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基于模糊虚拟空间矢量调制的NPC三电平逆变器中点电位平衡的研究
摘要：
本文基于模糊虚拟空间矢量调制算法，研究了NPC三电平逆变器中的中点电位平衡问题。首先，介绍了NPC三电平逆变器的结构和工作原理，并分析了其存在的中点电位失衡问题。然后，提出了基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制策略，并对该策略进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果表明，该策略能够有效地平衡NPC三电平逆变器中的中点电位，提高逆变器的性能和稳定性。
关键词：NPC三电平逆变器、中点电位平衡、模糊虚拟空间矢量调制、控制策略
一、引言
近年来，随着智能电网和新能源技术的快速发展，逆变器技术也得到了广泛应用和研究。在逆变器中，NPC三电平逆变器是一种常用的拓扑结构，其具有高功率转换效率和良好的波形质量等优点。然而，NPC三电平逆变器在实际应用中存在中点电位的失衡问题，这会导致逆变器工作不稳定、负载分配不均等问题，降低逆变器的性能和可靠性。
针对NPC三电平逆变器中的中点电位平衡问题，常用的方法是采用直接控制方法和间接控制方法。直接控制方法包括直接调节中点电容器的电压和直接调节三相交流侧电压的幅值和相位等方法，但这些方法的复杂度较高，实现难度较大。间接控制方法包括基于自适应滑模方法和基于PI控制方法等，虽然这些方法比直接控制方法更加简单易于实现，但实验和仿真结果表明，这些方法对于中点电位平衡的控制效果并不理想，存在一定的不足。
针对上述问题，本文提出了基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制策略。该策略采用模糊控制和虚拟空间矢量调制相结合的方法，通过对电流和电压的调节实现中点电位的平衡，降低逆变器的失衡程度，提高逆变器的性能和可靠性。
二、NPC三电平逆变器中点电位失衡问题
1.NPC三电平逆变器的结构和工作原理
NPC三电平逆变器是一种常用的三电平逆变器，主要由两个三相桥臂和一个中间点组成。其电路结构如图1所示。
图1NPC三电平逆变器电路图
在NPC三电平逆变器的工作过程中，输入电压被分为两部分，一部分通过上桥臂，另一部分通过下桥臂。在每个桥臂中，有两个交流侧电容器分别连接到中点，形成电压四分之一波合成，从而形成电压三电平波形。在逆变器输出端，中点接地，而三相输出为正向序列的电压，形成一个交流电压。
2.中点电位失衡问题的原因
在NPC三电平逆变器的输出端，三个桥臂的中点通过电容器连接到同一地线，形成一个共享中性点，但是受到工艺制约和器件的精度等因素的影响，电容器的阻值和电容值会存在一定的差异，导致中点电位的不平衡。中点电位的失衡会导致桥臂内的负载不均衡，从而影响逆变器的性能和可靠性。
三、基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制策略
1.模糊虚拟空间矢量调制算法
模糊虚拟空间矢量调制算法是一种新型的调制方法，能够在实现变频器运行控制的同时，实现逆变器的中点电位平衡。该算法是在虚拟空间矢量调制算法基础上，采用模糊控制方法实现电流和电压的调节，从而实现中点电位的平衡。
2.系统结构与控制策略
基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制系统如图2所示。
图2基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制系统
该控制系统主要由模糊控制器、PWM波形发生器和逆变器组成。其中，模糊控制器通过对电流和电压的调节，实现中点电位的平衡；PWM波形发生器产生合适的PWM信号，驱动逆变器输出交流电压波形。
具体控制策略如下：
(1)进行DSP芯片硬件设计，将三电平逆变器控制器的采样和触发电路设计进入芯片中。
(2)利用模糊控制方法设计控制系统，与电流和电压相关的控制变量经过模糊化处理后输出相应的调节量，对电流和电压进行调节。
(3)利用PWM波形发生器产生相应的PWM信号，控制电力开关管的开关状态，产生合适的输出电压。
(4)通过改变控制系统的控制参数，对中点电位进行平衡调节。
四、仿真与实验结果
为了验证基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制策略的可行性和有效性，本文对该策略进行了仿真和实验。
1.仿真结果
利用MATLAB/Simulink软件进行系统仿真，建立了基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制系统模型。在电容器的电阻值和电容值存在一定差异的情况下，进行了不同负载条件下模拟实验。仿真结果如图3所示，表明该控制策略能够有效平衡中点电位，提高逆变器电压波形质量和稳定性。
图3基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡仿真结果
2.实验结果
为了进一步验证基于模糊虚拟空间矢量调制的中点电位平衡控制策略的可行性和有效性，本文进行了实验。实验采用了TMS320LF2812DSP芯片进行控制，采用了DSPMcirosystem公司的仿真软件进行仿真与调试，构建了模拟三相能量电路图，并利用LabVIEW进行电压的在线监测，得到了电路的电压波形图。实验结果如图4所示，表明该控制策