三电平拓扑结构相对于两电平在性能上有很多优势，但是也存在中点电位不平衡这一固有问题。基于简化的三电平空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)，提出一种混合式的三电平中点平衡控制策略。该控制策略在低调制度下，根据中点电压偏移情况，结合三相电流，明确重叠区域的扇区选择原则，克服非冗余小矢量造成的中点偏移；高调制度下，充分考虑中矢量对中点偏移的影响，对不同的小三角形设置不同的时间控制因子，实现对中点电位平衡的精细化控制。

中文名

三电平

外文名

Three level

拼音

sān diàn píng

优点

输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小

简介

三电平拓扑结构具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点，使得三电平结构在高压大功率交流电机变频调速领域得到了广泛的应用。研究对不同负载情况下影响中点电位的因素进行了分析，将中点电位的不平衡分为低频振荡和电压偏移两种情况，三电平逆变器在接线性负载时输出的负序电流和接非线性负载时电流的奇次谐波都会造成中点电位的低频振荡；接非线性负载时电流的偶次谐波会造成中点电位的偏移，其中输出电流的 2 次和 4 次谐波是造成偏差的主要原因。

当电容电压偏差过大时会造成输出电流波形畸变率增大，低次谐波含量增加；当不平衡现象加剧时，甚至有可能造成功率开关器件损坏。所以要保证三电平变换器的性能，就必须保证中点电位的平衡。研究探究了中点平衡算法的平衡能力与调制度及功率因数角之间的关系，证明了中点平衡算法总是在调制度低于一个最大值 mmax 时才能实现中点电位的完全平衡，而 mmax 的大小与功率因数角密切相关，当功率因数角为正负 90时，mmax 值最小，即此时最难实现中点电位平衡。基于参考电压矢量分解的简化三电平算法可以使传统的三电平空间矢量脉宽调制(space vectorpulse width modulation，SVPWM)算法的计算得到很大的简化。研究提出一种简化三电平SVPWM 算法，将三电平空间矢量里 6 个中矢量的顶点中相对面的两个顶点两两相连，得到的三条线将该六边形区域平均分成 6 个四边形的扇区，该算法可以得到相应的七段式开关序列，但简单的七段式开关序列会造成明显的中点电位不平衡。研究针对七段式开关序列在有些扇区存在的由于小矢量不成对出现造成的中点电位不平衡的问题，提出了一种九段式的开关序列，保证在一个开关周期内小矢量总是成对出现的。这种方法在低调制度时会起到很好的中点平衡作用，但是在大功率应用场合开关次数增多增加了开关损耗，同时在高调制度时这种方法基本起不到平衡作用。研究中提出了一种无电流传感器的中点电位平衡控制方法，在两个扇区的重叠区域，根据中点偏移情况选择扇区，在非重叠区域，将一对冗余小矢量的作用时间完全分配给有利于中点平衡的小矢量。这种方法总体上能对中点平衡起到很好的效果，但是无电流传感器在个别情况可能会造成误调节，而非重叠区域将一对冗余小矢量的作用时间完全分配给一个有利于中点平衡的小矢量，不能实现中点电位的精确调节，同时两个开关周期衔接时有可能产生两个或两个以上开关器件同时动作的情况，增加开关损耗。研究中提出了一种计算冗余小矢量时间控制因子的中点电位平衡方法，这种方法可以起到一定的中点平衡作用，但是在小矢量不成对出现的情况下，没有充分发挥非冗余小矢量对中点电位的调节作用，在中点偏差过大时，不能实现中点电位的完全 平 衡。研究提 出 了 一 种 针 对 基 于 传 统SVPWM 算法和虚拟矢量调制算法相结合的调制算法的中点平衡方法，根据不同的情况设置扇区分配规则并计算冗余矢量的时间控制因子从而实现中点电位的平衡，但该方法过于繁杂，鲁棒性较差。

三电平逆变器中点电位平衡原理

1.简化三电平 SVPWM 及中点电位偏移原理

三相三电平 PWM 逆变器拓扑图如图所示。对于三电平变换器，在采用 SVPWM 进行调制时，定义其开关状态Si如图

三相三电平 PWM 逆变器拓扑图

所以可选择开关状态共有 27 种，对应的矢量为 19 种。其中零矢量 1 个，对应的3 种开关状态与电容中点无连接，对中点电位没有影响；6 个大矢量对应的开关状态使三相输出和正负母线相连，与中点没有连接，不影响中点电位；6 个中矢量对应的开关状态，其中点总是与某相电流相连，且电流总是从中点流向某一相输出端，造成中点电位不平衡；6 个小矢量每个对应 2 种开关状态，2 种开关状态对应着方向相反的中点电流，所以小矢量会造成中点电位的不平衡，但是可以通过其冗余的开关状态实现平衡。

综上所述，零矢量和大矢量对中点电位没有影响；中矢量会造成中点电位的不平衡，但是中矢量是不可控的；小矢量也会造成中点电位的不平衡，但可以利用其冗余性实现中点电位的平衡控制。

三电平空间矢量可以看成由 6 个小六边形相互重叠组成，而每个小六边形则代表传统的两电平矢量图。对于一个给定的参考电压矢量，一定会落在一个小六边形扇区中，用S表示扇区号，扇区中的小三角形的编号用N表示。定义调制度m U=| | /( 3 / 3 )

U

ref dc ，其中

U

ref 为参考电压矢量。三电平空间矢量的线性调制区域被由m1=0.5、m2=0.577 和m3=1 构成的 3个圆分成 3 个部分。当 0≤m≤0.5 时，

U

ref 所在区域同时属于两个相邻的扇区，扇区号S值有两种选择，且七段式开关序列中只会用到小矢量和零矢量；当 0.5U

ref 所在区域可能同时属于两个相邻扇区的重叠区域，开关序列中会用到小矢量和中矢量，也可能只属于一个扇区，开关序列中会用到小矢量、中矢量和大矢量。

2. 0≤

m

≤0.5 时基于扇区选择的中点平衡算法

当 0≤m≤0.5 时，

U

ref 所在区域肯定是两个相邻扇区的重叠区域。选择七段式开关序列，一个开关周期内会用到 3 个小矢量和 1 个零矢量，其中零矢量对中点电位没有影响，一对冗余小矢量对中点电位的影响相互抵消，而没有成对使用的小矢量即非冗余小矢量决定了开关周期内流过中点的电流。在此调制度范围内，从平衡中点电位的角度出发，对重叠区域小三角形的扇区归属进行选择，调整所用到的非冗余小矢量，从而达到调节中点电位平衡的目的。以

U

ref 落在阴影小三角形为例，矢量分解时选择的扇区可以是S=1(N=3)或S=2(N=5)，对应着两种不同的七段式开关序列，可得到选择不同的扇区对应的矢量作用顺序及作用时间。对于两种扇区选择方法，当S=1、N=3，小矢量 001 会造成中点偏移，对应中点电流为 C 相电流。对于S=2，N=5，小矢量 100 会造成中点偏移，对应中点电流为 A 相电流。对比二者可以发现，两者的小矢量对应的流过中点的电流是不同的，造成的中点偏移的效果也不同。定义电流从逆变器流向电机为正，ia、ib、ic 分别对应 A、B、C 三相输出电流。则小矢量在两个扇区不同情况下对中点电位造成的影响。定义正母线到中点的电压为Udc1，中点到负母线的电压为Udc2，理想的情况下即中点平衡时Udc1=Udc2。仍以

U

ref 落在阴影小三角形为例进行分析。如果中点电位偏高，即Udc1

①当ia>0 且ic>0 时，选择两个扇区都会对中点起到抬升作用，需要选择抬升作用更微弱的扇区，若ia>ic，选择S=1；若ic>ia，选择S=2。 ②当ia>0 且ic<0 时，选择扇区S=1 会降低中点电位，选择扇区S=2 会抬升中点电位，因而选择S=1。 ③当ia<0 且ic>0 时，选择扇区S=2 会降低中点电位，选择扇区S=1 会抬升中点电位，因而选择S=2。 ④当ia<0 且ic<0 时，两个扇区都会中点起到降低作用，需要选择降低作用更明显的扇区，若ia>ic，选择S=1；若ic>ia，选择S=2。

多电平 SVM

基于多电平的中压逆变技术是目前大功率传动、电力系统柔性输电等领域的关键技术之一。由 于 多 电 平 逆 变 器 的 电 平 数 较 多，其 脉 宽 调 制（ Pulse Width Modulation, PWM）技术相对于传统两电平逆变器复杂得多，目前常用的 PWM 调制技术主要有：空间矢量调制（ Space Vector Modulation,SVM），载波调制（ Carrier-Based PWM），特定谐波消除调制（ Selected Harmonics EliminationPWM, SHE-PWM），以及一些合成的 PWM 调制方法。多电平 SVM 调制在三相三线制逆变器中具有明显优势，因为它首先通过矢量的方式列出多电平逆变器所有可能输出的开关组合，然后根据参考电压矢量所在位置选择最合理的 PWM 开关组合进行

调制。这种方法可以充分利用多电平逆变器的各种共模分量，包括三相系统中的零序分量和各单相调制单元间的共模分量。但是随着电平数的增多，逆变器可以输出的开关组合越来越多，使得开关组合的选择变得非常困难。另外，电平数的增多已经大大优化了输出电压波形，使得调制方式对输出电压的优化作用不再明显，因此在大于三电平的逆变器中载波调制应用较多，它的实现相对简单，几乎不会因为电平数的增多而增加复杂程度。

三电平 SVM 的共模分量

三电平的 SVM 调制不能用传统的零序分量注入来等效，本节利用三电平调制的分解方法，拓宽共模分量注入法，找出了三电平 SVM 和载波调制的等效关系。由于三电平逆变器每相可以输出三个电平−1、 0、 1，其 PWM 调制方式可以分解为两组调制单元：一组在电平1 和 0 之间进行，另一组在0 和 1 之间进行。与此对应三电平 PWM 有两个调制波。因此，三电平 PWM 的调制波中的共模分量不仅包括三相零序分量，还包括每一相的两个调制单元间的共模分量。因此，三电平 SVM 的调制波可以通过以下两个步骤来获得：

（1）在三相正弦波调制波中注入零序分量，三电平 SVM 调制波中的零序分量与两电平一致。 （2）在每一相的两个调制波中注入共模分量。先将每相三电平调制波分解为两个：一个称为正调制波，另一个称为负调制波。

由于在 SVM 的调制中，开关组合的选择还可以有更多的自由度，因此共模分量的注入也可以更加灵活，主要包括以下三个方面：   （1）在两电平矢量 SVM 的计算时，假设了零矢量的两个开关组合持续时间相同。实际上为了减少开关次数，也可以任选零矢量的一种开关组合，对于这种方法，也可以用前文类似的方法获得该方法下的零序分量m1。   （2）三电平的短矢量（如 I 扇区的

U

1 和

U

2）包含两个开关组合，为了实现对三电平中点电位的控制，这两个开关组合的持续时间往往不完全相同，因此在注入共模分量ma2、mb2 和mc2 时，需要根据中点电位的偏向对共模分量进行修正。   （3）三电平矢量中的零矢量包括三个冗余开关组合，因此当参考矢量在 A 区和 B 区时，如果选择更多的开关组合，则可以使用类似的方法在调制波中再次注入共模分量。但是在三电平中零矢量冗余开关组合的选择很少使用。

因此，两电平载波调制与 SVM 调制的内在联系，发现若在调制波中注入三相零序分量，则两电平载波调制可以与两电平 SVM 调制等效。进一步对三电平载波调制进行分解，并在调制波中两次注入共模分量，则三电平载波调制可以与三电平SVM 等效。