中点钳位三电平逆变器在电压失衡条件下的改进型可变虚拟空间矢量调制策略

《Chinese Journal of Electrical Engineering》：Improved-variable virtual space vector modulation scheme for three-level inverter in unbalanced neutral-point voltage conditions

为解决中点钳位(NPC)三电平逆变器在高调制比下，因中点电位(NPV)失衡导致传统虚拟空间矢量调制(VSVM)方法调节能力受限的问题，研究人员开展了一项关于改进型可变虚拟空间矢量调制(I-VVSVM)策略的研究。该研究通过引入中矢量平衡因子，构建了与基本中矢量冗余的虚拟矢量对，并协同小矢量平衡因子与可变虚拟矢量调节因子，实现了对中点电位的快速、精准控制。仿真与实验结果表明，该方法不仅显著提升了中点电位的动态响应速度，消除了周期性波动，还在中点电位失衡条件下保证了输出电流的优良质量，为高调制比工况下的逆变器稳定运行提供了有效解决方案。

　　

在电力电子技术领域，中点钳位(Neutral-Point-Clamped, NPC)三电平逆变器凭借其高耐压能力和低输出谐波，已成为高压大功率应用场景的“明星选手”。然而，这位“明星”也有一个令人头疼的“阿喀琉斯之踵”——中点电位(Neutral-Point Voltage, NPV)失衡。简单来说，就是连接在直流侧的两个电容分压不均。这种失衡不仅会恶化输出波形质量，还会因开关管承受电压不均而缩短设备寿命，严重时甚至可能导致系统崩溃。

为了驯服这匹“野马”，工程师们提出了多种调制策略。其中，基于空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)的方法通过调节冗余小矢量的作用时间来平衡中点电位，但在高调制比（即输出电压接近极限）时，其调节能力会急剧下降，变得“心有余而力不足”。另一种虚拟空间矢量调制(Virtual Space Vector Modulation, VSVM)方法虽然能在全调制比和全功率因数下实现中点电位无波动，但它对已经发生偏移的中点电位几乎没有“纠偏”能力，显得过于“佛系”。此外，还有学者提出了可变虚拟空间矢量调制(Variable Virtual Space Vector Modulation, VVSVM)方法，通过改变合成矢量中基本矢量的作用时间分布来调节中点电位，但这种方法控制不够精确，容易产生周期性波动，属于“粗放式”管理。

面对这些挑战，哈尔滨工业大学的张温韬、张浩宇、徐永祥等研究人员在《Chinese Journal of Electrical Engineering》上发表论文，提出了一种改进型可变虚拟空间矢量调制(Improved-Variable Virtual Space Vector Modulation, I-VVSVM)策略。该策略旨在解决高调制比下中点电位调节能力不足的问题，同时实现快速、精准的控制，并保证输出电流的优良质量。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，他们引入了60° g-h坐标系，并定义了中点电位失衡时的空间矢量坐标，同时引入失衡因子ζ来精确描述电压合成过程。其次，他们创新性地利用两个大矢量合成一个与基本中矢量冗余的虚拟矢量，并引入中矢量平衡因子h来调节这对冗余状态的作用时间。最后，他们将该方法与传统的可变虚拟矢量调制(VVSVM)方法相结合，通过引入中点电位偏移允许范围H，实现了在不同偏差程度下的协同控制策略，从而加速了中点电位的动态平衡过程。

VVSVM方法在非平衡条件下的原理

研究人员首先阐述了在非平衡条件下，传统虚拟空间矢量调制(VSVM)方法的基本原理。他们引入了60° g-h坐标系来简化计算，并给出了在非平衡条件下各基本矢量的空间坐标。通过分析，他们指出传统的VSVM方法在A5扇区（高调制比区域）没有冗余状态，因此调节能力有限。而可变虚拟空间矢量调制(VVSVM)方法通过改变虚拟中矢量V_VM的合成方式，使其也能产生中点电流，从而赋予A5扇区调节能力。然而，VVSVM方法通过直接选择k值（如1/3, 2/3, 5/6）来调节，控制不够精确，且当失衡严重时，虚拟矢量的实际位置与理论位置偏差较大，会影响输出波形质量。

提出的改进型VSVM方法

针对VVSVM方法的不足，研究人员提出了改进型虚拟空间矢量调制(IVSVM)方法。该方法的核心思想是利用两个大矢量合成一个虚拟中矢量V_IVM，该矢量与基本中矢量V_M在幅值和相位上完全相同。由于大矢量不产生中点电流，因此通过用V_IVM替代部分V_M的作用时间，可以精确控制流过中点的电荷量。研究人员引入了调节因子h，并推导出了h的计算公式，从而实现了对中点电位的精确控制。同时，他们还引入了调节因子k₁和k₂来调节虚拟小矢量的作用时间，以增强在A1至A4扇区的调节能力。

I-VVSVM方法

为了进一步加速动态响应，研究人员将IVSVM方法与VVSVM方法相结合，提出了最终的I-VVSVM方法。该方法根据中点电位偏差的绝对值与预设允许范围H的大小关系，采用不同的控制策略。当偏差较小时，仅使用IVSVM方法进行精确调节，避免过调；当偏差较大时，则同时使用IVSVM和VVSVM方法，利用VVSVM方法提供额外的调节能力，从而快速减小偏差。这种协同控制策略既保证了调节的快速性，又保证了稳态的精确性。

仿真结果

仿真结果表明，在两种不同负载条件下，所提出的I-VVSVM方法（Method-4）能够完全抑制中点电位的波动，而传统方法（Method-1）和可变虚拟矢量方法（Method-2）均存在不同程度的波动。此外，在不同调制比和失衡系数下，I-VVSVM方法均能保持较低的输出电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)，证明了其优良的输出波形质量。

实验性能

稳态实验结果表明，在非平衡条件下，I-VVSVM方法的输出电流谐波特性优于其他对比方法。在最大失衡条件下，I-VVSVM方法的电流THD比传统VSVM方法降低了15%，证明了其在严重失衡条件下仍能保证良好的输出电流质量。动态实验结果表明，在高调制比（0.95）下，I-VVSVM方法的中点电位调节时间比VVSVM方法缩短了17%至31%，展现了其优越的动态响应能力。此外，研究人员还分析了开关损耗，指出该方法在引入额外调节能力的同时，开关损耗的增加在可接受范围内。

结论与讨论

本研究提出的改进型可变虚拟空间矢量调制(I-VVSVM)策略，通过引入中矢量平衡因子，构建了与基本中矢量冗余的虚拟矢量对，并协同小矢量平衡因子与可变虚拟矢量调节因子，实现了对中点钳位三电平逆变器中点电位的快速、精准控制。该方法不仅解决了高调制比下传统方法调节能力不足的问题，还通过引入失衡因子保证了在非平衡条件下输出电流的优良质量。仿真和实验验证了该方法的有效性，为高调制比工况下的逆变器稳定运行提供了可靠的技术方案。