引文格式：张国荣,方舒,彭勃,等.一种降低三电平逆变器中性点电压交流纹波的新方法[J].电力系统保护与控制,,46(19):1-8.
ZHANGGuorong,FANGShu,PENGBo,etal.Anewmethodforneutral-pointACripplevoltagereductioninathree-levelinverter[J].PowerSystemProtectionandControl,,46(19):1-8.
摘要：针对三电平中点箝位(NPC)逆变器的中点电位平衡问题，基于载波脉宽调制的中点电压的交流不平衡分析，提出了一种降低中性点电压交流纹波的精确补偿方法。该方法通过向相电压占空比注入一个最佳补偿值来消除中性点电压的交流不平衡，对所需注入的最佳补偿值进行了准确的数学计算。并根据计算结果分析了完全消除中点电压交流纹波所受的限制，及由此决定的中性点交流纹波电压降低法的适用范围。利用Matlab/Simulink搭建了三电平逆变器的仿真模型，并对该方法进行了仿真验证。仿真结果表明了所提方法是正确且有效的。
研究背景：三电平中性点钳位(3L-NPC)拓扑结构如图1所示，是目前研究和应用最为广泛的多电平逆变器结构之一。这种拓扑结构具有很多优点，但中点电位平衡控制是NPC逆变器的一个固有问题。由于负载电流通过各相桥臂在NPC逆变器的中线上产生了一定的交流电流，此中线电流流入到直流电容中，使两个直流电容电压上都产生相应的交流波动。另外在扰动时出现的瞬时不平衡电流也可能会使两个直流电容电压在动态过程中出现偏差。NPC逆变器的中点电压交流不平衡问题一直是一个研究的热点，如果只依赖大电容值来减轻直流侧的交流不平衡，成本巨大昂贵，因此很多不同的控制方法被提出。在小直流侧电容的系统中，交流不平衡的解决方案有：1)PI控制器，它的输入是上下电容电压之间的电压差，使用PI控制器的方法的性能取决于电压传感器的精度；2)零序电压注入法，根据逆变器输出电流和直流侧上下电压差值来选择零序电压，同样需要精确的电压传感器来检测上下电容电压，如果检测到的值包含一个噪声分量，则不能保证中性点的平衡控制；3)时间偏移估计方法，通过添加一个开关导通时间的时间偏移量来平衡中点电压，无复杂计算、建模或额外的硬件。但同样存在它的输入是上下电容电压之间的电压差的问题。因此，有人提出了一种基于载波脉宽调制的降低中性点交流纹波的精确计算方法。该方法将导致中性点电压不同变化的各种情况均考虑在列。根据不同情况选择适当的电流和参考电压，再据此计算偏移值，而不需要检测直流上下电压。然而，该精确计算方法下调制度的最大值为0.87。此外，这种方法在功率因数较小时，不能消除交流不平衡。
图1NPC三电平逆变器的拓扑图
Fig.1TopologyofNPCthree-levelinverter
本文提出了一种降低中性点电压交流纹波的精确补偿方法，通过向相电压占空比注入一个最佳补偿值，可以实现在任意功率因数和调制度时，均能降低中性点电压的交流纹波。其中最佳补偿值的概念是在文献[15]中首次提出，其计算交流不平衡问题的共模电压分两步计算。首先，利用导函数求得注入共模电压的传递函数。然后，由传输函数求得共模电压。计算较复杂。而本文借鉴文献中数学分析和分情况考虑的方法，使得最优补偿值只需要结合中性点电流平均值和交流侧相电压占空比就可以准确计算，且计算过程只使用6个方程。通过仿真结果验证了所提方法的性能。
结论
本文提出了一种降低中性点电压交流纹波的精确补偿方法，通过向相电压占空比注入一个最佳补偿值，以消除CB-PWM法的中性点电压的交流不平衡。
(1)与普通CB-PWM调制相比，本文所提方法在治理直流侧交流纹波的同时几乎不改变交流侧的输出性能。
(2)可以实现在任意功率因数和调制度时，均能降低有效中性点电压的交流纹波。
(3)占空比最佳补偿值可通过数学分析精确计算，且计算过程只使用6个方程。克服了已有零序电压注入法需要精确的电压传感器来检测上下电容电压的缺点。
但随着功率因数的降低和线性调制度的升高，新方法控制下的中点交流不平衡也在可接受范围内逐渐增大，这也是该方法的局限性所在，将针对这一现象继续研究。
作者简介张国荣(—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电能质量控制技术、储能系统中的电力变换技术和光伏发电技术研究；E-mail:zhanggrcao
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