作者：
石祥花 謝少軍
南京航空航天大學自動化學院
本文原文刊登于《南京航空航天大學學報》。
在上篇文章中，我們和大家探討了4種3L-NPC型拓撲（二極管NPC、有源式NPC、層疊式NPC及有源層疊式NPC）的調制策略。
本篇文章中，我們將繼續就“NPC型三電平半橋逆變器實驗結果和效率對比，以及結論”作進一步介紹。
NPC型三電平半橋逆變器實驗結果及效率對比
本文研制了NPC型統一實驗平臺，其基本框架如圖7所示，部分技術參數如表4所示。
圖7 NPC型統一實驗平臺基本框架
圖7中，輸入端電容C1=C2=1800μF，輸出端采用LCL濾波器，逆變側電感Li為0.6mH，并網側電感Lg為0.36mH。在統一實驗平臺上，分別對各NPC型拓撲在不同調制策略下進行實驗研究及并網效率測試。
1. 4種SPWM調制策略驗證
以3L-ANPC為例，在輸入電壓Vin=400V，調制比m=0.7，負載電阻R=17Ω條件下，分別在前文分析的4種SPWM調制下進行開環實驗，其實驗波形如圖8所示，uo為逆變器輸出電壓，uinv為橋臂輸出電壓，Vs2和Vs3分別為開關管S2和S3的耐壓。圖9給出了這4種調制策略下穩定工作波形，uc1和uc2分別為電容C1和C2上電壓。
圖8 在不同調制策略下，3L-ANPC開環實驗展開波形
圖9 在不同調制策略下，3L-ANPC開環實驗穩定工作波形
從圖8中S2與S3的耐壓波形，并結合圖9中橋臂電壓FFT分析可知，普通SPWM、PF-SPWM、DF-SPWM及PFDF-SPWM的確滿足表1中所述特征。
2. NPC型三電平半橋逆變器并網實驗
NPC型三電平半橋逆變器的并網控制框圖如圖10所示，主要包括四個方面控制，分別為直流側基于電容壓差前饋的電容電壓均衡控制；基于電容電流反饋的有源阻尼控制，來有效抑制諧振；基于電網比例前饋控制，來抑制電網諧波對進網電流的影響；基于準諧振調節器的特定諧波消除控制，來有效抑制進網電流的低頻諧波。
圖10 NPC型三電平半橋逆變器并網控制框圖
在上述并網控制策略下，分別對各NPC拓撲在不同調制策略下，進行非單位功率因數的并網實驗，其實驗波形如圖11所示，vg為電網電壓，ig為進網電流。這表明，文中分析的4種調制略均可使逆變器工作在非單位功率因數。
圖11 各NPC拓撲在4種調制策略下，非單位功率因數并網實驗波形
為了測試各NPC型拓撲在不同調制策略下的性能，在單位功率因數條件下進行并網實驗，并進行效率測試。圖12給出了各NPC型三電平半橋逆變器在相同調制策略下并網的歐洲效率比較圖。從圖中可以看出，在不同調制策略下，各NPC型并網的歐洲效率近似一致，均在96.2%左右。
圖12 各NPC型三電平半橋逆變器并網的歐洲效率
結論
本文針對傳統3L-NPC拓撲內外管損耗不均的缺點，在衍生的NPC型拓撲基礎上，根據零電平續流路徑的不同配置方式，總結出4種SPWM調制方式；根據這4種SPWM調制方式，對各NPC型拓撲進行損耗分布分析及并網效率測試對比，結果表明：
① 各NPC型拓撲在4種SPWM調制下，并網效率基本一致；
② 3L-NPC適用于小功率場合，結構及控制相對簡單；
③ 3L-ANPC拓撲在小功率場合不具備明顯優勢，在大功率場合，散熱設計困難；
④ 3L-SNPC拓撲內外管損耗較為均衡，適用于大功率場合；
⑤ 3L-ASNPC結構及調制復雜，使用價值不大。
參考文獻
[1] Nabae A, Takahashi I, Akagi H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[J]. IEEE Trans. Industry Applications, 1981, 16(5): 518-523.
[2] Shukla A, Ghosh A, Joshi A. Static shunt and series compensations of an SMIB system using flying capacitor multilevel inverter[J]. IEEE Trans. Power Delivery, 2005, 20(4): 2613-2622.
[3] 陳阿蓮, 何湘寧, 趙榮祥. 一種改進型的級聯多電平變換器拓撲[J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(11): 9-12.
Chen Alian, He Xiangning, Zhao Rongxiang. An improved cascade multi-level converter[J]. Proceedings of CSEE, 2003, 23(11): 9-12. (in Chinese)
[4] Li Jun, Huang A Q, Liang Zhigang, et al. Analysis and design of active NPC (ANPC) inverters for fault-tolerant operation of high-power electrical drives[J]. IEEE Trans. Power Electronics, 2012, 27(2): 519-533.
[5] Floricau D, Gateau G, Dumitrescu M, et al. A new stacked NPC converter: 3L-topology and control[C]. European Conf. on Power Electronics and Applications, Aalborg, Sept. 2007, pp: 1-10.
[6] Floricau D, Floricau E, Gateau G. Three-level SNPC commutation cell: Features and control[C] IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008, pp: 44-49.
[7] Floricau D, Gateau G, Leredde A. New active stacked NPC multilevel converter: operation and features[J] IEEE Trans. on Industry Electronics, 2010, 57(7): 2272-2278.
【致謝】感謝謝少軍老師為本公眾號供稿！