三电平变换器中点电压平衡问题的研究
摘要：为了全面分析中点电位平衡问题，建立了一个三电平变换器的数学模型，分析了三电平变换器中点电位不平衡的原因，详细地讨论了空间矢量控制方法中不同矢量对中点电位的影响。最后，实验研究了一种基于检测直流侧中点电流的方向和直流侧电容电压的大小，来平衡中点电位的滞环控制方法。实验结果验证了该滞环控制方法平衡中点电位的有效性。关键词：三电平变换器；中点电压平衡；空间矢量PWM
引言
二极管中点箝位型逆变器[1]是最近研究的一个热点。这种拓扑结构，每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的1/2，另外，由于相电压有三种电平状态，比传统的二电平逆变器多了一个电平，因此输出波形质量高。因而这种结构变换器在高性能、中高电压的变频调速，有源电力滤波装置和电力系统无功补偿等领域有着广泛的应用。但是，这种变换器采用两个电容串联来产生三个电平，由于开关器件本身特性的不一致和变换器能量转换时中点电位参与能量的传输，因此，会产生两个电容电压分压不均的问题，即中点平衡问题。如果中点电位不平衡，在交流输出侧会产生低次谐波，使逆变器的输出效率变低，同时谐波还会对电机产生脉动转矩，影响电机的调速性能；另外，逆变器某些开关管承受的电压增高，降低了系统的可靠性；最后，中点电位波动降低了直流侧电容的寿命。
图1
国内外学者对三电平逆变器中点问题作了不少的研究，提出了不少的方法。载波SPWM方法中平衡中点电位一般都是在调制波中注入适当零序分量。文献[2]中注入三次零序分量来平衡中点电位，文献[3]中提出了一种注入零序电压的分析算法。空间矢量方法中平衡中点电位的方法[4]归纳起来主要有以下几种：
1）开环被动控制在每一个新开关周期，小矢量的P，N状态进行转换，这种方法只有在平衡负载的情况下能够较好控制中点电位，其动态调整特性不好；
2）滞环型控制是目前应用最多的一种闭环控制方法，在检测每相电流方向基础之上，通过选择小矢量P，N状态使中点电位朝不平衡方向的相反方向来选择，这种方法的缺点就是电流中有1/2开关频率的纹波；
3）有源控制这种方法通过控制电流的调制因子，需要检测中点电位不平衡的大小和相电流的幅度，好处就是没有1/2开关频率的纹波，但是，由于增加了其他的开关状态从而增加了开关损耗，这种方法一般没有滞环控制那么可靠。
本文首先对三电平逆变器建模，分析造成三电平逆变器中点电位不平衡的本质原因。详细地分析了整流和逆变两种状态下各类电压矢量对中点电位的影响。讨论了一种基于检测中点电流方向和直流侧电容电压大小，来调整小矢量P，N状态作用时间进而平衡中点电位滞环控制方法。最后实验研究了该方法的效果，实验结果验证了滞环控制方法的有效性和可靠性。
图2
1 三电平变换器的数学模型
为建立三电平变换器的数学模型，作如下理想假设：
[1] [2] [3]