关键字：T型三电平逆变器；中点电压平衡；新型虚拟空间矢量；全调制比范围
Abstract: In order to improve the efficiency and performance of traditional two-level inverters, T-type three-level inverters have been widely used. However, the neutral-point voltage imbalance will also adversely affect the performance of T-type three-level inverter. To solve this problem, this paper proposes a neutral-point voltage balance strategy based on a new virtual space vector. In this strategy, based on the principle that the current flowing in and out of the neutral point is zero within a switching period, new virtual small vectors and virtual medium vectors are constructed by using the basic space vectors, and the regulation factor is added to realize the real-time regulation of the neutral-point voltage, so as to realize the balance control of the midpoint voltage in the range of the full modulation ratio. Finally, the effectiveness and feasibility of this strategy are proved by a large number of simulation and experiments.
Key Words: T-type three level inverter; Neutral-point voltage balance; New virtual space vectors; Full modulation ratio range
1 引言
随着太阳能、UPS技术的不断发展，对于逆变器的效率以及性能要求也越来越高，三电平的拓扑结构也由此诞生[1]，其中T型三电平逆变器得到了越来越广泛地应用，它有着效率高、电流谐波含量小的优势，但是也存在着中点电压不平衡的问题，会影响逆变器的性能[2]。
为了解决中点电压不平衡的问题，不断有学者提出能够提高中点电压调节能力的方法。方法主要有两大类，一类是通过增加硬件电路，对中点电流进行补偿，以达到控制中点电压的目的，但是此类方法会增大设计成本，普及度不高[3]；另一类是采用某种控制方法或者改进调制策略对中点电压进行调控，常用的调制策略有基于载波的正弦脉宽调制（SPWM）与基于空间矢量的空间矢量脉宽调制（SVPWM），改变算法不会增加成本，更具有吸引力[4]。文献[5-6]通过在调制信号中注入零序电压的方式对中点电压进行调节，文献[7-10]分别为冗余小矢量、虚拟矢量的方法调节中点电压，但是也存在着不能在全调制比范围内调节、实现复杂等的问题。
在本文中，利用一个开关周期内流入流出中性点的电荷量为零的原理构造虚拟小矢量与虚拟中矢量，并且加入调节因子以实现T型三电平逆变器的中点电压平衡，理论分析和仿真实验验证了该策略的有效性。
2 T型三电平逆变器结构
T型三电平逆变器拓扑结构如图1，每相开关管共有三种组合，三相综合考虑则共有27种开关组合，其对应的空间矢量图如图2。
基本空间矢量可以分为大矢量、中矢量、小矢量（包括正小矢量和负小矢量）和零矢量，并通过影响中点O电流的充放电影响上下电容电压。以中矢量PON对中中点O的影响为例进行分析，如图3所示。
分析可得
，中矢量PON对中点电压的影响和
的方向有关。当
时，下电容放电，上电容充电，中点电压下降；当
时，上电容放电，下电容充电，中点电压上升。同理可得，基本空间矢量对中点电压的影响可归纳为表1所示。
图3 中矢量PON作用下的等效电路图
图4 小扇区的划分
小扇区的具体划分由图4所示的五条直线决定，直线表达式如下：
同理可以得到第一大扇区的各个小扇区的虚拟矢量的作用时间如表3。
3.2.4 开关状态序列的设计
开关状态序列的设计需要满足一些基本条件，首先不能存在三相同时发生切换的情况，而且切换的时候需要经过中间状态O状态的过渡，即不能存在P与N之间的切换情况。以N=1为例，其开关状态序列如表4所示。
以N=1，n=1为例分析，作图可得图5。
图5 N=1，n=1中点电压与调节因子的关系
如图6和图7所示，在低调制比m=0.433时，传统冗余小矢量法对于初始压差50V，调节时间为0.122s，最终稳定电压的范围为-0.5V~0.6V；在同样的条件下，本文所提算法所需调节时间为0.092s，最终稳定电压的范围为-0.2V~0.2V。由此可见，低调制比时本文所提算法比传统冗余小矢量法的中点电压调节能力更强。
如图8和图9所示，在高调制比m=0.866时，传统冗余小矢量法对于初始压差50V，调节时间为0.092s，最终稳定电压的范围为-2.0V~2.0V；在同样的条件下，本文所提算法所需调节时间为0.066s，最终稳定电压的范围为-0.2V~0.2V。由此可见，高调制比时本文所提算法比传统冗余小矢量法的中点电压调节能力更强。
基于上述分析对比可得，本文所提算法在全调制比范围内都有着较好的中点电压调节效果，动态调节时间快且稳定电压范围小。
在验证算法有效性时，通过在上电容并联电阻的方式模拟外界的干扰，从而使得上下电容两端的电压不一致。如图11和图15所示，分别为传统冗余小矢量法中点电压调节的实验波形。低调制比m=0.433时，初始压差（下电容与上电容两端电压之差）为186V，稳定后压差为15V，调节时间为0.892s；高调制比m=0.866时，初始压差为79V，稳定后压差为13V，调节时间为0.261s。图12和16为稳定后相电流的波形。
如图13和图17所示，分别为本文所提算法中点电压调节的实验波形。低调制比m=0.433时，初始压差（下电容与上电容两端电压之差）为64V，稳定后压差小于1V，调节时间为0.118s；高调制比m=0.866时，初始压差为212V，稳定后压差小于1V，调节时间为0.318s。图14和18为稳定后相电流的波形。
由上述结果可知，传统冗余小矢量法与本文所提算法在同一调制比下所对应的初始压差不同，并且同一算法调制比不同所对应的初始压差也不一致。但是，对于同一量级的初始压差，本文所提算法不仅调节时间更小，并且最终稳定的压差远远小于冗余小矢量法。
6 结论
在本文中，所提算法可以有效降低三电平逆变器的中点电压波动。基于流进流出中点电流可以控制中点电压的原则，通过构建可变的新型虚拟小矢量与虚拟中矢量，最终达到有效调节中点电压的目的。本文对所提算法进行了原理分析论证，且进一步通过仿真与实验结果验证，证明了本文所提算法可以较为高效地对三电平逆变器地中点电压进行调节。
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联系人：程善美， 武汉市华中科技大学人工智能与自动化学院自动控制系，430074
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