学术简报｜基于七电平有源中点钳位型双PWM变流器的同步电机矢量控制系统
中国科学院大学、中国科学院电工研究所的研究人员绳伟辉、葛琼璇，在2018年第23期《电工技术学报》上撰文指出，有源中点钳位型（ANPC）多电平变流器是一种新型的变流器。
该文首先介绍七电平有源中点钳位型（ANPC-7L）双PWM变流器同步电机矢量控制系统的结构及变流器控制问题；然后研究系统的预充电问题，提出一种分段同步的预充电控制策略；并对ANPC-7L变流器在不平衡电网下的PWM整流控制策略及同步电机矢量控制策略进行研究。在一台380 V/5 kW的ANPC-7L双PWM变流器样机上取得的实验结果表明该文所提算法是有效的。
随着工业领域驱动功率和驱动电压的增大，近年来多电平变流器受到了广泛的关注。二极管钳位型（Neutral Point Clamped, NPC）变流器、飞跨电容型（Flying-Capacitor, FC）变流器及H桥级联型（Cascaded H-Bridge, CHB）变流器是三种成熟的多电平变流器。
随着输出电平数目的增加，对于NPC变流器和FC变流器，不仅所需钳位器件及悬浮电容的数量大增，而且其电容平衡控制的复杂程度也急剧增加；对于CHB变流器，其多绕组变压器的二次侧线圈数量将大增。这些都不利于这些变流器拓扑结构向多电平的推广。
模块式多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）、层叠式多单元变流器（Stacked Multicell Converters, SMC）及有源中点钳位型（Active Neutral-Point-Clamped, ANPC）变流器是三种新型的多电平变流器。
MMC变流器由多个级联型的半桥组成，其输出电压甚至可达数百千伏，其最成功的应用场合是高压直流输电（High Voltage Direct Current, HVDC）领域，当应用于传动领域时，其饱受模块电容低频波动的困扰，因此并不适合于低速、高转矩要求的传动场合。
SMC变流器由几个（一般两个）FC变流器层叠而成，其具有悬浮电容电压自然平衡、电平数易于扩展等优点，但当输出电平数较多时，其所需悬浮电容数目还是较多。
ANPC变流器能较好地克服NPC、FC、CHB、MMC及SMC变流器中的问题，其所需的钳位器件及悬浮电容比NPC、FC、MMC及SMC变流器都少，虽然相同电平下的总功率器件数目仍多于CHB变流器，但其可以无变压器运行，而多绕组变压器在CHB变流器中是不可或缺的部件。ANPC变流器可在低速下输出满转矩，还可很方便的四象限运行，这在某些需要能量回馈的场合（如矿井提升机等）尤其重要。由于以上优点，ANPC变流器非常适合于高性能中压变频驱动领域的应用。
ANPC变流器的主要问题有串联管动态均压问题、输出多电平跳变问题、悬浮电容电压控制问题及母线中点电压平衡问题。文献[16-18]对串联管动态均压问题及输出多电平跳变问题进行了研究，其中文献[18]通过对ANPC变流器拓扑结构的改进，较好地解决了这两个问题。
悬浮电容电压的控制可通过综合使用冗余开关状态的方法实现，这在文献[19-21]中均有论述。根据调制方法的不同，母线中点电压平衡问题的处理方法也有所不同。文献[22-25]分别给出了基于关键零序电压和基于电压空间矢量调制的五电平ANPC（ANPC-5L）变流器母线中点电压平衡方法。文献[26,27]对七电平ANPC（ANPC-7L）变流器母线中点电压平衡问题进行了研究，在保证串联管工作于基波频率的基础上，系统地解决了中点电压平衡控制问题及输出相电压多电平跳变问题。
目前对ANPC-5L变流器在传动系统中应用的研究较多，而ANPC-7L变流器在传动系统中的应用尚未有报道。
本文对ANPC-7L双PWM变流器在同步电机矢量控制系统中的应用进行了研究。首先介绍了ANPC-7L变流器的开关状态、悬浮电容控制、换流控制、PWM调制策略及中点电压平衡控制问题；然后研究了系统的预充电问题，提出一种分段同步的预充电控制策略；并对ANPC-7L变流器在不平衡电网下的PWM整流控制策略及同步电机矢量控制策略进行了研究。在一台380 V/5 kW的ANPC-7L双PWM变流器样机上取得的实验结果表明本文所提算法是有效的。
图12 ANPC-7L 变流器实验样机
本文对ANPC-7L双PWM变流器在同步电机矢量控制系统中的应用进行了研究，得到如下结论：
1）介绍了七电平有源中点钳位型（ANPC-7L）双PWM变流器同步电机矢量控制系统的结构。
2）介绍了ANPC-7L变流器的开关状态、悬浮电容控制、换流控制、PWM调制策略及中点电压平衡控制等问题，详细给出了一种综合使用同一电平的多个开关状态控制悬浮电容电压的方法及一种适合于ANPC-7L变流器的PWM调制方法。
3）研究了ANPC-7L变流器系统的预充电问题，提出了一种分段同步的预充电控制策略。
4）本文对ANPC-7L变流器在不平衡电网下的PWM整流控制策略及同步电机变频调速控制策略进行了研究。
5）在一台380 V/5 kW的ANPC-7L双PWM变流器样机上取得的实验结果表明系统运行稳定，控制算法正确、可靠。