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【SCI复现】三电平NPC变流器中点电位平衡下零序电压的分析与计算研究（Simulink仿真实现）

news 2026/5/6 17:33:30

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💥第一部分——内容介绍

三电平NPC变流器中点电位平衡下零序电压的分析与计算

摘要：三电平中点箝位（NPC）变流器的中点（NP）电位需要保持平衡。在基于载波的脉宽调制中，零序电压是唯一可调节自由度。需确定合适的零序电压以控制中点电位。本文全面研究了中点电流与注入零序电压的关系，提出两种中点电位平衡算法，分别采用寻优与插值方法。后者可得到控制中点电位的理论最优零序电压。仿真与实验结果验证了所提算法的有效性与实用性。关键词：平衡算法；中点箝位（NPC）；中点（NP）电位；零序电压

一、引言

三电平中点箝位（NPC）变流器已广泛应用于中压电能变换领域。NPC 变流器的核心问题之一是如何保持直流侧电容电压平衡，即维持中点电位稳定并抑制纹波。若中点电位未得到有效控制，变流器输出电压会偏离参考值，甚至损坏功率器件与设备。

现有文献中的中点电位控制策略可根据所采用的脉宽调制（PWM）算法归纳。采用空间矢量PWM（SVPWM）时，电压矢量按幅值分为零矢量、小矢量、中矢量与大矢量四类，可分析中点电位与各开关状态矢量的关系。已知零矢量与大矢量对中点电位无影响，中矢量与小矢量则有影响。一个小矢量存在两种开关状态（正、负），对中点电位的充放电作用相反。因此，核心任务是调节小矢量冗余开关状态的作用时间。

相应地，采用载波PWM（CPWM）时，中点电位控制可转化为确定零序电压的问题。向参考电压注入零序电压不改变输出线电压，但会影响开关状态与中点电位。已有文献研究了注入零序电压引起的中点电位变化，并提出通过注入合适零序电压实现中点电位平衡的算法。部分文献研究了中点低频电压振荡并给出解决方案，但会带来更高开关频率与额外开关损耗。

众所周知，调制过程中零序电压是唯一可调节的自由度。SVPWM 与 CPWM 的关系已被研究并证明二者等效。本质上，SVPWM 中选择冗余开关状态与调节作用时间的过程，就是确定零序电压的过程。因此，研究中点电位平衡问题应聚焦于零序电压。无论采用何种调制方式，中点电流都是关键变量。已知中点电流即可得到中点电位变化；确定零序电压即可确定开关状态；结合三相电流与开关状态可计算中点电流。但中点电流与零序电压的关系非线性、非连续，导致算法不够直观简便。

本文全面研究三电平 NPC 变流器中中点电流与注入零序电压的关系，提出一种中点电位寻优平衡算法，同时提出一种基于插值法精确计算中点电位平衡所需零序电压的方法（本文称为精确计算算法）。两种方法均通过仿真与实验验证。

二、中点电流与零序电压的关系

图 1 为三电平 NPC 逆变器拓扑。为简化分析，作如下假设：

直流母线电压恒定，消除其对中点电位的影响；
直流侧上下电容容量与特性一致；
逆变器带三相平衡负载，三相电压与电流为纯正弦对称量；
调制频率远高于输出基波频率，一个调制周期内相电流可视为恒定。

以直流母线电压的一半为基值，对三相正序参考电压进行归一化处理，其中包含调制比和相角两个关键参数，调制比有固定取值范围，相角与角频率、时间相关。

向三相参考电压注入零序电压后，可得到实际参考电压，注入零序电压不会改变各相参考电压的幅值关系。

根据假设，变流器三相电流呈对称分布，包含电流幅值和功率因数角两个关键参数。

通常，一个调制周期内每相桥臂仅有一对器件开关。三电平 NPC 变流器中，某相仅在输出零电平（接中点）时，相电流才会对中点电流产生贡献。图 2 给出平均相电压与中点输出占空比的关系。此外，三相三线制系统满足三相电流之和为零，因此可推导得到一个调制周期内的平均中点电流。

中点电位变化可通过相应公式计算得出，主要与中点电流、电容容量相关。

为便于分析，定义注入零序电压前、后参考电压的最大值、中间值、最小值，以及对应相的相电流。注入零序电压不改变各参考电压的幅值大小关系。

本文将相电压范围设定在固定区间内，由此可确定可注入零序电压的最大和最小取值范围。

平均中点电流与相电流及参考电压绝对值相关，看似可直接计算实现中点电位平衡的零序电压，但唯一难点在于相电压极性。已有文献按区间处理极性，给出区间内使中点电流为零的零序电压，但注入零序电压后，相电压极性可能反转，因此需要推导正确的注入零序电压表达式。

遗憾的是，注入不同零序电压时，相电压的极性无法提前确定。为解决该问题，已有文献提出中点电位平衡的测试–验证–修正算法：先假设注入零序电压后相电压极性与正序电压一致，将预测的零序电压代入相关条件验证极性假设；若不满足，修正中间相电压符号并重新计算，间接解决注入零序电压带来的极性问题。

三、深入分析与所提中点电位平衡算法

最全面的方法是遍历所有可注入零序电压并选取最优值，但该方法计算量过大，不适合工程应用。为简化计算，可选取若干关键零序电压进行比较。定义参数分别表示开关序列序号与冗余电压矢量作用时间比，选取特定条件下易求得的零序电压并比较，选择最优值，该过程称为寻优策略。如图 3 所示，三电平变流器中心网格区有 5 个零序电压待比较，白色区域 3 个，外侧灰色区域 2 个。该结果为次优解，但计算量可控，其实用性将在后续通过仿真与实验验证。

需进一步分析中点电流与零序电压的关系。三相正序参考电压之和为零，因此注入零序电压前，参考电压的最大值必然非负、最小值必然非正，仅中间值的符号不确定。无论中间值符号如何，根据零序电压的不同取值，可将中点电流与零序电压的关系分为四种情况，分别对应不同的相电压极性组合，每种情况下的平均中点电流有不同的表达式。

平均中点电流的取值范围由特定零序电压下的中点电流确定，这些特定零序电压对应相电压极性发生转变的临界值。

另一种平均中点电流的取值范围由另外两个特定零序电压下的中点电流确定，同样对应相电压极性转变的临界状态。

上述四种情况给出了所有可能的中点电流。不同调制比与相角下，上述四种情况未必同时存在。根据参考电压的幅值关系，所有状态可分为三类：

情况 1）参考电压最大值与最小值之差不超过1。可通过注入零序电压使参考电压全正或全负。中点电流与零序电压的关系曲线由两段与零序电压线性相关、两段恒定的线段组成。特定零序电压下的平均中点电流分别为电流的最值，该情况包含全部四种中点电流状态。

情况 2）参考电压最大值与最小值之差大于1，且中间值的绝对值与参考电压绝对值的最大值之和小于1。无法通过注入零序电压使参考电压全正或全负（不考虑调制比为0的情况），但中间相电压可改变极性。此时，中点电流与零序电压的关系曲线仅保留两段线性相关的线段，无法得到两种极端情况下的中点电流，平均中点电流由三个关键电流值限制。

情况 3）中间值的绝对值与参考电压绝对值的最大值之和不小于1。注入零序电压无法改变任一相电压极性，仅能得到两种极端情况下的中点电流，中点电流与零序电压的关系曲线为单一线段。

根据上述分析，零序电压与对应中点电流形成5个关键节点，每个节点对应特定的零序电压和中点电流取值。

所有可用平均中点电流均不超出上述5个节点的最值。对于维持中点电位平衡的期望中点电流，需先确定其所在的线段区间。确定区间后，可通过插值法计算对应的零序电压，该计算过程可通过差值运算简化。

若计算得到的差值乘积不大于零，则说明期望中点电流位于对应区间内，可通过插值公式计算得到对应的零序电压。

该策略称为精确计算算法。在情况1与情况2中，期望中点电流可能同时落在两段线段内，两种计算结果均有效；若期望中点电流不在任何线段内，则选择最接近期望值的中点电流对应的零序电压。具体而言，计算三个关键节点与期望中点电流的差值，选取绝对值最小者为最优解。图 5 为所提算法流程，可精确、便捷地得到中点电位平衡的最优零序电压。

四、仿真与实验结果

本节通过仿真结果验证所提方法，设定固定的仿真参数，包括直流母线电压、负载电流有效值、电容容量、开关频率和输出频率。

研究表明，影响中点电位波动的因素包括：直流电容容量、负载电流、控制周期长度；调制比与功率因数也会影响中点电位纹波；调制比越接近1、功率因数角越接近特定值，中点电位波动越剧烈。

图 6 与图 7 分别为采用寻优算法与精确计算算法时的中点电位，考虑两种典型功率因数与两种调制比（调制比较小时中点电位波动不明显）。同时给出两种方法得到的注入零序电压及可注入最大、最小零序电压。结果表明，两种算法均可稳定中点电位；仅当功率因数角为特定值时，纹波较明显。

当调制比大或功率因数低、中点电位波动剧烈时，两种算法计算的注入零序电压几乎一致。此时中点电位控制裕度小，通常选择最大或最小零序电压注入。反之，精确计算算法比寻优算法更精确，但此时中点电位波动小，精度提升效果不显著。

实验采用特定型号的IPM搭建小功率三电平NPC逆变器，设定固定的直流侧电容、直流母线电压和主控制器，设置两种运行工况：

三相阻感负载，特定频率运行时功率因数接近1，代表高功率因数工况；
空载感应电机，特定频率空载额定磁通运行时调制比约为1，功率因数较低，代表低功率因数工况。

图 8 与图 9 分别为采用寻优算法与精确计算算法的实验结果。与仿真一致，除高调制比、低功率因数工况外，中点电位纹波均得到有效抑制。因采用无源前端，直流母线电压变化不可忽略；高功率因数下，中点电位波动远小于直流母线电压波动。测量低功率因数下中点电位峰峰值，精确计算算法略有改善，但受测量误差、数字控制延迟、参数不准等非理想因素影响，改善效果不显著。

同时验证稳态与动态性能。如图 10 所示，所提算法将中点电位控制在直流母线电压的1/3，给出指令后快速切换至1/2，调节时间小于两个工作周期，动态响应迅速。

理论上精确计算算法优于寻优算法，但仿真与实验中优势不明显，原因包括：测量与数值误差、数字控制延迟、参数不准确等。实验与仿真中的注入零序电压存在差异。两种算法均为优良选择，中点电位控制效果无明显区别，但精确计算算法为本文推荐方案。

中点电流与零序电压的全面分析可用于研究中点完全可控区域（部分文献称为无纹波区）。某调制比与功率因数下，实现完全可控需保持中点电流为零。基于所提算法得到的可控区域如图 11 所示，与部分文献结果接近，与另一部分文献结果略有差异。归一化中点电位纹波如图 12 所示，其定义与相关文献一致。