第４９卷第４期 ２０１５年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１５ ＮＰＰ结构新型五电平变换器 王 畅，王 聪，王克峰，程 红 （中国矿业大学（北京），机电与信息工程学院，北京１０００８３） 摘要：针对二极管中性点箝位五电平变换器直流侧串联电容电压平衡困难问题，提出了一种中性点可控（ＮＰＰ） 五电平变换器。该拓扑的每相电路都由两个结构相同的ＮＰＰ三电平变换器组合而成，与传统的中性点箝位五 电平变换器相比，具有模块性强、电容电压平衡容易等优点。首先详细地分析了其基本原理和工作模态，然后 介绍了其空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）算法和电容电压平衡控制算法，最后通过实验验证了电路的可行性和控 制算法的正确性。 关健词：变换器；五电平；中性点可控 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ＩＯＯＸ（２０１５）ｏ４—０ｏ２３一Ｏ３ Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｆｉｖｅ．１ｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＮＰＰ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｃｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｋｅ－ｆｅｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｈｏｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＭｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｌｌｉｎｇ），Ｂｅ￣ｉｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉａ）ｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｄｉｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｅ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｄｅ ｏｆ ｎｅｕｔｒａｌ ｐｏｉｎｔ ｃｌａｍｐｅｄ ｉｆｖｅ－ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ａ ｎｏｖｅｌ ｎｅｕｔｒａｌ ｐｏｉｎｔ ｐｉｌｏｔｅｄ（ＮＰＰ）ｆｉｖｅ—ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｅａｃｈ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ－ ｐｏｌｏｇｙ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｗｏ ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ＮＰＰ ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｉｖｅ－ｌｅｖｅｌ ｄｉｏｄｅ ｃｌａｍｐｅｄ ｃｏｎ－ ｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ，ｅａｓｙ ｔｏ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｚｅｄ， ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｉｎ ｉｔｓ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＰＷＭ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｉｖｅ－ｌｅｖｅｌ；ｎｅｕｔｒｌ ｐｏｉａｎｔ ｐｉｌｏｔｅｄ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒｌａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．５１０７７１２５） １ 引 言 在高压大功率场合多电平变换器以输出共模 电压小，输出谐波少、器件耐压等级低等优点，被 认为是最有吸引力的解决方案［１１。多电平功率变 ２ ＮＰＰ五电平变换器工作原理 ２．１ ＮＰＰ五电平变换器拓扑 如图１所示．前级三电平电路由前级分压电 容Ｃ０ ， 和开关管Ｖ０广Ｖ嘶构成，后级三电平电路 由后级分压电容Ｃ ，Ｃ 和开关管Ｖ。。～Ｖ 构成。电 换器的基本电路拓扑结构有３种：二极管筘位式、 飞跨电容式及功率单元级联式［２】。其中第１种应用 最为广泛［３］。但二极管箝位五电平变换器存在控制 路正常工作时，前级三电平电路改变开关状态，完 成箝位后级分压电容电压等于前级分压电容一半 算法繁杂【 －ｓ】。电容电压平衡困难的问题。 为了解决上述问题。在此讨论了一种新颖实 用的ＮＰＰ结构的五电平变换器拓扑．先对单相拓 扑和工作模态进行了详细的介绍。在讨论拓扑 ＳＶＰＷＭ控制算法的基础上．着重对电容电压平衡 算法进行了分析，然后通过实验验证了拓扑的可 的功能。后级三电平电路改变开关状态。完成输出 相应电平功能。 ｃ 行性和理论分析的正确性。 基金项目：国家自然科学基金（５１０７７１２５） 定稿日期：２０１５—０３—０３ 前级分三电平 压电容模块 后级分 压电容 三电平 模块 作者简介：王 畅（１９８５一），男，河南周口人，博士研究生， 研究方向为电力电子与电力传动。 图１ ＮＰＰ五电平拓扑结构 Ｆｉｇ．１ ＮＰＰ ｆｉｖｅ—ｌｅｖｅｌ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 第４９卷第４期 ２Ｏ１５年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４９，Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１５ 与传统五电平相比，该结构基本单元为三电 平拓扑，并由两个结构相同的ＮＰＰ三电平组成． 主电路结构模块化程度高，开关器件耐压低、运行 安全裕量高、开关损耗低。结构中前级分压电容电 压和后级分压电容电压两两平衡，互不干扰，调制 策略简单，电容均压策略容易实现。 ２．２ ＮＰＰ五电平变换器模态分析 （１）Ｖ０１＇Ｖ∞导通，Ｃｌｌ，Ｃ１２串联接到Ｃｏ１两端 开关模态１ Ｖｌｌ，Ｖｌ２，Ｖ１５导通，Ｖ眈，Ｖｏ４，Ｖ∞， Ｖ０６，Ｖ ３，Ｖ１４，Ｖ１６关断，输出电压 ＝ ，２。 开关模态２ Ｖ１５，Ｖ１６导通，Ｖ位，Ｖ０４，Ｖ０５，Ｖ０６， Ｖｌｌ，Ｖ１２，Ｖｌ３，Ｖ１４关断， ＝ ４。 开关模态３ Ｖｌ３，Ｖｌ４，Ｖ１６导通，Ｖ ，Ｖ０４，Ｖ０５， Ｖ０６，Ｖｌ１’Ｖｌ２，Ｖ１５关断，Ｕ＝０。 （２）Ｖ眈，Ｖ∞导通，Ｃ Ｃ。 串联接到 两端 开关模态４ Ｖｌｌ，Ｖ１２，Ｖｌ５导通，Ｖｏ１，Ｖ∞，Ｖ∞， Ｖ０６，Ｖｌ３，Ｖ１４，Ｖ１６关断，Ｕ＝０。 开关模态５ Ｖ１５，Ｖ１６导通，Ｖ Ｖ∞，Ｖ０５，Ｖ０６， Ｖｌ１，Ｖｌ２，Ｖｌ３，Ｖ１４关断， ＝一 ／４。 开关模态６ Ｖ１３，Ｖ１４，Ｖ１６导通，Ｖ０１＇Ｖ０３，Ｖ晒， Ｖ０６，Ｖｌ１，Ｖ１２，Ｖ１５关断， ＝一 ／２。 （３）Ｖ∞，Ｖ０６导通，Ｃｌ１’Ｃ。２悬浮且其连接处接地 开关模态７ ＶＩｌ，Ｖ１２，Ｖｌ５导通，Ｖｏ１，Ｖ∞，Ｖ∞， Ｖ０４，Ｖ１３，Ｖ１４，Ｖｌ６关断， ＝ ／４。 开关模态８ Ｖｌ５，Ｖ１６导通，Ｖ０１，Ｖ吃，Ｖ∞，Ｖ０４， Ｖ１ｌ，Ｖｌ２，Ｖ１３，Ｖｌ４关断，Ｕ＝０。 开关模态９ Ｖｌ３，Ｖｌ４，Ｖ１６导通，Ｖ０ｌ，Ｖ０２，Ｖ∞， Ｖ０４，Ｖｌ１，Ｖ１２，Ｖ１５关断， ＝一 ／４。 表１示出器件的电压应力。 表１器件的电压应力 Ｔａｂｌｅ １ Ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｄｅｖｉｃｅ ３五电平控制策略和电压平衡策略 ３．１控制策略 对于该拓扑．采用基于６０。坐标系的空间矢量 法完成其控制策略。假设给定逆变电压幅值为 ， 将参考电压 标幺化后投影到ａ，ｂ，Ｃ三相电压坐 标轴上，得到 。， ，Ｕｃ。 ［ｕ，１ Ｆ ｃｏｓ０））Ｊｌ ㈩ 式中：Ｕｄ为母线电压。 ［ 一。１．０ １ ＩＬ ｉ ｊ ｌ 式中：ｕｓ，Ｕｈ为给定电压矢量蜥在ｇ，ｈ坐标轴上的投影值。 由式（２）将得到的‰，‰， 转换为 和‰。根 据 和 的大小判断出蜥所在扇区，假设Ｕ 落 在如图２所示的区间内【６］。 ｇ 图２参考矢量对应扇区图 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｉｎ ｓｅｃｔｏｒ 近的基本矢量为（ ，Ｙ ），（ ，ｊ， ），（ ，，Ｙ ），它们对 应的作用时间分别为ｔ。，ｔ：，ｔ，。由式（３）可求出每个 ［ ］ 。＋［车］ ２一卜［军］ ＝［辜］ ｃ３ ＮＰＰ结构新型五电平变换器 某相的开关状态不同的开关组合调节后级分压电 出的五电平拓扑可输出对应电平的相电压：在电 容电压平衡策略下各级分压电容保持平衡。验证 了拓扑的正确性、控制策略和平衡算法的可行性。 容的电压，从而两分压电容电压调节速度加快。 ３．２．２前级分压电容平衡 当单相拓扑产生零电压时对应３种开关模 式。其中开关模式３、开关模式４和开关模式８中 负载接入对前级分压电容电压无影响，而开关模 式３、开关模式４中后级分压电容分别直接连接 到前级分压电容的两端。后级分压电容正常工作 时，由于负载接入电压下降，某种工作模态下，并 联到ｃ０。两端，则ｃ０ 电压下降，同时后级分压电 ｔ／（Ｏ．００５ ｓ／格）（ａ）前级电容电压 ｔ／（Ｏ．００５ ｓ／格） （ｂ）后级电容电压 容可并联到 两端，导致 电压下降。 分析可知后级电容并联到前级电容的不同电 容电压调节作用相反。可通过改变某相的后级电 容并联不同的前级电容调节前级分压电容的电 压。总体电压平衡控制策略如图３所示。 ＵＣＯＩ ４——前级电压模态 二 ＵＣ０２ ｔ／ＣｌＩ－４－ 虽 釜ｒ＿１。Ｉ避 ｓｖＰｗＭ ＵＣ １２ 一选择信号 图３ 电容电压控制策略 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅｓ ４实验结果 为了验证电路拓扑的正确性，设计了五电平 变换电路实验样机。样机以ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ 为主控芯片。实验样机主要参数：Ｕａ＝２２０ Ｖ，开关 频率１０ ｋＨｚ，前、后级电容Ｏ．２ ｍＦ。变换器输出单 相相电压和输出单相线电压波形如图４所示。 ｉ … ｌ ｔｌ（Ｏ．０５ ｓ，格）ｔｌ（Ｏ．００２ ｓ／格） （ａ）输出单相相电压 （ｂ）输出单相线电压 图４输出单相相电压和线电压 Ｆｉｇ．４ Ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ 图５为加入电容电压平衡算法后， 伪。， 与 ａ。，Ｍａ：波形。由图可知，加入电压平衡算法后 ａｌ， ｃ１２和ｕｃｏ１，１２００２分别趋于相等。 由实验波形可知，在所提出的控制算法下，提 图５加入平衡算法后电容电压 Ｆｉｇ．５ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｖｏｌｔａｇｅｓ ａｆｔｅｒ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ５ 结 论 在ＮＰＰ三电平变换器结构的基础上提出了五 电平变换器拓扑结构。对拓扑的工作模态进行了 详细分析后。提出了简单实用的ＮＰＰ五电平变换 器的控制策略和电容平衡策略。通过实验验证了 拓扑的可行性、控制策略的正确性和平衡策略的 简易性，初步解决了五电平中电容电压不易平衡 的问题，使其在变频器应用场合更具有实际的应 用价值和前景。 参考文献 …１ Ｔｈｉ￣ｏ Ｂ Ｓｏｅｉｒｏ，Ｊｏｈａｎｎ Ｗ Ｋｏｌａｒ．Ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｈｉｓｈ—ｅｌｆｌｃｉ— ｅｎｃｙ Ｈｙｂｒｉｄ Ｎｅｕｔｒｌａ－ｐｏｉｎｔ－ｃｌａｍｐｅｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒｎａｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３，６０（５）：１９１９—１９３５． ［２】Ｍｅｓｈｒａｍ Ｐ，Ｂｏｒｇｈａｔｅ Ｖ．Ａ Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ Ｎｅａｒｅｓｔ Ｌｅｖｅｌ Ｃｏ－ ｎｔｒｏｌ（ＮＬＣ）Ｖｏｌｔａｇｅ Ｂａｌｎａｃｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕ． ｈｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＭＭＣ）［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒｎａｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅ１一 ｅｃｔｒｏｎｉｅｓ，２０１４，６１（３）：１－１４． ［３】 Ｙｉｎｇｃｈａｏ Ｚｈａｎｇ，Ｊｉａｎｇｔａｏ Ｌｏｎｇ．Ｔａｂｌｅ—Ｂａｓｅｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ—ｃｌａｍｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ－ ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｒｅｃｔｆｉｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅ１一 ｅｅｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３，６０（８）：１５５５—１５６２． ［４】 Ｂａｒｂｏｓａ Ｐ，Ｓｔｅｉｍｅｒ Ｐ，Ｓｔｅｉｎｋｅ Ｊ．Ａｃｔｉｖｅ Ｎｅｕｔｒｌａ—ｐｏｉｎｔ．ｃ１． ａｍｐｅｄ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ａ］．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃ－ ｉｌａｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．２００５：２２９６－２３０１． 【５】张永昌，赵争鸣．基于快速空间矢量调制算法的多电 平逆变器电容电压平衡问题研究【Ｊ］．中国电机工程学 报，２００６，２６（１８）：７１—７６． 【６］王畅，王聪，刘建东．６Ｏ。坐标系矿用变频器ＳＶＰＷＭ 算法研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１２，４０（２）：９５—９７．