn)化SVPWM復(fù)雜的調(diào)制過(guò)程，改善SVPWM中點(diǎn)電位平衡能力。具有實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、代碼量少、執(zhí)行效率高、中點(diǎn)電壓平衡能力強(qiáng)且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

結(jié)論

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

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

2）在6個(gè)小六邊形中，建立中點(diǎn)平均電流與零序分量之間嚴(yán)格準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系，這是實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵因素。

3）利用開(kāi)關(guān)函數(shù)在6個(gè)小六邊形的符號(hào)特點(diǎn)，只需一路載波實(shí)現(xiàn)三電平的載波調(diào)制；同時(shí)利用表5給出的6個(gè)零序分量表達(dá)式就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電壓平衡控制，整個(gè)算法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，執(zhí)行時(shí)間短，以及中點(diǎn)電壓平衡動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

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