三电平逆变器中点电压平衡的电压空间矢量控制原理及算法

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。

图２三电平逆变器空间电压矢量图１引言近年来，在高压、大功率变换电路中，一种新型的变换器———箝位二极管式电压型三电平逆变器，由于其相对于传统两电平电压型逆变器表现出明显的优势，引起了越来越多的关注［１～３］。

电压型逆变器输出性能主要取决于调制算法，ＳＶＰＷＭ技术以其易于数字实现，电压利用率高等优点，得到了广泛应用。

但是，三电平逆变器的缺点是控制策略较复杂和出现中点电压不平衡问题［２，３］。

为此，本文基于传统二电平逆变器空间电压矢量控制原理，提出一种以平衡三电平逆变器中点电压为出发点的控制思想，即将所有扇区都划归第一扇区的空间电压矢量控制思想，简化了控制算法，从根本上解决了三电平逆变器中点电压不平衡的问题。

２三电平电压空间矢量原理图１给出了三电平逆变器的电路图。

三电平逆变器每桥臂有４个开关器件，引入开关函数Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，则其应是三态开关变量（分别定义为０，１，２），对应的输出相电压为－Ｕｄ／２，０，＋Ｕｄ／２（Ｕｄ为直流回路电压）。

故三相三电平逆变器合成电压矢量数为３３＝２７种。

其中有效电压矢量有１９种。

图２示出三电平逆变器空间电压矢量图。

电压矢量可分为大矢量，中矢量，小矢量和零矢量，其中ＰＰＰ，ＯＯＯ和ＱＱＱ为零矢量状态；还有６个模长为Ｕｄ／３的小矢量；６个模长为! Ｕｄ／３的中矢量，以及６个模长为２Ｕｄ／３的大矢量，它们把正六边形等分为６个大三角形区，而每个大三角形区域又被分为４个小三角形区。

结合空间电压矢量图可得三电平逆变器三相电压合成机理：任意时刻的三相电压ｕａ，ｕｂ，ｕｃ可由３个相邻的空间电压矢量合成，当电压矢量沿着逆时针或顺时针方向旋转时，空三电平逆变器空间电压矢量控制算法仿真研究张卫丰，余岳辉，刘璐（华中科技大学，湖北武汉４３００７４）摘要：分析了三电平空间电压矢量调制基本原理，提出了一种首发矢量全部采用正小矢量或负小矢量的空间矢量调制（ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＭｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＶＭ）算法，给出了小三角形区域判断规则、合成参考电压矢量的相应输出电压矢量的作用顺序和（ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＶＰＷＭ）信号的产生方法，探讨了影响三电平逆变器中点电压平衡的主要因素，并推导了各合成电压矢量的作用时间。

《四线制三电平逆变器空间矢量调制及并网控制技术研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，四线制三电平逆变器作为电力系统中的关键设备，其在风能、太阳能等可再生能源的并网发电系统中的应用日益广泛。

本文旨在研究四线制三电平逆变器的空间矢量调制（SVM）技术及其在并网控制中的应用，为提高逆变器的性能和并网效率提供理论支持。

二、四线制三电平逆变器概述四线制三电平逆变器是一种具有三个电平的电压型逆变器，其具有四个桥臂，每个桥臂均由两个开关器件组成。

相较于传统的两电平逆变器，三电平逆变器具有较低的开关损耗、较低的谐波失真和较高的电压利用率等优点。

此外，四线制结构使得逆变器在并网时具有更好的灵活性和稳定性。

三、空间矢量调制技术空间矢量调制（SVM）是一种优化PWM（脉宽调制）技术的调制方法，通过优化开关序列，使逆变器输出电压更接近理想正弦波形。

在四线制三电平逆变器中，SVM技术的应用可以有效降低谐波失真，提高电压利用率。

（一）SVM基本原理SVM技术通过将三相电压分解为多个小矢量和零矢量，然后根据特定的规则进行排序和组合，生成优化后的PWM波形。

在这个过程中，SVM算法需要根据逆变器的拓扑结构和输出电压的要求进行设计。

（二）SVM在四线制三电平逆变器中的应用在四线制三电平逆变器中，SVM技术的应用需要考虑多个因素，如开关序列的优化、零矢量的分配、中点电位的平衡等。

通过合理的SVM算法设计，可以有效降低谐波失真，提高电压利用率，同时保证中点电位的稳定。

四、并网控制技术并网控制是四线制三电平逆变器在可再生能源并网发电系统中的重要功能。

本文将从以下几个方面对并网控制技术进行探讨。

（一）并网控制策略并网控制策略主要包括同步技术、功率控制、电压和频率控制等。

其中，同步技术是保证并网成功和稳定运行的关键。

功率控制则需要根据电网需求和逆变器输出能力进行合理调整。

电压和频率控制则需要保证并网后电网的电压和频率稳定。

（二）四线制三电平逆变器的并网控制特点四线制三电平逆变器在并网控制方面具有较好的灵活性和稳定性。

第23卷 第6期 电子测量与仪器学报 Vol. 23 No. 6 · 74 ·JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT2009年6月本文于2008年4月收到。

*基金项目: 安徽省“十一五”科技攻关(编号: 06012143H)资助项目; 合肥工业大学科研发展基金(编号: GDBJ2008-046)资助项目。

更多电子资料请登录赛微电子网三电平中点箝位型逆变器中点电压平衡和控制方法研究*胡存刚1 王群京1,2 严 辉3 杨 益3(1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院, 合肥 230009; 2. 安徽大学电子科学与技术学院, 合肥 230039;3. 安徽建筑工业学院电子与信息工程学院, 合肥 230022)摘 要: 建立了三电平中点箝位型逆变器中点电压的数学模型; 分析了在不同的负载条件下, 传统的最近三矢量合成方法中点电压存在不能平衡的区域; 利用合成空间矢量的调制方法, 实现了对中点电压的有效控制。

为了在扇区切换时输出矢量平稳过渡, 提出了在每个大区内全部采用相同首发小矢量的方法。

用MATLAB/Simulink 仿真研究了中点电压平衡控制的效果, 并用MOSFET 搭建了三电平逆变器实验电路模型, 对中点电压平衡控制效果进行了验证。

实验结果证明了基于合成空间矢量的三电平NPC 逆变器中点电压平衡控制方法的有效性。

关键词: 中点箝位型逆变器；空间矢量调制；中点电压平衡；合成空间矢量 中图分类号: TM464 文献标识码: A 国家标准学科分类代码:Research on neutral-point potential balancing and control methodfor three-level NPC inverterHu Cungang 1 Wang Qunjing 1,2 Yan hui 3 Yang Yi 3(1. Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Anhui University, Hefei 230039, China;3. Anhui Institute of Architecture & Industry, Hefei 230022, China )Abstract: A significant problem with neutral-point-clamped three-level inverters is the fluctuation in the neu-tral-point voltage. The mathematics model of neutral-point potential is developed while the neutral-point potential is unbalanced. In this paper the limitations of neutral-point potential balancing problem for different loading conditions of three-level neutral-point-clamped inverters is explored. And a novel modulation approach for the complete control of the neutral-point potential is introduced. The new modulation approach, which bases on the virtual space vector concept, guarantees the balancing of the neutral-point potential for any load over the full range of converter output voltage and for all load power factors. In order to avoid the abrupt change of output voltage vectors during the process of desired vector changing from one section to another, a novel space vector modulation algorithm is proposed, in which the same small vectors are adopted as first active vector. Some simulation and experiment results are given to validate the method.Keywords: neutral point clamped inverter; SVPWM; neutral-point potential balancing; synthetic-space-vector1 引 言中点电压平衡是多电平中点箝位型(neutral point clamped, NPC)逆变器的固有问题和研究热点。

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。

三电平逆变器空间矢量调制及中点电压控制王兆宇;艾芊【摘要】基于多电平逆变器的中性点电位不平衡问题的研究,对现有的虚拟矢量合成算法进行改进,提出了一种新的分区判断及矢量合成算法.该算法充分利用了新的合成矢量对中性点电压波动的平衡作用,采用十段式对称模式进行调制,有明显的谐波抑制及控制优势,调整小矢量对的作用时间,理论上可以做到最大程度地消除中性点电压的偏移.基于该算法的PSCAD/EMTDC仿真以及实验结果证明其简便易行,有利于计算机数字化实现.%A new algorithm of partition judging and vector composition is proposed, which is based on the study of neutral point potential imbalance of multi-level inverter and the improvement of existing method of virtual vector synthesis. The algorithm takes full advantage of the new synthetic vector's control effect of neutral point potential fluctuation) modulates in ten-stage centered mode, and shows superior performance for the harmonic suppression and the balance control, which can minimize the neutral point potential migration by adjusting small-vector pairs' action time. The convenience and feasibility of the approach has been verified by PSCAD/EMTDC simulation and experimental results, which is good for digital computer realization.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2011(039)020【总页数】6页(P131-136)【关键词】空间矢量调制;中性点电压控制;矢量合成【作者】王兆宇;艾芊【作者单位】上海交通大学电气工程系,上海200240;上海交通大学电气工程系,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TM7140 引言随着基于可关断电力电子器件的柔性输配电装置及高压变频设备的快速发展，多电平变换器及相关技术日益成为研究的热点及难点[1-5]。

双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法1. 引言在电力电子领域，双向z源三电平逆变器是一种新型的逆变器拓扑结构，它能够实现电能的双向流动，并且具有较高的电压增益和较低的电压应力，因此在新能源领域得到了广泛的应用。

然而，由于双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡问题的存在，使得其在实际应用中的性能和稳定性受到了一定影响。

如何有效地解决双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法成为了当前研究的热点之一。

2. 中点电位动态平衡问题分析让我们来了解一下双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡问题的本质。

在双向z源三电平逆变器中，由于电路结构的特殊性，中点电位动态平衡问题成为了一个核心难题。

简而言之，中点电位动态平衡即是指在逆变过程中，因为电容电压的不均衡而导致中点电压波动过大，进而影响到逆变器的工作稳定性和效率。

这个问题的存在对系统的安全性和可靠性都提出了较高的要求，寻找一种高效、可靠的中点电位动态平衡算法显得尤为重要。

3. 相关研究概况目前，关于双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡问题的研究已经取得了一些进展。

学者们提出了多种中点电位动态平衡算法，例如基于PWM调制的动态平衡控制方法、基于模块化的均压控制方法等，这些方法能够在一定程度上改善中点电位动态平衡问题。

然而，这些方法在实际应用中存在一些局限性，例如需要增加硬件成本、对控制精度要求高等。

研究人员亟需寻找一种更加高效、简洁的中点电位动态平衡算法。

4. 双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法探索在这种背景下，基于谐波注入的动态均压控制算法应运而生。

这种算法通过在逆变过程中注入特定频率和幅值的谐波信号，来实现中点电位的动态平衡。

相比于传统的控制方法，谐波注入算法具有控制简单、成本低等优点，因此备受研究人员的关注。

值得一提的是，通过对双向z源三电平逆变器中点电位动态平衡算法进行仿真和实验验证，研究人员发现谐波注入算法在提高系统动态响应和稳定性方面具有显著的优势，这为其在实际应用中的推广奠定了一定的基础。