基于五相三電平全橋逆變器中點電位控制算法研究

阮 會，何鈺明，胡傳西

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基于五相三電平全橋逆變器中點電位控制算法研究

阮 會，何鈺明，胡傳西

（武漢船用電力推進裝在研究所，武漢 430064）

基于三相三電平SVPWM算法，通過合理選擇工作電壓矢量及開關(guān)作用順序，計算開關(guān)周期內(nèi)各電壓矢量作用時間，推導出五相三電平全橋SVPWM算法；提出利用冗余矢量、結(jié)合負載電流方向調(diào)節(jié)中點電位的控制算法，并對其進行了仿真、實驗驗證，具有很好的工程應(yīng)用價值。

中點電位平衡調(diào)節(jié) 三電平 五相 SVPWM

0 引言

隨著艦船電力推進技術(shù)的快速發(fā)展，對艦船電力推進裝置的功率要求越來越大、電壓等級越來越高，傳統(tǒng)的三相兩電平逆變器無法滿足要求，而多相三電平逆變器以其輸出電壓諧波小、可靠性高、對電機的絕緣損害低、EMI低等優(yōu)點使得其適合艦船電力推進系統(tǒng)的應(yīng)用。

多相三電平逆變器工作時，存在零電平等續(xù)流過程，電流會流出或流入中點，對電容進行充電或放電，使電容中點電位失去平衡，導致輸出電壓諧波含量增加，影響功率器件、直流側(cè)電容的使用壽命和設(shè)備安全，嚴重制約了多相三電平逆變器的廣泛應(yīng)用。

21世紀前后，國內(nèi)、外學者先后對三電平逆變器中點電位平衡調(diào)節(jié)算法開展了研究。主要采取了根據(jù)負載電流的方向選擇對中點電位相反作用的電壓矢量來調(diào)整中點電位，其研究主要集中在三相三電平全橋上，對五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調(diào)節(jié)算法研究甚少。如何解決五相三電平全橋逆變器中點電位偏移問題，使其能被廣泛應(yīng)用，成為一個迫在眉睫的研究課題。

本課題正是在此研究背景下開展的，基于推導出的五相三電平SVPWM調(diào)制算法，本文通過分析五相三電平全橋逆變器開關(guān)矢量對中點電位的影響，提出了一種利用冗余矢量、結(jié)合負載電流方向調(diào)節(jié)中點電位的控制算法。

1 五相三電平SVPWM調(diào)制

五相三電平全橋逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，各相輸出電壓有三個狀態(tài)（1、0、-1），用開關(guān)函數(shù)Sj(j=A、B、C、D、E)表示，五相合成電壓矢量可表示為：

圖1五相三電平全橋逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)公式（1）計算可得，共有243個合成電壓矢量，這些矢量按照幅值分成14組，分別為0.6472V、0.6156 V、0.5236 V、0.4472 V、0.4 V、0.3804 V、0.3236 V、0.2472 V、0.2352 V、0.2 V、0.1454 V、0.1236 V、0.0764 V、0，為了簡化矢量合成過程和提高電壓利用率，選取幅值0.6472 V、0.6156 V、0.3236 V、0共43個有效矢量，矢量分布如圖2所示：

圖2 五相三電平全橋空間電壓矢量分布圖

為了獲得任意角度和絕對值可控的電壓矢量，采取相鄰兩個特定矢量及零矢量合成電壓矢量，計算合成電壓矢量的各特定矢量作用時間，我們將360°的區(qū)間等分成10個扇區(qū)，并根據(jù)靜止兩相坐標系下的電壓矢量大小和相互關(guān)系來判斷合成電壓矢量落在那個扇區(qū)，判斷條件如表1所示：

表1 扇區(qū)判斷條件

如圖3所示，當電壓矢量落在扇區(qū)1時，其電壓矢量可由不同開關(guān)電壓矢量合成，將扇區(qū)1分為4個區(qū)間，根據(jù)電壓矢量落在不同區(qū)間，合理選取特定矢量合成電壓矢量。

圖3 扇區(qū)1各區(qū)間分布圖

扇區(qū)1內(nèi)各區(qū)間判斷條件如表2所示，扇區(qū)1內(nèi)各開關(guān)矢量作用時間如表3所示，表3中m為調(diào)制比、s為開關(guān)周期、為電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度。

2 五相三電平全橋逆變其中點電位控制研究

特定矢量中的零矢量因五相電流和為零，對中點電位無影響；大矢量因無中點電位狀態(tài)，對中點電位平衡無影響；中矢量不成對出現(xiàn)，無法通過調(diào)節(jié)中矢量來調(diào)節(jié)中點電位；小矢量對中點電位的影響如下：

表2 扇區(qū)1內(nèi)各區(qū)間判斷條件

圖4小矢量（11001、00-1-10）開關(guān)狀態(tài)等效電路圖

圖4 所示，當開關(guān)狀態(tài)為小矢量（11001）時，C、D相電流和為正，中點電位降低，C、D相電流和為負，中點電位升高；當開關(guān)狀態(tài)為小矢量（00-1-10）時，C、D相電流和為正，中點電位升高，C、D相電流和為負，中點電位降低。

圖5小矢量（11000、00-1-1-1）開關(guān)狀態(tài)等效電路圖

同理：如圖5所示，當開關(guān)狀態(tài)為小矢量（11000）時，A、B相電流和為正，中點電位升高，A、B相電流和為負，中點電位降低；當開關(guān)狀態(tài)為小矢量（00-1-1-1）時，A、B相電流和為正，中點電位降低，A、B相電流和為負，中點電位升高。

綜上所述，小矢量成對出現(xiàn)，它們對逆變器中點電位作用相反，通過調(diào)節(jié)兩對小矢量作用時間可調(diào)節(jié)逆變器中點電位，達到控制五相三電平全橋逆變器中點電位平衡的目的。

3 電壓矢量作用順序選擇

矢量選取方法有很多，遵循以下原則確定的電壓矢量作用順序如表4所示。

1) 避免輸出電壓產(chǎn)生大的d/d。

2) 減少開關(guān)損耗，每個控制周期中各相開關(guān)狀態(tài)改變次數(shù)不超過2次。

3) 考慮各矢量對直流中點電位影響，電壓矢量的選擇盡可能使中點電壓趨向平衡。

根據(jù)表4可推導出扇區(qū)1內(nèi)五相三電平全橋逆變器各開關(guān)管驅(qū)動波形，其余扇區(qū)可依此類推，其中小矢量（11001）、（00-1-10）和（11000）、（00-1-1-1）作用時間關(guān)系通過平衡因子分配，平衡因子可通過直流母線電壓PI環(huán)（增量式PI）調(diào)節(jié)輸出。

4 仿真驗證

為了驗證所選算法有效，在MATALB中建模實現(xiàn)五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調(diào)節(jié)算法仿真，仿真框圖如圖6所示，仿真系統(tǒng)由控制器、變頻驅(qū)動系統(tǒng)、邏輯控制及指示燈組成。為了實現(xiàn)中點電位偏移，在直流側(cè)（正母線與中點）外接2000 Ω電阻，仿真中設(shè)定開關(guān)頻率1000 Hz、死區(qū)4 μs、最小脈寬14 μs、負載電阻3 Ω、負載電感14.7 H，變壓器原副邊線電壓有效值6300 V1980 V，調(diào)制比0.9，輸出電壓頻率20 Hz，控制策略選用VVVF控制，選用24脈波整流。

表4 扇區(qū)1不同區(qū)間電壓矢量作用順序表

圖6 五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調(diào)節(jié)算法仿真框圖

圖7 五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調(diào)節(jié)算法仿真波形（中點電位不控制）

圖8 五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調(diào)節(jié)算法仿真波形（中點電位控制）

圖7中正負直流母線電壓偏差值恒定，超過1500 V，中點電位發(fā)生嚴重偏移，逆變器輸出線電壓波形出現(xiàn)畸變，負載電流波形出現(xiàn)畸變，降低了逆變器運行可靠性。

基于LabVIEW的變壓器運輸在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 呂 安，熊樹生，徐宏飛，姜振軍，羅 源，周彩玲6(79)

圖8中正負直流母線電壓基本一致，偏差不超過100 V，中點電位被很好控制，逆變器輸出相電壓含有五次諧波、線電壓主要含基波成分，負載電流為正弦波，表明五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調(diào)節(jié)算法有效。

5 實驗驗證

為了進一步驗證算法有效性，在我所研制的五相三電平全橋逆變器上開展了試驗驗證，試驗設(shè)備由可控整流電源、五相三電平全橋逆變器、五相阻感負載組成；試驗中在正母線與支撐電容中性點兩端跨接8 Ω電阻；設(shè)定器件最小脈寬14 μs，死區(qū)4 μs，直流母線電壓額定值3600 V，可控整流電源輸出直流電壓66 V；控制芯片選用DSP2812，軟件中數(shù)據(jù)定標為Q24，軟件中平衡因子調(diào)節(jié)范圍為0~2^24，0.5*2^24為平衡因子初始值。

所選算法成功應(yīng)用于我所某大功率變頻驅(qū)動系統(tǒng)上，系統(tǒng)組成如圖9所示。試驗中設(shè)定最小脈寬14 μs，死區(qū)4 μs，直流母線電壓額定值3600 V，變頻器輸出額定頻率20 Hz；10 MW變頻驅(qū)動系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速空載、滿載穩(wěn)定運行時，試驗波形如圖10所示。數(shù)據(jù)采集通道1為A1相輸出相電壓、通道3為A1相輸出相電流、通道4為B1相輸出相電流（實際電流為電流鉗測量電流2倍）。

圖9 變頻驅(qū)動系統(tǒng)框圖

圖10 變頻驅(qū)動系統(tǒng)試驗波形

圖10為該變頻驅(qū)動系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速空載、帶載穩(wěn)定運行時電壓、電流波形。運行中，變頻器柜門上正、負母線電壓表顯示，空載時電壓穩(wěn)定在2000 V左右，滿載時電壓穩(wěn)定在1800 V左右。上述試驗表明，所選五相三電平全橋中點電位平衡調(diào)節(jié)算法有效，中點電位被很好的控制住。

本文首先推導了五相三電平全橋逆變器SVPWM調(diào)制策略，其次分析了不同方向的負載電流和電壓矢量（大矢量、中矢量、小矢量、零矢量）對中點電位的影響，提出了利用冗余矢量、結(jié)合負載電流方向調(diào)節(jié)中點電位的控制算法，并給出了電壓矢量的作用順序，最后通過MATLAB仿真驗證和試驗驗證了所選算法有效，研究成果具有很好的工程應(yīng)用價值。

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Netral-point Level Control Algorithm Research Base on Five-phase Three Level Bridge Inverter

Ruan Hui, He Yuming, Hu Chuanxi

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064)

TM464

A

1003-4862（2015）02-0001-05

2014-09-03

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）資助

阮會（1982-），男，工程師（碩士）。研究方向：艦船電力推進系統(tǒng)。