一种用于混合有源中点钳位三电平逆变器共模电压抑制的新型空间矢量调制策略及其在直流链路平衡与不平衡条件下的应用

《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》：A novel space vector modulation scheme for common-mode voltage reduction in the hybrid active neutral-point-clamped three-level inverter with balanced and unbalanced DC-links

本文针对混合有源中点钳位(HANPC)三电平逆变器在直流链路电压不平衡条件下共模电压(CMV)幅值过大的问题，提出了一种基于实时直流侧电压采样的新型空间矢量调制策略。研究人员通过动态更新空间矢量图，优先选用零矢量和中矢量进行参考矢量合成，并采用五段式对称开关序列优化开关动作。实验结果表明，该方法在保持输出电流质量的同时，有效降低了CMV的幅值和均方根值，实现了SiC MOSFET和Si IGBT分别工作在高、低频状态，为光伏系统提供了安全可靠的逆变解决方案。

　　

在可再生能源快速发展的今天，光伏发电系统作为清洁能源的重要代表，正面临着提升转换效率和可靠性的技术挑战。三电平逆变器(TLI)因其优异的性能逐渐成为光伏系统的核心部件，它能够产生三种不同的电压电平，显著降低开关器件的电压应力，减少输出谐波失真，并降低电磁干扰(EMI)。然而，传统的中点钳位(NPC)逆变器在光伏应用中存在一个棘手问题：当光伏阵列因局部阴影、组件老化或串列配置不匹配导致直流链路电容电压不平衡时，系统中会产生过高的共模电压(CMV)。这种电压振荡不仅会降低系统效率，还会通过光伏面板与地之间的寄生电容产生漏电流，带来安全隐患，加速设备老化，甚至违反电磁兼容性(EMC)的电网规范。

混合有源中点钳位(HANPC)三电平逆变器拓扑结构通过用有源开关器件替代二极管，改善了损耗分布的均匀性，降低了导通电压，从而提高了运行效率和功率密度。每个相臂由四个低频开关和两个高频开关组成，这种混合配置使逆变器在控制上更加灵活，能够适应不同的负载和工作条件要求。尽管如此，HANPC逆变器在直流链路电压不平衡条件下仍面临CMV幅值过大的挑战。现有的CMV抑制策略，如无源滤波器或复杂的调制方案，往往需要在硬件复杂性、效率和电流质量之间进行权衡。例如，无源阻尼电阻会以增加损耗为代价来减少CMV，而虚拟矢量合成等先进调制方法可能会影响动态响应或需要过多的计算资源。

针对这一技术瓶颈，侯传静、贾德胜、秦长伟、李晓燕和李建东等研究人员在《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》上发表了一项创新研究，提出了一种适用于直流链路平衡和不平衡条件的HANPC三电平逆变器CMV抑制新方法。该方法的核心在于充分利用中矢量固有的低CMV特性，通过实时采样直流侧光伏阵列电压，动态更新空间矢量图(SVD)，并重新计算占空比以确保输出电流质量。

研究人员采用的技术方法主要包括三个关键环节：首先对直流链路上两个电容器的电压进行实时采样，并计算电压不平衡因子(k)；随后根据不平衡因子动态更新空间矢量图，进行参考电压矢量(V_ref)的扇区判断；最后基于电压不平衡因子计算占空比，并生成相应的开关序列驱动信号。整个调制策略的总体框架如图2所示，体现了系统的完整性和实时性。

在直流链路电压采样与扇区判断环节，研究人员通过采样电容器C₁和C₂的电压V_C1和V_C2，计算不平衡因子k = (V_C1- V_C2)/V_dc。在不平衡中点电压条件下，电容器电压会随着两个光伏阵列电压的变化而波动，导致空间矢量图相应变化。研究人员通过数学公式计算中矢量[PON]的角度θ = arctan[√3(1-k)/(3+k)]，实时确定中矢量在空间矢量图中的位置，为后续的参考矢量合成奠定基础。

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图3展示了不平衡直流链路条件下HANPC三电平逆变器的空间矢量图，直观反映了电压不平衡对矢量分布的影响。当k>0时，空间矢量图向上扩展；当k<0时，则向下扩展，这种动态变化为后续的矢量选择提供了重要依据。

在占空比计算与驱动信号生成环节，研究人员以扇区1为例，使用两个基本电压矢量[PON]和[PNO]来合成参考电压矢量。通过建立电压-秒平衡方程，推导出各矢量的占空比计算公式。其中，d₁、d₆和d₀分别对应[PON]、[PNO]和[OOO]的占空比，它们与调制指数m和电压不平衡因子k有明确的数学关系。考虑到空间矢量图的对称性，其他扇区的占空比计算公式与扇区1类似。

开关序列的设计是该方法的一大亮点。研究人员采用五段式对称模式优化开关序列，确保功率器件的最小开关动作。在扇区1中，开关序列安排为[O₊O_-O_-]-[PNO_-]-[PO_-N]-[PNO_-]-[O₊O_-O_-]，如图4所示。在每个采样周期内，所有Si IGBT(S_a1-S_c4)的开关状态保持不变，从而避免了额外的开关损耗。对于SiC MOSFET，a相和c相的功率器件每个周期经历一次开关动作，而b相的功率器件则经历两次开关动作。其他扇区也观察到类似的开关模式。

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表III总结了所有扇区的开关序列，显示了该方法在不同运行条件下的统一性和适应性。通过合理设计调制策略，SiC MOSFET可以工作在高频状态，而Si IGBT可以工作在基频状态，进一步降低了开关损耗，提高了系统效率。

实验验证与结果分析

为验证所提出调制方案的性能，研究人员设计了HANPC三电平逆变器的实验测试系统，如图5所示。主电路基于硬件在环(HIL)实时仿真器实现，控制板包含德州仪器的数字信号处理器(DSP)28335和赛灵思的现场可编程门阵列(FPGA)XC3S500E。DSP用于执行系统控制策略，而FPGA用于生成PWM信号。DSP通过外部接口(XINTF)模块向FPGA发送数据，包括扇区编号和占空比。

实验参数如表IV所示，直流电压为540V，交流输出频率为50Hz，开关周期为100μs，采样频率为10kHz，直流链路电容器为2350μF。为证明所提出调制策略的显著优势，研究人员选择了三种适用于不平衡条件的调制方法进行比较：方法1是文献[27]中的混合空间矢量调制(SVM)方法，方法2是文献[28]中的CMV减少方法，方法3是本文提出的CMV减少方案。

在平衡条件下的首次验证中，调制指数m=0.4，两个直流链路电容器之间的电压差设置为270V。方法1和方法2的CMV相对较高，因为这两种方法利用了具有高CMV幅值的基本矢量。方法1使用所有基本矢量合成V_ref，实现了仅1.32%的输出电流总谐波失真(THD)，但CMV峰峰值范围达到360V(-178V至182V)，均方根值为101.9V。方法2通过消除具有高CMV幅值的小矢量进行优化，将CMV均方根值降低至48V，同时保持2.20%的输出电流THD。

提出的方法3采用中矢量主导的合成方案，理论上在平衡条件下实现零CMV。实验结果证实其CMV均方根值低至2.7V，输出电流THD为2.19%，展示了CMV抑制和电流质量的协同优化。该方法能有效抑制CMV，同时保证三相正弦输出电流。

在较高调制指数(m=0.8)下的实验进一步验证了调制策略的适应性。如图7所示，所有三种方法在高调制指数条件下均保持稳定运行，CMV抑制特性与低调制时观察到的结果一致。方法3将CMV均方根值限制在3.3V，并将输出电流THD降低至1.15%，证实了其在宽调制指数范围内的适用性。表V系统总结了平衡直流链路条件下CMV抑制和THD性能的比较。

对于直流链路电压不平衡条件，实验在±100V偏差(k=±0.1852)下进行。如图8所示，当上电容器电压比下电容器低100V(k=-0.1852)，m=0.4时，方法1的CMV峰峰值范围为358.5V(-211.5V至147V)，均方根值为103.1V，THD为1.36%。方法2将CMV均方根值降低至59V，THD为2.19%，而方法3利用中矢量固有的低CMV特性，实现CMV均方根值18.5V和THD 2.7%。在m=0.8时(图9)，方法3将CMV均方根值略微增加至25.8V，但进一步将THD降低至2.34%，证明了在不平衡条件下有效的CMV抑制和高质量的电流输出。这些条件下的定量比较系统呈现在表VI中。

当上电容器电压超过下电容器100V(k=0.1852)时，低和高调制指数(m=0.4和m=0.8)的实验波形分别如图10和图11所示。CMV抑制性能和输出电流质量与负不平衡条件下的结果保持一致。尽管提出的方法与方法1相比显示出边际THD退化，但在CMV幅度降低方面表现出显著优势。正不平衡因子的定量性能总结在表VII中。

功率开关驱动信号的选定实验波形如图12所示。所有三种调制方法均实现了混合高-低频调制。方法1和方法2每相每个周期仅产生一次开关动作，而方法3引入优化的中矢量时序以实现精确的CMV控制，导致一相有两次开关动作，同时保持其他两相的单次开关动作，与理论预测一致。这种设计确保了在优先考虑CMV抑制的同时，最小的额外开关损耗。

为验证直流侧不平衡条件对损耗分布的影响，研究人员为提出的共模电压抑制方法建立了Simulink和PLECS的联合仿真平台，并计算和总结了相应的损耗，如图13所示。从图中可以看出，在平衡条件下，由于其对称特性，功率器件的导通损耗和开关损耗可以保持相对平衡。在直流链路不平衡条件下，当k=-0.1852时，下电容器C2电压的增加会增加功率器件Q_a2的开关损耗，但总体损耗可以保持相对平衡。相同的结论可以推广到其他条件。

研究结论与意义

本研究针对双输入三电平逆变器系统，提出了一种适用于平衡和不平衡中点电压条件的HANPC三电平逆变器CMV减少新方法。该方法通过消除具有较高CMV幅值的矢量，采样直流链路电容器电压计算不平衡因子，随后促进空间矢量图的重构，从而简化计算复杂度。此外，设计了一种以零矢量开始和结束的对称五段开关序列以减少谐波。实验验证了所提出调制策略的有效性。

该研究的重要意义在于为光伏系统中的功率转换提供了一种高效可靠的解决方案。通过创新性的调制策略，在保持系统效率和输出电流质量的同时，显著降低了共模电压，提高了系统的安全性和可靠性。特别是在直流链路电压不平衡的现实条件下，该方法展现出了优异的适应性，为未来可再生能源系统的高效稳定运行提供了技术支撑。研究结果不仅对光伏逆变器设计具有直接指导意义，也为其他多电平逆变器拓扑的优化提供了有益参考。