三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究

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2024年7月3日发(作者：)

ELECTRICDRIVE2018Vol.48No.8

电气传动2018年第48卷第8期

三电平NPC逆变器的新型虚拟空间

矢量调制策略研究

王倩

1

，李润秋

2

，王燕

3

，施荣

2

，李宁

1

（1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048；

2.国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西西安710075；

3.西安工业大学工业中心，陕西西安710021）

摘要：三电平NPC逆变器是目前应用最为广泛的多电平逆变器。针对三电平NPC逆变器存在的直流电

容电压波动问题和共模电压问题，提出了一种新型虚拟空间矢量调制策略。提出的新型虚拟空间矢量调制策

略一方面可以实现任意调制度和功率因数的直流电容波动控制；另一方面又减小了三电平NPC逆变器的输出

共模电压。理论分析、仿真和实验表明，提出的方法较传统SPWM策略和虚拟空间矢量调制策略可减小50%

的共模电压。

关键词：三电平NPC逆变器；直流电容电压波动；共模电压；虚拟空间矢量调制

中图分类号：TM46文献标识码：ADOI：10.19457/18670

ResearchonNovelVirtualSpaceVectorModulationStrategyforThree-level

WANGQian

1

，LIRunqiu

2

，WANGYan

3

，SHIRong

2

，LINing

1

NeutralPointClampedConverter

（

ofAutomationandInformationEngineering，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048Shaanxi，

China；ridShaanxiElectricPowerCompanyEconomicResearchInstitute，Xi

’

an710075Shaanxi，

China；rialCenter，Xi’anTechnologicalUniversity，Xi’an710021，Shaanxi，China）

gatthethree-levelNPCconvertertosolvethedirectcurrent（DC）capacitorvoltage

virtualspacevectormodulationstrategywas

virtualspacevectormodulationstrategyproposedcouldachieveDCcapacitorvoltagebalance

Abstract:Three-levelneutralpointclamped（NPC）converteriscurrentlythemostwidelyusedconvertersinceits

er，itcouldreducetheoutputcommon-modevoltageof

tionandexperimentalresultsshowthattheproposedmethodcanreducethecommon

modevoltagebyhalfcomparedwiththetraditionalSPWMstrategyandvirtualspacevectormodulationstrategy.

modevoltage；virtualspacevectormodulationstrategy

Keywords:three-levelneutralpointclampedconverter；directcurrentcapacitorvoltageimbalance；common

与传统的两电平逆变器相比，三电平NPC逆

变器具有电压等级高、输送功率大、输出波形畸

变率小、电磁干扰低等优点，被广泛应用于电能

质量分析、直流输电、超导储能、新能源发电等众

多场合

［1］

。然而，三电平NPC逆变器存在直流电

容电压波动和共模电压（电流）问题，若不对其进

行抑制，轻则导致三电平NPC逆变器的输出特性

变差，逆变侧谐波增加，重则导致系统故障，引发

基金项目：国家自然科学基金项目（51507140）；电力设备电气绝缘国家重点实验室开放课题（EIPE17209）；西安市碑林区

科技计划项目（GX1622）；广东省绿色能源技术重点实验室（2008A060301002）；江苏省配电网智能技术与

装备协同创新中心开放基金项目（XTCX201703）；西安理工大学博士启动基金（103-400211421）

作者简介：王倩（1982-），女，博士，讲师，Email：wangqian77@

21

电气传动2018年第48卷第8期

王倩，等：三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究

设备和人身安全问题

［2］

。

在电容电压波动方面，文献［3］采用零序分量

注入法，将零序分量注入到传统调制策略的参考

电压中，取得了一定的效果；文献［4］通过合理分

配冗余矢量的作用时间，让有益于直流电容电压

平衡的矢量作用时间尽量长，也在一定程度上改

善了三电平NPC逆变器的直流电容电压的波动状

况。但以上2大类方法无法实现任意调制度和功

率因数的直流电容电压波动控制，在高调制度、低

功率因数区域的控制效果较差。据此，有学者提

出了虚拟空间矢量调制策略，较好地实现了全调

制度和全功率因数的直流电容电压波动控制

［5-9］

。

在共模电压方面，有学者基于三电平SPWM策略

和三电平SVPWM策略提出了一些相应的共模电

压抑制策略

［10-12］

，但都无法实现全调制度和全功率

因数的直流电容电压波动控制。

本文针对三电平NPC逆变器，建立了数学模

型，分析了其直流电容电压波动机理和共模电压

产生机理。为实现直流电容电压平衡和共模电

压抑制的双重控制目标，本文对传统虚拟空间矢

量调制策略进行改进，提出一种新型虚拟空间矢

量调制策略，该调制策略一方面保留了传统虚拟

空间矢量调制策略对直流电容电压平衡的控制

效果；另一方面将传统虚拟空间矢量调制策略的

共模电压减小了50%。通过仿真和实验论证了

本文方法的有效性。

1三电平

压波动和共模电压问题

NPC逆变器的直流电容电

图1为三电平NPC拓扑图。

图1三电平NPC逆变器拓扑图

Fig.1Topologyofthree-levelNPCconverter

图1中，U

dc

为直流侧总电压；C

1

，C

2

分别为2

个直流电容，一般都取容值相同；

i

C

1

，

i

C

2

分别为

流过2个电容的电流；i

o

为中点电流；u

a

，u

b

，u

c

分别

为逆变器输出相电压；i

a

，i

b

，i

c

分别为负载电流。

图2所示为三电平NPC逆变器空间电压矢量图。

22

图2三电平NPC逆变器电压矢量图

Fig.2Voltagevectorsdiagramofthree-levelNPCconverter

1.1三电平NPC逆变器的直流电容电压波动

由图1和图2可知，当三电平NPC逆变器某

相输出o状态时，中点电流等于相电流，设1个开

关周期内，三相输出o状态的时间与开关周期的

比值分别为

d

ao

，

d

bo

，

d

co

，则有：

i

o

=d

ao

i

a

+d

bo

i

b

+d

co

i

c

（1）

进一步推导可得中点电流

i

o

与两电容电流

的关系如下：

i

o

=i

C

1

+i

C

2

（2）

由于直流电容容值相同，可得：

i

C

1

=-i

C

2

=0.5i

o

（3）

由式（1）～式（3）可知，中点电流的产生与o

状态相关，由于两直流电容电流大小相等，方向

相反，因而当1个开关周期内平均中点电流不为

0时，两直流电容电压必将出现相反的变化趋势，

导致直流电容电压的波动。

1.2三电平NPC逆变器的共模电压问题

三电平NPC逆变器共模电压是逆变器负载

侧公共点与直流电容中点（电压参考点）的电位

差。在传统的两电平逆变器中，由于每相只有2

个状态，因而两电平逆变器的共模电压无法避

免。在三电平NPC逆变器中，由于每相有3个状

态，使得输出开关状态增多，丰富的开关状态为

共模电压的抑制乃至消除提供了可能。

根据图1所示的三电平NPC逆变器拓扑图，

设负载为阻感负载，电感值和电阻值分别为L和

R，设系统的共模电压为U

om

，则有：

ì

ï

ï

u

a

=L

di

a

+Ri

ï

ï

í

d

d

a

+U

om

i

t

b

ï

u

b

=L+Ri

b

+U

om

（4）

ï

dt

ï

ï

di

î

u

c

=L

c

dt

+Ri

c

+U

om

考虑到三相电流存在如下关系：

i

a

+i

b

+i

c

=0

（5）

则有：

U

om

=(u

a

+u

b

+u

c

)/3

（6）

王倩，等：三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究

电气传动2018年第48卷第8期

三电平NPC逆变器各开关状态对应的共模

电压如表1所示。

表1三电平NPC逆变器各开关状态对应的共模电压

Tab.1Common

stateinthree

-mode

-level

voltage

NPC

of

converter

differentswitching

正小矢量ONNPPONONOPPNNOPOP

U

om

-U

dc

/3U

dc

/3U

dc

/3

POOOON

-U

dc

/3U

dc

/3

负小矢量OPONOO

-U

dc

/3

OOPONO

U

om

U

dc

/6

-U

dc

/6U

dc

/6U

dc

/6

中矢量PONOPNNPO

-U

dc

/6

NOPONP

-U

dc

/6

PNO

U

om

000000

大矢量PNNPPNNPNNPPPNPNNP

U

om

U

dc

/6

dc

/6

零矢量

-U

dc

/6U

PPPOOO

-U

dc

/6U

dc

/6

NNN

-U

dc

/6

U

om

U

dc

/20

-U

dc

/2

由表1可知，三电平NPC逆变器27个开关状

态中：零矢量3个，其中，PPP对应的共模电压为

U

dc

/2；NNN对应的共模电压为-U

dc

/2，OOO对应

的共模电压为0；正小矢量6个，其中，ONN，

NON，NNO对应的共模电压为-U

dc

/3；PPO，OPP，

POP对应的共模电压为U

dc

/3；负小矢量6个，其

中，POO，OPO，OOP对应的共模电压为U

dc

/6；

OON，NOO，ONO对应的共模电压为-U

dc

/6；中矢

量6个，对应的共模电压都为零；大矢量6个，

PNN，NPN，NNP对应的共模电压为-U

dc

/6；PPN，

NPP，PNP对应的共模电压为U

dc

/6。

2三电平

矢量调制策略

NPC逆变器新型虚拟空间

2.1新型虚拟空间矢量调制策略的矢量定义

图3所示为三电平NPC逆变器新型虚拟矢

量调制策略的矢量定义空间图，其中V

Z0

代表虚

拟零矢量，V

Zs

（

x

x=1，…，6）代表虚拟小矢量，V

Zmx

x=1，…，6）代表虚拟中矢量，V

Zl

（

x

x=1，…，6）代表

虚拟大矢量。

图3三电平NPC逆变器新型虚拟矢量空间图

Fig.3

of

The

three

novel

level

virtual

NPC

vector

converter

spacemap

其中，以第1扇区为例，各虚拟矢量的定义如

下式：

ì

ï

V

Z0

=V

OOO

ï

ï

V

Zs1

=

1

3

V

OON

+

1

3

V

POO

+

1

ï

ï

3

V

ONO

ï

í

V

Zs2

=

1

ï

3

V

OON

+

1

3

V

POO

+

1

V

OPO

（7）

ï

ï

V

Zm1

=

1

3

V+

1

V+

1

V

ï

ï

3

OPN

3

PON

3

PNO

ï

V

Zl1

=V

PNN

î

V

Zl2

=V

PPN

由式（7）可知，新型虚拟矢量调制策略与传

统虚拟矢量调制策略在虚拟小矢量和虚拟中矢

量的定义上有所区别：在虚拟小矢量中舍弃了传

统的正小矢量，而是采用共模电压更小的负小矢

量来构成；在虚拟中矢量中舍弃了引起共模电压

的小矢量，采用共模电压为0的中矢量来构成，这

种虚拟矢量的构成方式将大大减小由调制策略

引起的共模电压。此外，由式（7）中所选矢量不

难推导，新的虚拟矢量在1个开关周期内引起的

中点电流平均值为零，将仍然保持传统虚拟空间

矢量调制策略对直流电容电压的平衡效果。

2.2新型虚拟空间矢量调制策略的小三角形区

域判断

图4所示为本文所提出的新型虚拟空间矢量

调制策略第1扇区的小三角形划分图。

图4新型虚拟空间矢量调制策略小三角形划分（第1扇区）

Fig.4The

vector

small

space

triangles

modulation

division

strategy

ofnovel

（Set.1

virtual

）

图4中，通过5条辅助线和扇区边界一起将整

个第1扇区虚拟矢量图划分为5个小三角形，5条

辅助线的方程如下式：

ì

ï

l

1

:V

β

=3/9

ï

ï

ï

l

2

:(3/3)V

α

+V

β

=23/9

í

ï

l

3

:V

α

=1/3

（8）

ï

ï

l

4

:3V

α

-V

β

=23/9

ï

î

l

5

:(3/3)V

α

2.3新型虚拟空间矢量调制策略的虚拟矢量作

-V

β

=0

2.3.1

用时间计算

当参考电压矢量位于

各矢量的作用时间

2.2中5个不同小三角形

中时，利用三角形顶点所在虚拟矢量合成参考电

23

（

电气传动2018年第48卷第8期

王倩，等：三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究

压矢量，第1扇区具体选择的合成虚拟矢量及其作

用时间如表2所示，其中k定义为

k=

3|V

ref

|/U

dc

。

表2新型虚拟空间矢量调制策略的矢量选择

及各矢量作用时间（第1扇区）

Tab.2Vectors

virtualvector

selection

space

and

modulation

actiontime

strategy

calculation

（Set.1

of

）

novel

三

角

虚拟矢量1及虚拟矢量2及虚拟矢量3及

形

其作用时间其作用时间其作用时间

1

V

Zs2

，T

Zs2

=

V

Z0

，T

Z0

=

33ksin(θ-30

∘

)T

s

3k

V

cos

Zm1

(

，

θ

T

+

Zm1

30

=

∘

)T

s

T

s

-T

Zs2

-T

Zm1

2

V

Zs1

，T

Zs1

=

V

V

Z0

，T

Z0

=

33kcos(θ+60

∘

)T

s

3

Zm1

ksin

，T

Zm1

θT

=

s

T

s

-T

Zs1

-T

Zm1

3

V

Zs1

，T

Zs1

=

V

V

Zl1

，T

Zl1

=

1.5T

s

[1-3ksin(θ+30

∘

)]

3

Zm1

ksin

，T

Zm1

θT

=

s

T

s

-T

Zs1

-T

Zm1

4

3T

V

-

Zm1

kcos

，T

Zm1

(θ

=

V

Zl1

，T

Zl1

=

V

Zl2

，T

Zl2

=

s

[1-30

∘

)]

T

s

(3kcosθ-1)

T

s

-T

Zl1

-T

Zm1

5

1.5T

V

Zs2

，T

3

Zs2

k

=

s

(1-cosθ)

3k

V

cos

Zm1

(

，

θ

T

+

Zm1

30

=

∘

V

Zl1

，T

Zl1

=

)T

s

T

s

-T

Zs2

-T

Zm1

2.3.2

∘

应用表

各开关状态的作用时间

2可求得各矢量的具体作用时间，下

式给出了第1扇区各开关状态的具体作用时间计

算公式，其它各个扇区的开关状态作用时间公式

可以用类似的方法求解。

ì

ï

T

OOO

=T

Z0

ï

ï

T

OON

,T

POO

=(T

Zs1

/3)+(T

Zs2

/3)

ï

ï

ï

T

ONO

=T

Zs1

/3

í

ï

T

OPO

=T

Zs2

/3

（9）

ï

ï

T

OPN

,T

PON

,T

PNO

=T

ï

Zm1

/3

ï

ï

T

PNN

=T

Zl1

î

T

PPN

=T

Zl2

2.4新型虚拟空间矢量调制策略的输出开关序列

当计算出各开关状态的具体作用时间后，另

一个重要问题就是参考电压位于不同小三角形

中时的输出开关序列。表3给出了参考电压位于

第1扇区不同小三角形时新型虚拟空间矢量调制

策略的输出开关序列。当参考电压位于其它扇

区时，可以利用图2中的对应关系对表3进行替

换，得到相应的不同扇区的输出开关序列。

表3新型虚拟空间矢量调制策略的输出开关序列（第1扇区）

Tab.3Output

vectorspace

switching

modulation

sequences

strategy

ofnovel

（Set.1

virtual

）

三角形输出开关序列

1

PON-OON-OPN-OPO-OOO-POO-PNO

2

PON-POO-PNO-ONO-OOO-OON-OPN

3

ONO-PNO-PNN-PON-POO-PON-OON-OPN

4

PNO-PNN-PON-PPN-OPN

5

OPO-OPN-OON-POO-PNO-POO-PON-PPN

24

3仿真和实验验证

本文在Matlab/Simulink中搭建了三电平NPC

逆变器仿真模型，并在实验室中搭建了原理样机

对本文的理论分析进行仿真和实验验证。仿真

和实验参数为：直流侧电压U

dc

=400V，直流侧电

容容量C

1

=C

2

=1000μF，调制波频率f

s

=50Hz，载

波频率f

c

=2kHz，调制度M=0.8，负载电阻15

Ω

，输

出滤波器采用LCL滤波器（3mH，17μF，3mH）。

图5为采用SPWM策略和新型VSVPWM策

略切换时的仿真模型。

图5M=0.8时，电阻负载仿真波形

Fig.5Simulation

loadwhenM

result

=0.8

ofresistanceandinductance

图5中对比了输出线电压脉冲U

ab

，直流电容

电压

U

C

,

1

U

C

2

和输出负载电流i（

x

x=a,b,c）的波形。

模型在初始工作时应用传统SPWM策略作为调制

策略，在0.19s时，两电容电压值相同，此时切换

仿真模型的调制策略，变为新型VSVPWM策

略。根据图5所示的仿真结果，当调制策略为三

电平SPWM策略时，系统直流电容电压存在波

动，当调制策略切换为本文提出的新型VSVPWM

后，直流电容电压的波动得到了很好的控制。

图6所示分别为传统SPWM策略与新型

VSVPWM策略的实验对比图，系统参数采用仿

真实验参数。图6中共有4个量，输出线电压U

cb

脉冲，输出相电压U

ao

脉冲，直流侧上电容电压

U

C

1

和负载侧c相电流i

c

波形。对比图6a、图6b可知，

新型VSVPWM策略确实可以消除三电平NPC逆

变器的直流电容电压的波动。

图7为采用SPWM策略、传统VSVPWM策

略和本文提出的新型VSVPWM策略的共模电压

对比情况。由图7可知，传统VSVPWM策略与

SPWM策略的共模电压均为U

dc

/3，因此，传统

VSVPWM策略并不能降低共模电压，而本文提出

的新型VSVPWM策略的共模电压为U

dc

/6，因此

王倩，等：三电平NPC逆变器的新型虚拟空间矢量调制策略研究

电气传动2018年第48卷第8期

图6电阻负载实验波形（M=0.8）

Fig.6ExperimentresultofresistanceloadwhenM=0.8

图73种PWM策略的共模电压仿真对比

Fig.7

of

Common

threePWM

mode

strategies

voltagesimulationcomparison

本文方法可将传统策略的共模电压降低50%。

4结论

本文针对三电平NPC逆变器的直流电容电

压波动和系统共模电压，分析了现有SPWM调制

策略及VSVPWM策略的特点与不足，并在传统

VSVPWM策略的基础上，提出一种抑制共模电

压的新型VSVPWM策略，仿真和实验验证了理

论的正确性。

采用本文提出的新型VSVPWM策略一方面

可以保持传统VSVPWM策略对直流电容电压波

动的控制效果；另一方面还可以将系统的共模电

压减小50%。因此，本文方法具有很好的实际应

用价值。

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Neutral

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-point

Power

Balancing

Electronics

in

Letters

theThree

，2004

-level

，2（

NPC

11-15

Inverter

．

［1）：

［6］MongeSB，SomavillaS，BordonauJ，torVoltage

Balance

Virtual

fortheNeutral-point-

mance［

Space

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Vector

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收稿日期：

2018-

01

-08

修改稿日期：2018-03-12

25

本文标签： 电压策略矢量调制共模