海軍工程大學(xué)趙相霖、李衛(wèi)超、周亮：基于平移調(diào)制波的三電平ANPC逆變器容錯下中點(diǎn)電位平衡策略

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導(dǎo)語

針對傳統(tǒng)三電平有源中點(diǎn)鉗位（ANPC）逆變器在開路故障容錯運(yùn)行下中點(diǎn)電位失衡的問題，海軍工程大學(xué)趙相霖、李衛(wèi)超、周亮研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于平移調(diào)制波的電壓平衡（VBBTM）策略。通過推導(dǎo)容錯下疊加零序分量的三相調(diào)制波統(tǒng)一表達(dá)式，并采用電荷平衡法定量計(jì)算調(diào)制波平移量，實(shí)現(xiàn)了無需復(fù)雜參數(shù)調(diào)試的中點(diǎn)電位自適應(yīng)平衡。該策略在簡化調(diào)制過程的同時，有效解決了容錯模式下傳統(tǒng)均壓方法失效的難題，為高壓大功率ANPC逆變器的可靠容錯運(yùn)行提供了新的技術(shù)路徑。

研究背景

ANPC逆變器憑借其優(yōu)越的輸出特性和均衡的功率損耗分布，已成為高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，受當(dāng)前電力電子器件技術(shù)限制，逆變器的可靠性顯著低于機(jī)電裝置的其他部分，其中功率開關(guān)管開路故障占比高達(dá)38%。在極端工況下發(fā)生開路故障時，小矢量的冗余狀態(tài)被打破，傳統(tǒng)調(diào)整冗余小矢量作用時間的均壓方法將失效，導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓發(fā)散，進(jìn)而增加器件電壓應(yīng)力、降低輸出電能質(zhì)量。如何在容錯運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡，同時不增加系統(tǒng)復(fù)雜度和硬件成本，成為三電平ANPC逆變器技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵難點(diǎn)。

圖1 三電平ANPC逆變器主電路拓?fù)?/p>

論文所解決的問題及意義

針對三電平ANPC逆變器在開路故障容錯運(yùn)行下中點(diǎn)電位失衡的問題，本文提出了一種VBBTM策略。通過將故障相橋臂鉗位到零電平，推導(dǎo)了容錯下疊加零序分量的三相調(diào)制波統(tǒng)一表達(dá)式，簡化了矢量作用時間的計(jì)算過程。

在此基礎(chǔ)上，深入分析了容錯下小矢量作用時間變化對中點(diǎn)電流的影響，揭示了平移調(diào)制波與改變小矢量作用時間的內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系。采用電荷平衡法定量計(jì)算調(diào)制波平移量，實(shí)現(xiàn)了無需依賴PI參數(shù)調(diào)試的中點(diǎn)電位自適應(yīng)平衡。該策略不僅有效解決了容錯模式下傳統(tǒng)均壓方法失效的難題，還為高可靠性、高功率密度的逆變器容錯運(yùn)行提供了新的技術(shù)路徑，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

圖2 移動調(diào)制波對基本矢量的影響

圖3 第一扇區(qū)內(nèi)調(diào)制波可移動范圍

圖4 采用調(diào)制波平移法平衡NP電壓控制框圖

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、提出了VBBTM策略

首先分析了將故障相橋臂鉗位到零電平的拓?fù)涔ぷ髟恚茖?dǎo)了容錯下疊加零序分量的三相調(diào)制波統(tǒng)一表達(dá)式，避免了傳統(tǒng)SVPWM方法中的扇區(qū)判斷和三角函數(shù)計(jì)算，大幅簡化了調(diào)制過程。在此基礎(chǔ)上，揭示了平移調(diào)制波與改變小矢量作用時間的對應(yīng)關(guān)系，通過動態(tài)調(diào)整調(diào)制波的平移方向和幅度，實(shí)現(xiàn)了對中點(diǎn)電位的精確控制。

2、采用電荷平衡法定量計(jì)算調(diào)制波平移量

建立了直流側(cè)電容電壓偏差引起的電荷量與三相電流產(chǎn)生的電荷量之間的平衡關(guān)系，推導(dǎo)了調(diào)制波平移量的解析表達(dá)式。通過對平移后的調(diào)制波進(jìn)行扇區(qū)位限幅處理，確保了在不同母線電壓條件下均能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)PI控制器參數(shù)依賴性強(qiáng)、通用性差的缺陷。

3、系統(tǒng)分析了VBBTM策略對系統(tǒng)性能的影響

從中點(diǎn)電位波動幅值、三相電流不平衡度、目標(biāo)電壓矢量軌跡等多個維度，深入評估了所提策略對逆變器性能的影響。結(jié)果表明，在調(diào)制比為0.5時，電流不平衡度飽和值控制在7.685%以內(nèi)，電壓矢量幅值波動范圍控制在±3%，且對線電壓、共模電壓和開關(guān)損耗均未產(chǎn)生負(fù)面影響。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了策略在不同相器件故障、同相不同位置器件故障以及不同調(diào)制比條件下的有效性。

（a）正常運(yùn)行-Sa1開路

（b）Sa1開路-容錯控制

（c）電容電壓變化

圖5 Sa1開路下實(shí)驗(yàn)波形

圖6 Sa1開路下調(diào)制比m>0.5時動態(tài)變化實(shí)驗(yàn)波形

圖7 Sa1開路下調(diào)制比m>0.5時動態(tài)變化實(shí)驗(yàn)波形

圖8 Sa1開路，m從0.8降為0.4，采用VBBTM

圖9 Sa1、Sa2、Sa6開路，m=0.4，采用VBBTM

圖10 Sb1、Sb3、Sb4、Sb6開路，m=0.2，采用VBBTM

結(jié)論

本文提出的VBBTM策略，在無需增加硬件成本和復(fù)雜算法的情況下，有效解決了三電平ANPC逆變器開路故障容錯運(yùn)行下的中點(diǎn)電位失衡問題。該策略兼具調(diào)制過程簡化、自適應(yīng)能力強(qiáng)、通用性好的特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位快速收斂的同時，對系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響均控制在可接受范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論單相不同功率器件開路故障還是不同調(diào)制比條件，VBBTM策略均能有效平衡中點(diǎn)電位，保證逆變器的穩(wěn)定可靠容錯運(yùn)行。該研究為高壓大功率ANPC逆變器的容錯控制提供了新的解決方案，具有重要的工程應(yīng)用價值和推廣前景。

團(tuán)隊(duì)介紹

本研究由湖北省“超大容量電能變換集群基礎(chǔ)理論”卓越研究群體和湖北東湖實(shí)驗(yàn)室高速磁懸浮電磁推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新中心研究團(tuán)隊(duì)完成。團(tuán)隊(duì)長期致力于超大容量電能變換技術(shù)、直線電機(jī)電磁推進(jìn)技術(shù)等研究工作，在電磁發(fā)射、高速磁懸浮等領(lǐng)域開展科研創(chuàng)新攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用工作。

趙相霖

碩士， 2025年畢業(yè)于華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，研究方向?yàn)槿娖侥孀兤骷捌淙蒎e控制。

周亮

博士，海軍工程大學(xué)副研究員，研究方向?yàn)槌笕萘侩娔茏儞Q技術(shù)、多電平脈寬調(diào)制及其容錯控制技術(shù)。

李衛(wèi)超

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，博士，海軍工程大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，湖北省卓越研究群體項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。研究方向?yàn)槌笕萘侩娔茏儞Q技術(shù)、高性能直線電機(jī)控制技術(shù)、高速磁懸浮電磁推進(jìn)技術(shù)等。

本工作成果發(fā)表在2026年第4期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于平移調(diào)制波的三電平有源中點(diǎn)鉗位逆變器容錯下中點(diǎn)電位平衡策略“。本課題為電磁能技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目。

引用本文

趙相霖, 李衛(wèi)超, 周亮. 基于平移調(diào)制波的三電平有源中點(diǎn)鉗位逆變器容錯下中點(diǎn)電位平衡策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2026, 41(4): 1352-1368. Zhao Xianglin, Li Weichao, Zhou Liang. Neutral-Point Voltage Balancing Strategy under Fault-Tolerant Operation of Three-Level Active Neutral-Point-Clamped Inverter Based on Translational Modulation Wave. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(4): 1352-1368.

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