一种具有中点电位平衡可降低损耗的三电平空间矢量调制方法
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2015 年 2 月 第 30 卷第 4 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.30 Feb.
No. 4 2015
一种具有中点电位平衡可降低损耗的 三电平空间矢量调制方法
刘 斌
1,2
黄凯伦
南昌
1
伍家驹
1
李
俊
1
（ 1. 南昌航空大学信息工程学院 摘要
图2 Fig.2
三电平逆变器空间矢量分布图
2
三电平逆变器及其中点电位
图 1 为三相三电平 NPC 光伏并网逆变器拓扑结
Space vector diagram of three-level inverter
3
3.1
三电平不连续调制
中点电位平衡 传统的“最近三矢量”七段式空间矢量调制，
构。 Vdc 为直流输入电压， C1 、 C2 为直流侧母线电 容，A、B、C 为三相市电。逆变部分各桥臂有 4 个 功率开关管，其中开关管 S x 1（ x=a、 b 、 c，下同） 和 S x 3 互补， S x 2 和 S x 4 互补，共具有三种输出状态， 分别为 P、O、N。P 状态表示上桥臂开关管 S x 1、S x 2 导通， O 状态表示中间两管 S x 2、 S x3 导通， N 状态 表示下桥臂开关管 S x 3、 S x 4 导通。
换条件，在 1.3 小区内 POO 矢量虽然会使 V 下降， 但其作用时间很短，总体上方式 1 仍然使得 V 上 升。那么，同一个小区不同的开关周期按一定的方 法使用以上两种矢量序列方式，在整体上是可调整 中点电位的。
表1 Tab.1
小区 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
矢量与小矢量 POO 间的长度，如图 3 所示。 Vref 的长度可表示为
3.2
在相电流最大值附近开关管不动作 显然，在相电流最大值附近该相开关管不动作
（以下简称大电流不开关） ，减少了开关器件在大电 流区域的开关次数，从而最大程度地降低开关损耗。 以单位功率因数下第 1 扇区为例分析，逆变器稳态 运行在调制度 3 / 3 ＜ M＜ 1 时，参考电压矢量运行 在每个扇区的 4-2-3-5 （或 5-3-2-4 ）小区，第 1 扇 区中 1.2 小区和 1.4 小区 A 相电流最大，1.3 小区和 1.5 小区 C 相电流最大，为实现大电流不开关，应 在 1.4 小区运行方式 0，在 1.5 小区运行方式 1。如 果在 1.2 小区实现大电流不开关，需要采用的矢量 序列为 PPO-POO-PON-POO-PPO ，但 1.2 小区 B 相 电流为负，在矢量序列上却有 P 出现，线电压会出 现较高的幅值跳变， 1.3 小区的情况类似。
V 有可能在不开关区内（即 4 、 5 小区）超出 阈值使不开关角度减小，那么可以选择适当的阈值
cos120
V12 V2 2 Vref 2V1V2
2
（ 2）
POO-OOO-OON-OOO-POO PPO-POO-OOO-POO-PPO POO-PON-OON-PON-POO PPO-POO-PON-POO-PPO POO-PON-PNN-PON-POO PPO-PPN-PON-PPN-PPO
330063
2. 雄洲美能科技有限公司
深圳
518052）
对中点钳位式（ NPC）三电平逆变器降低开关损耗的方法进行研究。提出一种新的不
连续空间矢量脉宽调制（ SVPWM ）方法，在单位功率因数下实现大电流不开关原则，较大程度 的降低开关损耗。另外由于中点电位平衡是三电平 NPC 的固有问题，基于不连续 SVPWM，提出 一种滞环控制策略，通过切换矢量序列方式控制中点电位平衡。仿真和实验结果证明了本文提出 的新型调制方法的可行性和有效性。 关键词： 方式 0/1 开关损耗 中点电位 不连续 SVPWM 三电平 NPC 逆变器 中图分类号： TM464
三电平共 27 个电压空间矢量：3 个零矢量、12 个小矢量、 6 个中矢量和 6 个大矢量，空间矢量分 布图如图 2 所示（ 1.0 区表示第 1 扇区第 0 小区，其 他类推） 。其中，零矢量和大矢量对中点电位没有影 响；中矢量没有冗余矢量，控制中点电位相对复杂； 而小矢量具有相同输出电压和对中点电位作用恰好 相反的冗余矢量，因此一般通过控制具有冗余矢量 的小矢量的作用时间来实现中点电位的平衡控制。 具体也可参考相关文献 [11,12]。
Vref 3MV2
（ 1）
由余弦定理得
第 1 扇区的矢量序列方式
The vector sequence modes of first sextant
方式 0 方式 1 OOO-OON-ONN-OON-OOO POO-OOO-OON-OOO-POO PON-OON-ONN-OON-PON POO-PON-OON-PON-POO PON-PNN-ONN-PNN-PON PPN-PON-OON-PON-PPN
This paper makes the research to reducing switching losses for the three-level neutral
point clamped (NPC) inverter. A novel discontinuous space vector pulse width modulation (SVPWM) strategy is proposed to no switching at position of the maximum current of the unity power factor load. In addition, base on the novel discontinuous SVPWM, a hysteresis controller is applied to balance the neutral point voltage by switching the vector sequence mode. The simulation and experimental results show the feasibility and effectiveness of the novel modulation strategy. Keywords： Mode 0/1, switching losses, neutral point potential, discontinuous SVPWM, threelevel NPC inverter 主功率器件的增加，多电平调制策略更加多样化， 空间矢量调制（ SVPWM ）具有直流电源电压利用 率高、容易数字实现等优点，广泛应用于三电平逆 变器。 由于光伏产业及其他工业领域对大功率逆变器 的需求不断增加以及大功率器件开关频率的不断提 高，开关器件的开关损耗已不可忽视，不仅降低了 系统的效率，而且要求系统具备更好的散热能力。 目前降低开关损耗的方法，一方面是在硬件方面改
A Novel SVPWM Method Considering Neutral-Point Potential Balancing and Reducing Switching Losses for Three-Level Inverter
Liu Bin 1,2 Huang Kailun 1 Wu Jiaju 1 Nanchang Shenzhen Li Jun 1 330063 518052 China China ） （ 1. Nanchang Hangkong University 2. XZMN Power Electronics Co. Ltd. Abstract
由正弦定理得
Vref sin120
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V1 sin
（ 3）
将式（ 1）代入式（ 2） 、式（ 3 ）可求出 θ 的值。 当调制度 M=0.89 时，可算得 θ=25.895 ° ，即每一相 半个周期内的大电流不开关角度为 51.79° 。那么在 4、5 小区实现大电流不开关可使开关损耗降低 28.8%。因此选择在 1.0 、1.1 、1.2、 1.3 小区内调节 中点电位，在 1.4 、 1.5 小区内实现大电流不开关， 既可控制中点电位平衡，又可使开关损耗明显下降。 为使中点电位保持在合理的浮动范围内，引入 上文所提中点电位控制方法， 并加入滞环反馈环节， 控制框图如图 4 所示，这样便可简单的控制中点电 位平衡。
国家自然科学基金 （50467003） ， 江西省科技支撑计划 （2010BGA01000） 和江西省教育厅科技（ GJJ11516 ）资助项目。 收稿日期 2012-06-20 改稿日期 2012-12-03
1
引言
随着新能源产业的不断发展，光伏并网逆变器
已经成为研究及应用热点，其装机容量迅速增加， 三电平乃至多电平逆变器应用越加广泛，其相较于 两电平具有输出容量大，受电磁干扰（ EMI ）影响 小，另外由于输出电平阶数增加，使得谐波含量小， 波形质量提高以及逆变输出 d v/d t 低，优势明显。 而
图3 Fig.3
第 1 扇区 Fist sextant Fig.4
图4
中点电位平衡控制框图
Diagram of neutral point potential balancing control
设调制度为 M，参考电压矢量 Vref ， V1 为 Vref 在 1.4 小区边界时距离小矢量 POO 的长度， V2 为零
每个开关周期都可调整小矢量不同状态组合的作用 时间来控制直流侧电容中点电位在一定的范围内浮 动。三电平不连续 SVPWM 是在一个区域内某相开 关管不动作，其他两相只动作一次，减少开关次数， 降低开关损耗，在一个开关周期中每个电压矢量只 能使用一次，一般采用五段式的调制方法，因此一 个开关周期内小矢量只能使用一次，不能用传统七 段式的方法来控制中点电位。 中点电位浮动大小可以由直流侧电容电位差 V = VC1− VC2 来判断 。通 过分析 ，在 单位功率 因 数 下，五段式不连续调制每个小区均可分成对中点电 位影响相反的两种矢量序列方式，以第 1 扇区为例 的两种矢量序列方式可见表 1，其他扇区可类推： 方式 0 为可导致 V 下降的矢量序列方式；方式 1
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.30 Feb.
No. 4 2015
一种具有中点电位平衡可降低损耗的 三电平空间矢量调制方法
刘 斌
1,2
黄凯伦
南昌
1
伍家驹
1
李
俊
1
（ 1. 南昌航空大学信息工程学院 摘要
图2 Fig.2
三电平逆变器空间矢量分布图
2
三电平逆变器及其中点电位
图 1 为三相三电平 NPC 光伏并网逆变器拓扑结
Space vector diagram of three-level inverter
3
3.1
三电平不连续调制
中点电位平衡 传统的“最近三矢量”七段式空间矢量调制，
构。 Vdc 为直流输入电压， C1 、 C2 为直流侧母线电 容，A、B、C 为三相市电。逆变部分各桥臂有 4 个 功率开关管，其中开关管 S x 1（ x=a、 b 、 c，下同） 和 S x 3 互补， S x 2 和 S x 4 互补，共具有三种输出状态， 分别为 P、O、N。P 状态表示上桥臂开关管 S x 1、S x 2 导通， O 状态表示中间两管 S x 2、 S x3 导通， N 状态 表示下桥臂开关管 S x 3、 S x 4 导通。
换条件，在 1.3 小区内 POO 矢量虽然会使 V 下降， 但其作用时间很短，总体上方式 1 仍然使得 V 上 升。那么，同一个小区不同的开关周期按一定的方 法使用以上两种矢量序列方式，在整体上是可调整 中点电位的。
表1 Tab.1
小区 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
矢量与小矢量 POO 间的长度，如图 3 所示。 Vref 的长度可表示为
3.2
在相电流最大值附近开关管不动作 显然，在相电流最大值附近该相开关管不动作
（以下简称大电流不开关） ，减少了开关器件在大电 流区域的开关次数，从而最大程度地降低开关损耗。 以单位功率因数下第 1 扇区为例分析，逆变器稳态 运行在调制度 3 / 3 ＜ M＜ 1 时，参考电压矢量运行 在每个扇区的 4-2-3-5 （或 5-3-2-4 ）小区，第 1 扇 区中 1.2 小区和 1.4 小区 A 相电流最大，1.3 小区和 1.5 小区 C 相电流最大，为实现大电流不开关，应 在 1.4 小区运行方式 0，在 1.5 小区运行方式 1。如 果在 1.2 小区实现大电流不开关，需要采用的矢量 序列为 PPO-POO-PON-POO-PPO ，但 1.2 小区 B 相 电流为负，在矢量序列上却有 P 出现，线电压会出 现较高的幅值跳变， 1.3 小区的情况类似。
V 有可能在不开关区内（即 4 、 5 小区）超出 阈值使不开关角度减小，那么可以选择适当的阈值
cos120
V12 V2 2 Vref 2V1V2
2
（ 2）
POO-OOO-OON-OOO-POO PPO-POO-OOO-POO-PPO POO-PON-OON-PON-POO PPO-POO-PON-POO-PPO POO-PON-PNN-PON-POO PPO-PPN-PON-PPN-PPO
330063
2. 雄洲美能科技有限公司
深圳
518052）
对中点钳位式（ NPC）三电平逆变器降低开关损耗的方法进行研究。提出一种新的不
连续空间矢量脉宽调制（ SVPWM ）方法，在单位功率因数下实现大电流不开关原则，较大程度 的降低开关损耗。另外由于中点电位平衡是三电平 NPC 的固有问题，基于不连续 SVPWM，提出 一种滞环控制策略，通过切换矢量序列方式控制中点电位平衡。仿真和实验结果证明了本文提出 的新型调制方法的可行性和有效性。 关键词： 方式 0/1 开关损耗 中点电位 不连续 SVPWM 三电平 NPC 逆变器 中图分类号： TM464
三电平共 27 个电压空间矢量：3 个零矢量、12 个小矢量、 6 个中矢量和 6 个大矢量，空间矢量分 布图如图 2 所示（ 1.0 区表示第 1 扇区第 0 小区，其 他类推） 。其中，零矢量和大矢量对中点电位没有影 响；中矢量没有冗余矢量，控制中点电位相对复杂； 而小矢量具有相同输出电压和对中点电位作用恰好 相反的冗余矢量，因此一般通过控制具有冗余矢量 的小矢量的作用时间来实现中点电位的平衡控制。 具体也可参考相关文献 [11,12]。
Vref 3MV2
（ 1）
由余弦定理得
第 1 扇区的矢量序列方式
The vector sequence modes of first sextant
方式 0 方式 1 OOO-OON-ONN-OON-OOO POO-OOO-OON-OOO-POO PON-OON-ONN-OON-PON POO-PON-OON-PON-POO PON-PNN-ONN-PNN-PON PPN-PON-OON-PON-PPN
This paper makes the research to reducing switching losses for the three-level neutral
point clamped (NPC) inverter. A novel discontinuous space vector pulse width modulation (SVPWM) strategy is proposed to no switching at position of the maximum current of the unity power factor load. In addition, base on the novel discontinuous SVPWM, a hysteresis controller is applied to balance the neutral point voltage by switching the vector sequence mode. The simulation and experimental results show the feasibility and effectiveness of the novel modulation strategy. Keywords： Mode 0/1, switching losses, neutral point potential, discontinuous SVPWM, threelevel NPC inverter 主功率器件的增加，多电平调制策略更加多样化， 空间矢量调制（ SVPWM ）具有直流电源电压利用 率高、容易数字实现等优点，广泛应用于三电平逆 变器。 由于光伏产业及其他工业领域对大功率逆变器 的需求不断增加以及大功率器件开关频率的不断提 高，开关器件的开关损耗已不可忽视，不仅降低了 系统的效率，而且要求系统具备更好的散热能力。 目前降低开关损耗的方法，一方面是在硬件方面改
A Novel SVPWM Method Considering Neutral-Point Potential Balancing and Reducing Switching Losses for Three-Level Inverter
Liu Bin 1,2 Huang Kailun 1 Wu Jiaju 1 Nanchang Shenzhen Li Jun 1 330063 518052 China China ） （ 1. Nanchang Hangkong University 2. XZMN Power Electronics Co. Ltd. Abstract
由正弦定理得
Vref sin120
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V1 sin
（ 3）
将式（ 1）代入式（ 2） 、式（ 3 ）可求出 θ 的值。 当调制度 M=0.89 时，可算得 θ=25.895 ° ，即每一相 半个周期内的大电流不开关角度为 51.79° 。那么在 4、5 小区实现大电流不开关可使开关损耗降低 28.8%。因此选择在 1.0 、1.1 、1.2、 1.3 小区内调节 中点电位，在 1.4 、 1.5 小区内实现大电流不开关， 既可控制中点电位平衡，又可使开关损耗明显下降。 为使中点电位保持在合理的浮动范围内，引入 上文所提中点电位控制方法， 并加入滞环反馈环节， 控制框图如图 4 所示，这样便可简单的控制中点电 位平衡。
国家自然科学基金 （50467003） ， 江西省科技支撑计划 （2010BGA01000） 和江西省教育厅科技（ GJJ11516 ）资助项目。 收稿日期 2012-06-20 改稿日期 2012-12-03
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引言
随着新能源产业的不断发展，光伏并网逆变器
已经成为研究及应用热点，其装机容量迅速增加， 三电平乃至多电平逆变器应用越加广泛，其相较于 两电平具有输出容量大，受电磁干扰（ EMI ）影响 小，另外由于输出电平阶数增加，使得谐波含量小， 波形质量提高以及逆变输出 d v/d t 低，优势明显。 而
图3 Fig.3
第 1 扇区 Fist sextant Fig.4
图4
中点电位平衡控制框图
Diagram of neutral point potential balancing control
设调制度为 M，参考电压矢量 Vref ， V1 为 Vref 在 1.4 小区边界时距离小矢量 POO 的长度， V2 为零
每个开关周期都可调整小矢量不同状态组合的作用 时间来控制直流侧电容中点电位在一定的范围内浮 动。三电平不连续 SVPWM 是在一个区域内某相开 关管不动作，其他两相只动作一次，减少开关次数， 降低开关损耗，在一个开关周期中每个电压矢量只 能使用一次，一般采用五段式的调制方法，因此一 个开关周期内小矢量只能使用一次，不能用传统七 段式的方法来控制中点电位。 中点电位浮动大小可以由直流侧电容电位差 V = VC1− VC2 来判断 。通 过分析 ，在 单位功率 因 数 下，五段式不连续调制每个小区均可分成对中点电 位影响相反的两种矢量序列方式，以第 1 扇区为例 的两种矢量序列方式可见表 1，其他扇区可类推： 方式 0 为可导致 V 下降的矢量序列方式；方式 1
