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三电平逆变器中点电位平衡控制策略研究摘要：本文对二极管箝位型三电平逆变器的原理进行分析与研究，主要对三电平中点电位平衡的控制策略进行研究，阐述了造成三电平逆变器中点电位不平衡的原因以及危害，并且通过调整互补矢量相对工作时间来控制中点电位平衡。
通过仿真以及实验验证了该方法的正确性与可行性。
关键词：三电平逆变器；SVPWM；中点电位平衡Research on neutral point potential balance control strategy of three level inverter LU Yao(CRRC xi’an YongeJieTong Electric Co., Ltd, Xi’an 710000, China)Abstract： The paper analyzes the principle of diode clamped three level inverter, for three level neutral point balance control strategy research, expounds the cause of three level inverter neutral point unbalance and harm, and by adjusting the complementary vector of relative working time to control the neutral point potential balance. The correctness of the proposed method is verified by simulation and experiment.Key Words： Three level inverter; SVPWM; Neutral point potential balance1 引言近年来，由于多电平逆变器在高电压、大功率的场合应用的越来越广泛，所以也就使得我们对其有了越来越多的研究和关注。
NPC三电平逆变器及其中点电位平衡的研究一、本文概述Overview of this article随着电力电子技术的快速发展和可再生能源的大规模应用，电力转换和电能质量控制成为了电气工程领域的研究热点。
其中，三电平逆变器作为一种高效的电能转换装置，在风力发电、太阳能发电、电机驱动等领域得到了广泛应用。
然而，三电平逆变器在运行过程中，中点电位平衡问题一直是影响其性能稳定性的关键因素。
因此，对NPC（Neutral Point Clamped）三电平逆变器及其中点电位平衡的研究具有重要的理论价值和实际意义。
With the rapid development of power electronics technology and the large-scale application of renewable energy, power conversion and power quality control have become research hotspots in the field of electrical engineering. Among them, three-level inverters, as an efficient energy conversion device, have been widely used in fields such as wind power generation, solar power generation, and motor drive. However, the issue of midpoint potential balance has always been a keyfactor affecting the performance stability of three-level inverters during operation. Therefore, the study of NPC (Neutral Point Clamped) three-level inverters and their midpoint potential balance has important theoretical value and practical significance.本文旨在深入探讨NPC三电平逆变器的工作原理、中点电位平衡控制策略以及实际应用中的关键技术问题。
攀枝花学院本科毕业设计（论文）三电平逆变器中点电位平衡控制研究学生姓名：学生学号：201210502052院（系）：电气信息工程学院年级专业：12级电气工程及自动化指导教师：二〇一六年五月摘要中点钳位型三电平逆变器是众多三电平逆变器拓扑结构中，电路结构简单、易于实现数字化调制的，但是由于其拓扑结构的特点难免会出现中点电位不平衡的现象。
该现象导致逆变器输出波形的谐波含量增加，甚至产生畸变，影响逆变器系统的安全可靠运行，因此，必须对中点钳位型三电平逆变器的中点电位进行控制。
本文主要采用的是空间矢量PWM控制方法，分析了空间矢量调制的基本原理，推算出各个区域各个小三角形的判断规则，并根据参考矢量落在某区域某小三角形内来计算出各个合成电压矢量的作用时间以及矢量优化方法。
然后再基于中点钳位型三电平逆变器中点电位不平衡的原因，提出中点电位调制算法。
最后在MATLAB/Simulink仿真平台上对中点电位平衡控制进行仿真并验证该控制方案的正确性和可行性。
关键词三电平逆变器，中点钳位，中点电位，空间矢量ABSTRACTNPC three-level inverter has more simple circuit structure and is easier to achieve modulation among many kinds of three-level inverter topology. However, because of the characteristics of its topology, the problem of neutral-point unbalance may occur, which will cause a higher harmonic content in the waveform of inverter, even distortion affecting the stable operation of inverter system. For this reason, we have to control the neutral point of NPC three-level inverter.The thesis analyzes the basic principle of vector modulation technique and calculates the judgment of triangles in every area. And according to vector in some triangle, the functioning time of the synthesizing voltage vectors and the optimizing way of the vectors can be calculated. After that, the neutral-point modulation algorithms can be put forward on the basic of the reasons of the unbalanced neutral-point of NPC three-level inverter. Lastly, the balanced control of neutral-point will be simulated and proved in MATLAB/Simulink.Key words Three-level inverter, Neutral Point Clamped, Midpoint potential, Space Vector目录摘要 (I)ABSTRACT..................................................................................................................... I I1 前言 (4)2 三电平逆变器的拓扑结构及其工作原理 (6)2.1引言62.2飞跨电容型三电平逆变器 (6)2.2.1拓扑结构及工作原理 (6)2.2.2飞跨电容型三电平逆变器的特点 (8)2.3级联型三电平逆变器 (8)2.3.1拓扑结构及工作原理 (8)2.3.2级联型三电平逆变器特点 (9)2.4中点钳位型三电平逆变器 (9)2.4.1拓扑结构及工作原理 (9)2.4.2 NPC三电平逆变器的特点 (10)2.5本章小结 (10)3 NPC三电平逆变器SVPWM控制方法研究 (12)3.1引言 (12)3.2 NPC三电平逆变器空间电压矢量 (12)3.3 NPC三电平逆变器空间电压矢量PWM的传统算法 (14)3.4矢量分配及优化 (18)3.5 本章小结 (19)4 中点电位平衡控制研究 (21)4.1 引言 (21)4.2 NPC 三电平逆变器中点电位不平衡原因 (21)4.3 中点电位平衡控制 (23)4.4 调节因子失效与修正 (24)4.5 本章小结 (25)5 实验仿真 (26)5.1 引言 (26)5.3 仿真结果 (28)5.4 本章小结 (30)6 全文总结 (31)致谢 (32)1 前言需要应用到逆变器的场合非常广泛，在能源转换的过程中起着不可或缺的作用，而两电平逆变器由于具有功率管的开关损耗高、输出电压电流谐波含量较高、功率管承受的电压较大的等特点，在中高容量场合应用得不是很广泛。
NPC三电平逆变器中点电位的控制方法研究的开题报告1. 研究背景随着电力电子技术的不断发展，逆变器在工业控制、交通运输、航空航天和新能源等领域中得到了广泛应用。
其中，三电平逆变器相较于二电平逆变器具有更低的谐波含量、更小的电流失真和更好的负载适应性等优势。
同时，三电平逆变器的中点电位控制也是实现电机空间矢量调制控制的基础。
因此，研究NPC三电平逆变器中点电位的控制方法具有重要意义。
2. 研究目的本文旨在研究NPC三电平逆变器中点电位的控制方法，通过分析不同控制策略对中点电位的影响，找到一种高效可靠的控制方法，以实现电机的高质量控制。
3. 研究内容本文主要研究内容包括：(1) 对NPC三电平逆变器的结构和工作原理进行介绍。
(2) 分析不同的中点电位控制策略，包括基于PWM的控制策略、基于模块化的控制策略和基于预测控制的控制策略等。
(3) 分析不同的中点电位检测方法，包括间接检测法、直接检测法和混合检测法等。
(4) 设计实验平台，通过仿真和实验验证不同控制策略的性能。
(5) 综合分析各种控制策略的优缺点，找到一种高效可靠的控制方法。
4. 研究意义本文研究NPC三电平逆变器中点电位的控制方法，对于提高电机控制的质量和效率具有重要意义。
同时，该研究成果还可以应用于其他领域的电力电子控制系统中，具有广泛的应用前景。
5. 预期成果本文预期通过研究NPC三电平逆变器中点电位的控制方法，实现对电机的高质量控制。
同时，本文预期能够找到一种高效可靠的控制方法，为电力电子控制系统的工程应用提供指导。
6. 研究方法本文采用文献资料研究法、理论分析法、仿真分析法和实验研究法相结合的方法，通过对相关文献的研究和理论分析，设计NPC三电平逆变器控制实验平台，对各种控制策略进行仿真和实验验证，并对实验结果进行综合分析。
7. 研究进度目前，本研究已完成NPC三电平逆变器的结构和工作原理的介绍，正在进行中点电位控制策略及检测方法的研究，预计在两个月内完成相关仿真和实验工作。
三电平电路中点电压平衡控制方法
三电平电路是一种常见的电力电子变换器拓扑结构，广泛应用于高功率、高效率的电力转换系统中。
在三电平电路中，中点电压平衡是一个重要的问题。
如果中点电压失衡，会导致电流分布不均匀，甚至可能引发电压过高或过低的问题，从而影响整个电路的工作稳定性和可靠性。
为了解决三电平电路中的中点电压平衡问题，一种常见的方法是采用电压平衡控制策略。
这种策略通常基于对电压平衡误差的测量和反馈控制。
具体而言，可以通过在电路中添加传感器来监测每个电容器的电压，并将这些测量值与设定的平衡电压进行比较。
根据测量值与设定值之间的差异，可以调节控制器的输出信号，进而控制电路中的开关元件，以实现中点电压的平衡。
除了传统的电压平衡控制策略，还可以使用一些先进的控制方法来提高中点电压的平衡性。
例如，模型预测控制（MPC）是一种基于系统模型的优化控制方法，可以更精确地预测和调节电路中的中点电压。
另外，基于人工智能的控制算法如神经网络和模糊逻辑控制也可以应用于中点电压平衡控制中，通过学习和优化算法来提高电路的平衡性和稳定性。
需要注意的是，在进行中点电压平衡控制时，还需要考虑电路中其他因素对电压平衡的影响。
例如，电源电压波动、负载变化和温度变化等因素都可能导致电压平衡失调。
因此，在设计中点电压平衡控制方法时，应综合考虑各种因素，并采取相应的措施来保证电路的稳定运行。
综上所述，三电平电路中点电压平衡控制是一个重要且复杂的问题。
通过采用传统的电压平衡控制策略以及先进的控制方法，可以有效提高电路的中点电压平衡性，并保证电路的稳定性和可靠性。
三电平电路中点电压平衡控制方法
在三电平电路中，中点电压平衡控制方法是一种重要的技术手段，用于确保三电平逆变器的输出电压在各个相位上能够保持平衡。
这种控制方法在各种应用中都得到了广泛的应用，例如电力系统中的可再生能源发电系统，以及工业驱动和电动交通工具等领域。
中点电压平衡控制方法主要包括两个方面：电路拓扑设计和控制算法设计。
在电路拓扑设计方面，常见的方法是采用三电平逆变器拓扑结构。
该结构可以通过控制开关管的开关状态来实现三个电平的输出电压。
同时，为了保持中点电压平衡，还需要在三个电平之间添加连接电容。
这样可以通过对电容的充放电来实现中点电压的平衡。
在控制算法设计方面，常见的方法是使用PWM（脉宽调制）控制技术。
PWM控制技术通过调整开关管的开关周期和占空比来控制输出电压的大小和形状。
对于中点电压平衡控制，可以采用一种基于电容电压的反馈控制策略。
具体来说，可以通过测量电容电压来获得中点电压的信息，并将其与设定值进行比较，然后根据比较结果来调整开关管的开关状态，以实现中点电压的平衡。
除了以上方法，还有一些其他的中点电压平衡控制方法。
例如，可以使用改进的PWM控制策略，如交叉空间矢量调制（CSVPWM）。
该方法可以通过优化开关管的控制方式来改善中点电压平衡性能。
此外，还可以采用模型预测控制（MPC）方
法，通过预测未来的中点电压变化趋势来进行控制，以实现更精确的中点电压平衡控制。
综上所述，三电平电路中点电压平衡控制方法是确保三电平逆变器输出电压平衡的重要技术手段。
通过合理的电路拓扑设计和控制算法设计，可以实现中点电压的平衡，从而提高系统的性能和稳定性。
NPC三电平变流器中点平衡算法的研究的开题报告一、选题背景随着电力电子技术的不断发展，NPC三电平变流器广泛应用于各种领域，例如电动汽车、电力传输、太阳能等。
作为一种高效稳定的电力转换器，NPC三电平变流器中点平衡算法的研究至关重要。
由于变流器中点电压存在微小的偏差，会导致因电荷不平衡而产生的杂散电流和失调输出电压等问题。
该问题的解决方案之一是采用中点平衡算法，以确保变流器的运行稳定和可靠性。
二、研究目的本课题的研究目的是开发一种高效稳定的中点平衡算法，以提高NPC三电平变流器的性能和可靠性。
该算法将根据变流器的实际工作环境和要求进行设计，并考虑变流器中点电压的实时测量和控制，以确保电荷分配均匀，输出电压失调最小化。
三、研究内容本课题的主要研究内容包括以下几个方面：1. NPC三电平变流器原理及电路结构的分析；2. 中点平衡算法的理论研究和开发；3. 中点电压传感器的设计和制作；4. 系统仿真和实验测试。
四、研究方法本课题将采用理论研究、仿真和实验测试相结合的方法，开发一种适用于NPC三电平变流器的高效稳定的中点平衡算法。
具体地，研究将以Altium Designer为软件基础，使用MATLAB进行仿真，从而构建变流器、中点平衡控制系统和实时监控系统。
通过实验测试来验证该算法的有效性和可靠性。
五、预期成果本研究的预期成果为：1. 开发一种基于实时测量和控制的高效稳定的中点平衡算法；2. 设计和制作中点电压传感器；3. 验证该算法在多种工况下的可行性和有效性；4. 提高NPC三电平变流器的性能和可靠性，推动其在不同领域的应用。
六、研究进度安排本研究的进度安排如下：第一阶段：文献调研和理论分析（1个月）第二阶段：算法设计和仿真验证（4个月）第三阶段：实验测试和结果分析（3个月）第四阶段：论文写作和答辩准备（2个月）七、参考文献[1] Ahn, W. J., Kim, J. K., Kim, K. H., & Lee, J. I. (2014). Direct PWM algorithm for three-level NPC converters with minimized common-mode voltages. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1), 416-425.[2] Lee, S. B., Park, Y. H., & Kim, J. H. (2016). A new balancing control strategy for the NPC three-level converter. IEEE Transactions on Smart Grid, 7(2), 967-975.[3] Li, X., Chen, S., Huang, Z., & Li, N. (2017). Hybrid balancing strategy for the neutral point voltage in three-level NPC inverter. IEEE Transactions on Power Electronics, 32(8), 6484-6494.。
三电平变流器的压频转换式中点电位平衡控制方法研究刘 静,张加胜(中国石油大学 电气工程系,山东东营257061)Ξ摘 要:将三电平变流器运用于中高压游梁式抽油机,不仅可以节能降耗而且还可提高油井的采收率。
然而,中点箝位式三电平变流器(N PC)的直流侧电压平衡问题直接影响变流器及其电机调速系统的可靠性。
本文分析了其原因并提出压频转换式中点电位平衡控制的一种新方法,给出了利用87C196M C单片机实现的具体编程思路,通过软件仿真和实物实验证明了这种方法的正确性。
关键词:三电平变流器;中点箝位;直流侧电压平衡;脉宽调制中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:1008-0686(2005)06-0066-04Study on Neutra l-po i n t Ba lanc i ng for Three-level P WMConverter by Voltage-frequency ConversionL IU J i ng,ZHANG J i a-sheng(E lectrica l E ng ineering D ep a rt m en t,Ch ina U n iversity of P etroleum,D ongy ing257061Ch ina)Abstract:U sing the th ree2level PWM converter to the beam2p um p ing un it no t on ly can realize the energy saving bu t also can i m p rove the recovery efficiency.B u t the DC2vo ltage balance is one of the key asp ects that affect the reliab ility of th ree2level inverter and its electric drive system.T herefo re,th is paper in troduces the basic theo ry of the th ree2level N PC inverter and raises a new vo ltage2frequency conversi on balancing m ethod.T he w o rk ing p rinci p le and the con tro l schem e by the M CU80C196M C of the system are also p ropo sed and the co rrectness is also testified th rough si m u lati on and exp eri m en t.Keywords:N PC;th ree2level converter;DC2vo ltage;PWM0 引言目前,在各大油田,由于地下油层的变化以及电机负荷不稳定性等因素的影响,导致了抽油机的驱动电机经常处于“大马拉小车”的运行状态,使电机的工作效率和功率因数明显下降,为了实现抽油机的节能降耗和提高油井的采收率,越来越多地为抽油机的驱动电机配备了变频调速专用节能控制装置,但仅以低压抽油机变频为主。
对于应用越来越多的中高压抽油机,由于受技术和价格等因素的限制,能够配备变频节能控制装置的目前仍然罕见。
对中高压抽油机的变频驱动装置,从其电压等级和降低成本角度而言,当数采用二极管中点箝位式三电平变频电路拓扑最为适合。
然而这种变流器所存在的直流侧电压不平衡问题,由于游梁式抽油机电机能流的双向剧烈波动而表现得更加严重,给直流侧电压的平衡控制及抽油机变频控制的可靠性带来很大的影响。
本文的工作正是在这一背景下,针对二极管中点箝位式三电平变流器的直流侧中点电压平衡控制问题而提出来的。
第27卷 第6期2005年12月电气电子教学学报JOU RNAL O F EEEV o l.27 N o.6D ec.2005Ξ收稿日期:2005-08-31;修回日期:2005-11-10作者简介:刘 静(1979-),女,山东东营人,硕士在读,研究方向为电力电子和电气自动化;张加胜(1957-),男,山东东营人,教授,主要从事电力电子和电气自动化研究及教学工作。
现有的直流中点电压平衡控制方法,一方面难以应对这种能量的剧烈波动,另一方面其硬软件设计过于复杂,可靠性也不高。
如文献[4]中提出在直流侧电容上加升压和降压的电路,这种方法基本解决了中点电压不平衡的问题且又无需软件的编程,但是其复杂的附加电路增加了装置的硬件成本和体积。
也有的采用软件编程来调整电压空间矢量从而实现控制直流侧电压的平衡,但根据检测物理量的不同所采用的实现方法也各不相同,如检测变流器功率的流向,并据此调整所发出电压空间矢量的长短和顺序,从而控制直流电压的平衡。
然而实验表明,在功率因数很低时,这种方法调整能力较差;在功率回馈时,某些工况下,直流电压不能保持平衡,这直接影响了三电平变流器的可靠性。
又如文献[2]提出通过检测电流方向来控制电容电压平衡,解决了变流器输出交流电压幅值较大时的电容电压平衡问题。
但实验表明,文献[2]仍未能解决变流器输出交流电压较小且能量反馈时的直流电压平衡问题。
文献[1]也根据不同电压空间矢量对三电平直流电压平衡的影响,通过检测电流瞬时值来控制直流电压平衡,但实验表明,文献[1]仍未能解决变流器直流电压平衡问题,而且这种方法编程繁琐并占用了处理器的大量时间。
本文结合87C196M C单片机的SPWM波形产生机理,提出了一种压频转换式电压平衡控制方法,不仅简单可靠而且特别适合于这类单片机控制,对于保证游梁式抽油机中高压变频驱动装置的可靠运行和高效生产,具有重要的技术价值和经济意义。
1 电压平衡控制原理二极管中点箝位式三电平变流器在进行功率变换及能量传递过程中,导致其直流侧电压不平衡的因素很多,但都可归结到直流侧正负支撑电容的充、放电不平衡上来考虑。
本文所提出的控制方法的基本思想,正是根据直流侧的正负电压偏差值来改变电容的充放电时间,从而控制直流侧电压平衡的。
该控制方法的结构框图如图1所示。
硬件电路部分主要由电压检测、P I运算、压频转换和光耦隔离等电路组成。
通过电阻分压检测三电平变流器直流侧的正负电容电压,并经过加法运算电路计算出正负母线电压的偏差信号e,然后对偏差e进行P I运算并且使输出限幅在(0～10)V。
如何根据P I的输出判断出正负母线电压的平衡状况,并将偏差大小反映给单片机,这正是压频转换方法主要解决的问题。
首先,在不需要单片机补偿即电压偏差e=0时,P I调节器的输出电压值应标定在5V;当正母线电压偏高时, P I调节器的输出值大于5V;反之,P I调节器的输出值小于5V。
其次,是将P I调节器输出的模拟电压转换成单片机可以接受的数字信号。
通过压频转换LM331将P I运算结果转换成频率脉冲。
LM331的输出频率和输入电压在其外围电阻和电容参数不变的条件下成线性关系。
所以,LM331的输出可以正确反应P I的输出和偏差e的极性(对应关系参见表1,其中f0是5V对应的频率,实验中测得f0= 51651kH z),即实现了一个具有“串行脉冲串输出”功能的双向P I运算器。
LM331的输出经高速光耦隔离后进入单片机。
图1 结构框图2 单片机控制方法单片机如何根据测得的脉冲频率来改变开关管的导通时间,是控制方法需要解决的另一个主要问题。
控制中使用的87C196M C单片机是专门用于电机控制的16位微控制器。
该单片机的主要特点是内部具有三相波形发生器W FG,该波形发生器正是根据载频三角波比较法原理来产生PWM波的。
因此,只要根据要求相应地改变波形发生器W FG中的比较缓冲寄存器的值,就能够改变PWM波的占空比。
单片机根据一定时间内测得的脉冲数N来改变PWM波占空比的控制方法,系基于电机转速的M 法测量原理。
M法测速,是指在检测时间T内测量光电脉冲信号的个数N来确定转速,所以在固定的时间T内测得的脉冲个数的大小就反映了转速的高低。
基于这一原理,本系统采用了单片机实现的软件76第27卷第6期 刘 静等:三电平变流器的压频转换式中点电位平衡控制方法研究 “M 法”测量电压的偏差值。
设正负母线电压偏差e 经P I 运算和V f 转换器转换后的频率为f ,单片机的软件定时时间为T ,则单片机所测得的脉冲个数N =f ・T ,所以在时间T 一定的条件下,电压的偏差e 越大,对应的f 就越高,N 值就越大。
通过单片机的计算将脉冲个数N 转换为0000H -0FFFFH 之间的代码值H d 。
当P I 的输出为最大值10V 时,对应的V f 转换器的输出频率为最大f m ax ,此时对应单片机所能转换的最大值代码0FFFFH ,由于V f 转换器的输出和输入是呈线性关系的,所以单片机在每个周期T 内计算得到的0000H -0FFFFH 之间的代码值可以由下式来表示:0FFFFH f m ax =H dN TH d =0FFFFH ×Tf m ax ×N单片机将测得的代码值H d 与直流侧电压平衡时对应的代码8000H 相比较,将其差值作为补偿量加到比较缓冲寄存器中,从而改变输出给变流器正负桥臂PWM 占空比,对应关系如表1所示。
表1 电压平衡对应关系表电压平衡情况P I 的输出ULM 331的输出f单片机测得的代码值补偿量电压平衡(e =0)U =5Vf =f 0H d =8000H正母线电压高(e >0)10V >U >5V f >f 00FFFFH >H d >8000H(H d -8000H) 25负母线电压高(e <0)0<U <5Vf <f0<H d <8000H(8000H -H d ) 25 表1中将补偿量除以25,是为了防止一次补偿量过大导致比较缓冲寄存器溢出的缘故。
通过对P I 调节器输出电压和LM 331转换的脉冲信号频率进行实验,实际测得V f 对应关系如表2所示。
表2 电压频率对应关系P I 输出的电压值(V )LM 331转换的频率值(kH z )01050104501501632111354221361441554551651881993101117 根据上面测得的电压和频率值使用M A TALAB 绘制LM 331压频转换曲线,如图2所示,从图中可以看出LM 331对于本控制方法具有合适的线性度和频率范围。
根据上述分析所编制的单片机程序程序控制流程图如图3所示:3 仿真和实验结果对上面提出的控制算法,采用PSP I CE 810软件图2 LM 331电压频率实验曲线图3 程序流程图来对三电平变流器进行仿真。
