学术简报｜容错控制模式下三电平逆变器输出电压不平衡抑制方法
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院、大连理工大学电气工程学院的研究人员张铭、郭源博等，在2018年第22期《电工技术学报》上撰文指出，容错控制技术作为提高系统可靠性的一种重要方法，在工程领域得到了广泛应用；在中大功率电力电子控制领域，针对NPC型三电平逆变器容错控制拓扑的中点电压波动问题，目前研究尚未涉及。
本文以八开关三相逆变器为三电平容错拓扑方案，首先证明容错拓扑中中点电压波动存在的必然性；其次，推导证明中点电压波动对逆变器输出侧的影响，即会导致输出电压的三相不平衡；最后，提出一种基于改进SVPWM的输出不平衡抑制策略，该策略能够在中点电压波动时，保证输出电压的三相平衡。
实验结果证明，所提出的抑制策略能够对中点电压波动导致的输出不平衡起到明显的抑制效果，调节时间在一个调制周期内。
中点电压波动问题作为三电平逆变器的一个固有问题，不仅会提高输出电压的畸变率，增加低次谐波含量，使电机负载转矩产生脉动，同时会导致各开关器件所受开关应力不均，降低器件的可靠性。因此，为保证系统的输出性能及安全性，有必要对三电平逆变器的中点电压进行平衡控制。
对于传统中点电压钳位（Neutral Point Clamped, NPC）三电平逆变器的中点电压平衡控制策略，已有较多的研究成果。在基于SVPWM的平衡控制策略中，可调节冗余小矢量的作用时间和顺序，来实现中点电压的平衡控制，但无法消除中矢量造成的低频振荡；故文献[5-8]提出了基于虚拟矢量（Virtual Space Vector Pulse Width Modulation, VSVPWM）的中点电压平衡方法，能够有效地消除中矢量对中点电压的影响；亦有学者提出了基于SVPWM和VSVPWM的混合控制策略，旨在两种控制算法的取长补短，但一定程度上提高了算法的复杂程度。
另外，基于载波脉宽调制（Carrier- Base Pulse Width Modulation, CBPWM）的中点平衡策略则通过注入零序电压来对中点电压进行控制。文献[15]还分析了VSVPWM与CBPWM之间的关系，并提出了基于CB-VSVPWM的中点电压平衡策略。
逆变器的可靠性研究一直备受学者们的关注。容错控制是提高逆变器运行可靠性的一种有效方法。对于三电平NPC逆变器的容错控制研究可分为容错拓扑和容错控制策略两个方向。关于三电平NPC逆变器容错拓扑的研究，已有较多研究成果，可分为三桥臂容错拓扑和四桥臂容错拓扑两大类。
由于增加了冗余桥臂，四桥臂容错拓扑控制难度较小，但系统成本较高。因此，对于容错控制策略方面的研究大多针对三桥臂容错拓扑，如图1所示。三桥臂容错拓扑在故障后进行拓扑重构，切除故障桥臂，通过控制剩余两个桥臂来保证输出空间电压矢量轨迹不变，但直流母线电压利用率有所降低。
图1 三电平NPC逆变器容错拓扑
但是，目前对于容错控制下的三电平NPC逆变器中点电压分析及平衡控制研究仍较少。文献[22, 23]分析了传统三电平NPC逆变器中，各开关管故障后对中点电压的影响，并不涉及容错控制。文献[24]建立了容错控制下三电平NPC逆变器的数学模型，并分析了中点电压的波形，但并未给出具体的平衡控制策略。
因此，本文着重对容错控制下的中点电压波动的产生机理及对负载电流的影响进行分析，并提出改进的调制策略，以保证中点电压波动的情况下，输出电压仍保持三相平衡。
图6 三电平逆变器实验平台
本文对容错控制模式下的三电平NPC逆变器中点电压波动问题进行了分析，证明了其存在的必然性。并由分析可知，中点电压波动将导致逆变器输出电压发生三相不平衡，对负载影响极其恶劣。由于容错控制下，NPC型三电平逆变器的中点电压波动无法被消除，因此，本文提出了一种基于改进SVPWM的逆变器输出电压不平衡抑制策略，能够在中点电压波动存在的情况下，保证逆变器输出电压的三相平衡。
实验结果证明，所提出的算法能够快速有效地抑制容错控制下三电平NPC逆变器的输出不平衡，且负载越大，抑制效果越明显。