1.前言

多电平逆变器是由日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出，又称中点箝位式（Neutral Point Clamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。其中三电平逆变器最具实际应用价值，受到了广泛的关注。

三电平逆变器优点主要有以两个方面：

1）使之适合于大容量、高电压变频调速的场合。 

由于功率开关管只有普通两电平下承受的电压降的1/2，所以，同样的功率开关管，在三电平下可以使直流电压抬高一倍，提高电压和容量；

2）产生3层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小，电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元

图1    主回路结构图

* 国家星火计划项目（编号：2005EA8500340，科技部[2005]国发157号文）

作者简介：徐超（1973—），汉，男，安徽泗县人，研究生，广东交通职业技术学院讲师，研究方向：电气工程与自动化

件一次动作的dv/dt通常只有传统的双电平1/2。

在三电平逆变器中，直流侧的滤波电容属于“记忆”元件，有充放电的过程。因此中点的电流引起中点电压的波动，三电平逆变器的主回路结构图如图1所示。

由结构图可以看出，在开关Q₁、Q₄、Q₆、Q₇、Q₉、Q₁₁开通状态，其余开关关断的状态时，由电压所形成的电流方向如图中实线所示；在开关Q₂、Q₄、Q₆、Q₇、Q₁₀、Q₁₂

开通状态，其余开关关断的状态时，由电压所形成的电流方向如图中虚线所示。在这两种状态下，对三相异步电动机的作用效果是相同的，而中点的电流方向却相反。

根据电容的性质：

中点电压的波动是三电平逆变器中比较难解决的技术问题。经分析^[4]得出，中点电压的波动是由于中点电流的存在引起的，波动范围的大小取决于中点电流的大小和方向。

2.中点电压的控制方法

由于电容是“记忆”元件，充放电的过程是不可能完全避免的，只能将电压的波动控制在可容许的范围内。

三电平逆变器的控制方法是用12路PWM脉冲波形分别控制12个功率开关，合成所需要的电压，在一个周期内只有一个开关状态产生的电压能够对中点电压造成影响的，其大小和作用的时间决定了电压波动的范围。

中点电压平衡的基本思路是在控制过程中根据中点电流的方向来确定该周期内的开关状态，使中点的电压始终趋向平衡点，保证中点电压波动维持在一定的范围内。

具体方法是，从中点提取电流方向的信号，经处理器识别后，在电压作用相同的情况下，选择不同的开关状态，抑制中点电流继续流出或流入导致的电压波动增大。

3.仿真实验

以图1中的开关状态为例，若上一周期在开关Q₁、Q₄、Q₆、Q₇、Q₉、Q₁₁开通状态，其余开关关断的状态下，电压作用使得中点的电流方向是流入，如实线所示，本周期内则通过对中点的电流信号的识别来确定所需的开关状态应为Q₂、Q₄、Q₆、Q₇、Q₁₀、Q₁₂开通，其余开关关断。

图2 无中点控制的三电平输出

   图2、为在未接中点电流信号测得的负载的电流及电压波形。从图2可看出，在没有中点控制的状态下，中点的电压波动大，且在负载上的电流也发生了变形，这在高电压大功率的电动机调速中将严重影响电动机的调速性能。

电压波动的范围亦可用下式描述：

式中

—平均电流； —影响中点电压的开关状态所作用的时间。

图3是在有中点电压控制的状态下所测得的输出波形，与图2进行比较不难看出，采用中点控制的三电平中点电压基本维持在很小的波动，在负载上产生的电流也更接近正弦。并且这种控制方式具有很好的鲁棒性，由于开关状态的选择始终是根据中点的电流信号作出的，目的在于使中点的电压达到平衡，在有外部扰动的情况下，通过开关状态的选择会使中点电压回到平衡。

图3 有中点控制的三电平输出

4.结语

本研究具有以下出创新点：

（1）分析了中点电压的波动是由于中点电流的存在引起的，波动范围的大小取决于中点电流的大小和方向；

（2）提出了中点电压平衡的基本思路，在控制过程中根据中点电流的方向来确定该周期内的开关状态，使中点的电压始终趋向平衡点，保证中点电压波动维持在一定的范围内；

（3）完成了中点电压平衡的设计和试验。

本研究得出以下结论：

（1）三电平逆变器中存在的中点电压不平衡问题提出了一种可供借鉴的解决办法。通过低电压实验所得到的输出波形证实了此方法的可行性和正确性。

（2）中点电压的波动是由于中点电流的存在引起的，波动范围的大小取决于中点电流的大小和方向。

（3）采用中点控制的三电平中点电压可以维持电压的波动，电动机的负载电流也更接近正弦波，在有外部扰动的情况下，通过开关状态的选择会使中点电压回到平衡。

（4）开关状态的选择始终受中点电流信号的控制，可在较大的范围内使中点的电压达到平衡，具有较好的鲁棒性。

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