非理想电网条件下NPC三电平逆变器中点电压不平衡机理与控制方法研究

The neutral point clamped (NPC) three-level inverter is widely used in high power conversions with medium or high voltage. The neutral point voltage unbalancing problem for the NPC three-level inverter under non-ideal grid conditions is researched in this project. The relationship between the neutral point voltage with the following factors is revealed, such as the types of grid voltage asymmetry, the harmonic of the grid voltage and the output current of the inverter, etc. According to the various grid-connected control goals under non-ideal grid conditions, the mathematical model of the neutral point voltage is founded, and the control method is proposed. The design of control parameters is researched in detail, also, the influence of the control method on the output current harmonics and the converter's efficiency is analyzed. The variation rule of the neutral point voltage regulation time in respect of the control step length and the amplitude of the unbalanced voltage is studied so as to propose the optimization ideas for the control method. The effect of the control loop for the neutral point voltage on that for the non-ideal grid conditions is researched. Moreover, according to the requirements of the output current harmonics standard and the steady-state as well as the dynamic performance of the inverter, the parameter design of the neutral point voltage control is optimized. The project will provide the important theoretical and practical basis for the further development of advanced NPC three-level inverters.

中点箝位型三电平逆变器在中高压大功率变换场合应用广泛。本项目研究非理想电网条件下中点箝位型三电平逆变器的中点电压不平衡问题。揭示中点电压随电网电压不对称类型、电网电压谐波、逆变器输出电流等因素变化的规律。根据非理想电网条件下的多种并网控制目标，建立中点电压的数学模型，提出中点电压控制方法，深入研究控制参数的设计原则，剖析该方法对输出电流谐波含量和变换器效率的影响。分析中点电压调节时间随其控制步长和不平衡幅值变化的规律，进而提出中点电压控制方法的优化思路。研究非理想电网条件下中点电压控制环路对并网控制环路的影响，根据逆变器的输出电流并网谐波标准和稳态及动态性能等要求，完善中点电压控制的参数设计。本项目的研究将为高性能中点箝位型三电平逆变器的进一步发展提供重要的理论和工程应用基础。

中点箝位型三电平逆变器在中高压大功率变换场合应用广泛。本项目以非理想电网条件下中点箝位型三电平逆变器的中点电压控制为目标，通过分析非理想电网条件下中点电压的不平衡机理，建立了中点电压的数学模型。提出了一种适用于非理想电网下的基于调制波区间划分的中点电压方法，以实现非理想电网下的中点电压平衡控制。进一步，考虑深度不平衡电网，推导了非理想电网下中点电压与零序分量之间的传递函数，设计了一种基于混杂参数的比例-积分控制器，该控制器根据当前电网不对称度、网压正负序分量相位差、并网逆变器输出功率因数，判断逆变器所处的工况，并切换自身的控制参数，从而有效地控制中点电压，且系统具有较好的稳定性。综合考虑中点电压控制效果和入网电流质量，引入模型预测控制方法，建立了三电平逆变器直流侧中点电压和交流侧入网电流的预测模型，构建了并网多目标控制的目标函数。分析了基于基本电压矢量输入控制集合的模型预测控制方法开关频率不固定和电流跟踪精度不高的原因，提出了一种基于合成虚拟电压矢量控制集合的模型预测控制方法，有效降低电流谐波含量和提高电流跟踪精度，能够保持较小的中点电压纹波。提出了一种基于优化开关序列的模型预测控制算法。在此基础上，推导了入网电流和直流侧中点电压增量的计算公式，并构造了包含入网电流和直流侧中点电压增量的目标函数。针对矢量作用时间为非负数的要求，提出通过求解包含不等式约束条件的目标函数最小值问题计算矢量作用时间的思路，并应用拉格朗日乘数法对目标函数最小值问题进行了简化求解，得到了满足逆变器输出要求的矢量作用时间解的表达式。最后，基于直流侧中点电压和入网电流的极性对在线寻优算法进行分区简化，大大减少了在线寻优计算量。