（IEEE顶刊复现）改进的中点电位平衡策略：基于最优零序电压注入法的二极管钳位型NPC三电平拓扑中点电位平衡仿真

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💥第一部分——内容介绍

改进的中点电位平衡策略：基于最优零序电压注入法的二极管钳位型NPC三电平拓扑中点电位平衡仿真研究

摘要：本文针对二极管钳位型NPC三电平拓扑中存在的中点电位不平衡问题，提出一种基于最优零序电压注入法的改进控制策略。通过理论分析建立中点电位波动模型，推导出最优零序电压的解析计算方法，并采用载波脉宽调制（CPWM）实现控制。仿真结果表明，在0.3s时注入最优零序电压后，中点电位波动显著降低，系统动态性能得到显著提升。研究为三电平逆变器的工程应用提供了理论支持与仿真验证。

关键词：NPC三电平拓扑；中点电位平衡；零序电压注入；载波脉宽调制；仿真研究

1 引言

随着电力电子技术的快速发展，三电平逆变器因其输出电压谐波含量低、开关损耗小、耐压等级高等优势，在新能源发电、电机驱动等领域得到广泛应用。二极管钳位型NPC（Neutral Point Clamped）三电平拓扑作为典型结构，通过引入钳位二极管实现中点电位钳位，但其固有的中点电位不平衡问题仍制约着系统性能。中点电位偏移会导致输出电压畸变、开关器件应力不均，甚至引发系统崩溃。因此，研究高效的中点电位平衡控制策略具有重要的理论意义与工程价值。

现有研究中，零序电压注入法因其控制灵活、实现简单成为主流方案之一。然而，传统方法多采用固定零序电压或基于经验规则的注入策略，难以实现全局最优控制。本文提出一种基于插值法的最优零序电压计算方法，通过载波脉宽调制实现中点电位动态平衡，并通过仿真验证其有效性。

2 中点电位波动模型与问题分析

2.1 NPC三电平拓扑工作原理

NPC三电平拓扑由直流侧电容、钳位二极管及功率开关管组成，每相桥臂可输出正电平（P）、零电平（O）、负电平（N）三种状态。以A相为例，其开关状态与输出电压关系如表1所示：

2.2 中点电位波动机理

中点电位波动主要由中点电流（iNP）引起。当某相输出零电平时，负载电流通过钳位二极管对直流侧电容充放电，导致上下电容电压（Vc1、Vc2）失衡。根据基尔霍夫电流定律，中点电流可表示为：

2.3 传统控制方法的局限性

传统零序电压注入法多采用固定比例系数或基于经验规则的零序电压计算，未充分考虑系统动态特性与约束条件，导致中点电位波动抑制效果有限。此外，载波调制中零序电压的过调制问题可能引发输出电压畸变，进一步恶化系统性能。

3 基于最优零序电压注入的改进控制策略

3.1 最优零序电压计算方法

为实现中点电位动态平衡，需满足以下条件：

1. 平均中点电流为零：在控制周期Ts内，中点电流平均值应趋近于零，即：

1. 电压偏差反馈控制：结合直流侧电容电压实时测量值（ΔVdc = Vc1 - Vc2），通过比例积分（PI）调节器生成补偿量，动态修正零序电压指令。

基于上述条件，最优零序电压可表示为：

其中，INP​为根据电压偏差计算的补偿电流，通过插值法优化求解以避免过调制。

3.2 载波脉宽调制实现

采用载波层叠式PWM（CPWM），将三相调制波（urx​=urx1​+u0​）与载波比较生成开关信号。为防止过调制，需满足约束条件：

当计算得到的零序电压导致调制波越限时，通过限幅处理或动态调整比例系数确保系统稳定运行。

3.3 控制策略流程

1. 参考电压生成：采用无差拍控制生成三相正序参考电压urx1​；
2. 零序电压计算：根据中点电位偏差与负载电流，通过插值法求解最优零序电压u0​；
3. 调制波合成：将u0​注入参考电压，生成调制波urx​；
4. PWM信号生成：通过CPWM生成开关管驱动信号，实现中点电位动态平衡。

4 仿真验证与结果分析

4.1 仿真参数设置

搭建MATLAB/Simulink仿真模型，参数如表2所示：

4.2 仿真场景设计

设置仿真总时长为0.5s，在0.3s时注入最优零序电压，观察中点电位波动变化。负载采用三相感性负载（L=5mH，R=0.1Ω），模拟动态负载变化工况。

4.3 仿真结果分析

1. 中点电位波动对比：

   • 0-0.3s：未注入零序电压时，中点电位波动范围达±15V，导致输出电压THD为4.2%；
   • 0.3-0.5s：注入最优零序电压后，中点电位波动抑制至±2V以内，输出电压THD降至1.8%，动态响应时间小于20ms。

2. 零序电压动态特性：
   注入的零序电压在0.3s时发生阶跃变化，随后根据负载电流动态调整，始终满足过调制约束条件，确保系统稳定运行。

3. 电容电压均衡性：
   直流侧上下电容电压差（ΔVdc）在0.3s后从12V降至1V以内，验证了反馈控制的有效性。

5 结论

本文提出一种基于最优零序电压注入法的NPC三电平拓扑中点电位平衡控制策略，通过理论建模与仿真验证，得出以下结论：

1. 最优零序电压计算方法可显著降低中点电位波动，提升系统动态性能；
2. 载波脉宽调制结合插值法优化，有效解决了过调制问题，确保控制策略的工程适用性；
3. 仿真结果验证了所提策略在动态负载工况下的鲁棒性，为三电平逆变器的实际应用提供了理论依据。

未来研究可进一步探索多电平拓扑的通用化控制策略，并结合硬件在环（HIL）实验验证算法的实时性能。

📚第二部分——运行结果

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