零序注入的载波调制方法，能有效解决SVPWM和VSVPWM的不足
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强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、华中科技大学文华学院的研究人员陈兮、黄声华、李炳璋、吴芳，在2019年第2期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“一种零序注入的三电平中点钳位型变换器中点电位平衡控制策略”），对三电平的两种调制方法空间矢量脉宽调制（SVPWM）和虚拟空间矢量脉宽调制（VSVPWM）进行深入比较，详细分析VSVPWM方法线电压dv/dt高和谐波含量大、功率器件开关损耗大以及中点电压平衡动态响应特性慢等问题的本质原因。
为克服SVPWM和VSVPWM的不足，提出一种零序注入的载波调制方法。该方法将一种适用于两电平的零序注入法引入到简化的三电平空间矢量图的小六边形中，在每个小六边形中建立中点电流与零序分量之间严格准确的数学关系，并结合6个小六边形开关函数符号特点，只需一路载波和6个等式即可实现三电平载波调制和中点电位平衡控制，且具有计算量小，执行时间短，中点电压平衡动态响应快等优点。最后，本文方法与SVPWM和VSVPWM的实验对比，验证了提出方法的可行性和有效性。
相比于传统两电平变换器，多电平变换器具有更好的输出电压波形，较小的电压畸变率，以及功率器件只承受部分直流母线电压的特点，因而广泛应用于电机驱动、光伏系统、风力发电和高压直流输电等领域。大量研究表明，多电平变流技术不仅仅只适用于高压大功率场合，同样适用于中压或低压（小功率）领域，由于使用更低额定电压的功率器件，可以有更好的性能表现以及更低的经济成本。
在多电平拓扑结构中，三电平中点钳位型（Neutral-Point-Clamped, NPC）变换器是研究和应用最为广泛的电路拓扑。普遍应用于2.3～4.16kV场合，也有应用于6 kV电压场合。当前大量文献主要致力于三电平的调制过程简化，以及中点电位平衡控制。
文献[11]提出了一种简化的三电平空间矢量调制方法。该方法将传统的三电平空间矢量分解成6个两电平空间矢量，因此适用于两电平的调制方法，也适用于分解得到的6个两电平空间矢量，这样可以大大简化三电平的调制过程。
对于三电平NPC变换器，中点电位平衡控制是核心问题。文献[2]指出，中点电位不平衡分为直流不平衡和交流不平衡。通常直流不平衡容易通过控制算法实现抑制。相比于直流不平衡，交流不平衡（中点低频电压振荡）研究最多。低频振荡电压频率为3倍输出基波频率，其幅值大小受输出电流、功率因数和直流母线电容影响，且低频振荡电压幅值过大时会造成输出电压畸变，以及功率器件过高的电压应力。
为了抑制中点低频电压振荡，提出了大量控制方法，其中文献[12]提出一种虚拟空间矢量调制（Virtual Space Vector Pulsewidth Modulation, VSVPWM）方法，该方法可以使变换器在线性或非线性，以及不同功率因数负载条件下，保持中点电压平衡。但该方法计算量大，实现过程复杂。
文献[13]提出了一种基于零序注入的载波调制策略来简化VSVPWM。文献[5,6,13,14,19-22,24]也提出了类似的方法，虽然都能较好地抑制中点低频电压振荡，但是这些方法会导致线电压出现以下问题：
（1）线电压的dv/dt较高，可能导致在长线驱动的电机端产生反射过电压，造成电机绝缘损坏，同时也会产生高频共模电流，影响电机轴承寿命。
（2）线电压畸变严重。
文献[5,6,12,13,19-22]方法的功率器件等效开关频率比空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）增加1/3，这将显著增加三电平NPC变换器的开关损耗，降低变换器效率以及功率密度。此外，VSVPWM还存在中点电压平衡动态响应特性慢的问题。目前，很少有工作对VSVPWM这些不足的本质原因进行分析。为了便于理解和分析，本文将以SVPWM方法为对照，深入分析VSVPWM不足的本质原因。
同时，提出一种零序注入的载波调制方法。该方法既能够克服VSVPWM方法线电压dv/dt高和谐波含量大，功率器件开关损耗大，以及中点电压平衡动态响应特性慢等不足；又能够大大简化SVPWM复杂的调制过程，改善SVPWM中点电位平衡能力。具有实现过程简单、代码量少、执行效率高、中点电压平衡能力强且动态响应快等优点。
图10 实验样机
本文以SVPWM对照，深入分析和讨论VSVPWM存在不足的本质原因。同时为了克服传统SVPWM和VSVPWM的缺点，提出了一种零序注入法，实现三电平NPC变换器的载波调制以及中点电压平衡控制。主要工作概括如下：
1）对VSVPWM输出线电压dv/dt高和谐波含量大、功率器件开关损耗大、以及中点电压平衡动态响应特性慢的本质原因进行分析，定义补偿能力值，解释不同方法调节中点电压速度快慢的本质原因。
2）在6个小六边形中，建立中点平均电流与零序分量之间严格准确的数学关系，这是实现中点电位补偿的关键因素。
3）利用开关函数在6个小六边形的符号特点，只需一路载波实现三电平的载波调制；同时利用表5给出的6个零序分量表达式就能够实现对中点电压平衡控制，整个算法具有实现简单，计算量小，执行时间短，以及中点电压平衡动态响应快等优点。
最后，给出了三种方法实验结果比较，本文方法具有更明显优势，仿真和实验结果验证了本文方法的可行性和有效性。