孫國亮 連勇濤

（海軍指揮學(xué)院，南京 210036）

0 引言

同傳統(tǒng)Y型連接逆變器相比，H橋型變頻器具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）各相相對(duì)獨(dú)立，控制簡單、靈活；（2）當(dāng)電機(jī)的一相繞組或單個(gè)逆變器單元出現(xiàn)故障時(shí)，故障部分對(duì)其他單元不產(chǎn)生影響，功率損失小；（3）逆變器輸出電平狀態(tài)增多，輸出電壓諧波小。另外，若想進(jìn)一步提高逆變器輸出功率，可很方便的拓展成多相多電平H橋結(jié)構(gòu)。

然而，隨著相數(shù)和電平數(shù)的增多，逆變器輸出的電壓矢量也成指數(shù)級(jí)增長[1]～[5]，以五相三電平H橋逆變器為例，其電壓矢量共有3125個(gè)，矢量分析和計(jì)算的復(fù)雜程度大大增加，傳統(tǒng)的空間矢量PWM控制方法難以直接應(yīng)用，為此，尋求一種簡化的多相多電平SVPWM控制方法是有必要的。文中提出了適用于這一結(jié)構(gòu)的移相SVPWM控制算法。并就二極管箝位式三電平逆變器中存在中點(diǎn)電位不平衡這一固有問題進(jìn)行了深入的分析，提出了通過交替選擇P型小矢量和N型小矢量，來抑制中點(diǎn)電壓不平衡的控制方法。

圖1 五相三電平H橋逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 五相三電平 H 橋逆變器的空間電壓矢量分析

五相三電平H橋逆變器電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，逆變器采用中點(diǎn)箝位式H橋型結(jié)構(gòu)。逆變器每相 H橋的左右橋臂分別有三個(gè)輸出狀態(tài)：T1、T2導(dǎo)通，T3、T4截止時(shí)，橋臂的開關(guān)狀態(tài)記為‘P’，輸出電壓為+UD/2；T2、T3導(dǎo)通，T1、T4 截止時(shí)，橋臂的開關(guān)狀態(tài)記為‘O’，輸出電壓為0；T3、T4導(dǎo)通，T1、T2截止時(shí)，橋臂的開關(guān)狀態(tài)記為‘N’，輸出電壓為-UD/2。因此，逆變器的每相H橋可以輸出五個(gè)電平，五相H橋共有3125個(gè)矢量，其矢量分析和選擇十分復(fù)雜，難以直接采用傳統(tǒng)的SVPWM控制算法。

定義左橋臂合成的空間矢量為：

同樣定義右橋臂合成的空間矢量為：

其中Sa+, Sa-, Sb+, Sb-, Sc+, Sc-, Sd+, Sd-, Se+,Se-=1,0,-1.

2 五相三電平H橋逆變器SVPWM的簡化算法

為了簡化控制算法，將五相三電平H橋的左橋臂和右橋臂均看作由單橋臂組成的五相，分別予以控制。采用移相控制的思想[6]～[8]，使左橋臂的輸出端電壓相對(duì)于右橋臂輸出端電壓移相位角 φ，設(shè)電壓參考矢量為 Vref，其幅值為|Vref|，相角為λ，將其分解為 V+、V-。則

通過分解，V+、V-可分別由左橋臂、右橋臂組成的五相所對(duì)應(yīng)的五相三電平空間矢量合成。這樣，只需分析清楚五相三電平空間矢量分布即可。

則此時(shí)逆變器的輸出空間電壓矢量為：

由（3）式可知，逆變器輸出空間電壓矢量相對(duì)于五個(gè)左橋臂合成的空間電壓矢量在空間上移相位角-(π-φ)/2，而輸出電壓矢量幅值為五個(gè)左橋臂合成矢量的2sinφ/2。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]分析，并不是所有的矢量都作為工作矢量，考慮到控制實(shí)現(xiàn)的方便，在本文中同樣選取大矢量Vl=0.6472 UD、中矢量Vm=0.6156 UD、小矢量Vh=0.3236 UD以及零矢量作為有效工作電壓矢量，這些矢量共有 43個(gè)，空間分布如圖2所示。

圖2 逆變器工作矢量的空間分布

通過這些矢量組合并采用移相控制思想，其控制效果可以使得每相五電平輸出?？梢?，采用該方法可以大大簡化 H橋逆變器的矢量控制算法。如圖2所示，選用的工作矢量組成的十邊形可等分為 10個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)編號(hào)分別用0～9表示，由于每個(gè)扇區(qū)在空間上是對(duì)稱分布的，因此只需考慮對(duì)其中一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行分析。

圖3 基于 36°g-h軸坐標(biāo)系的電壓矢量圖

將每個(gè)扇區(qū)劃分為A、B、C、D四個(gè)三角形區(qū)域，在每個(gè)扇區(qū)中建立基于 36°的 g-h軸坐標(biāo)系分別對(duì)V+、V-進(jìn)行定位，如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的方法，利用三矢量合成，可確定出各個(gè)橋臂在各控制周期內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)。這里，t0、t1、t2分別為扇區(qū)三角形中三個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)矢量的開關(guān)作用時(shí)間。

為使得工作矢量作用對(duì)稱，同時(shí)減小開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的諧波，將三角形A、B分別分為前后兩個(gè)小三角形。表1給出了當(dāng)參考電壓分量在空間上旋轉(zhuǎn)時(shí)，在扇區(qū)0中逆變器各右橋臂的工作矢量（開關(guān)狀態(tài)）作用順序（首發(fā)P型小矢量）和作用時(shí)間。同樣可確定左橋臂在不同時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)。

表1 扇區(qū)0中左橋臂的開關(guān)狀態(tài)及其作用時(shí)間

3 中點(diǎn)電位不平衡分析

五相三電平 H橋型逆變器采用二極管箝位式結(jié)構(gòu)，直流側(cè)由兩個(gè)支撐大電容C1和C2組成，且這兩個(gè)電容中間點(diǎn)O和箝位二極管的中點(diǎn)相連接。在這種連接方式下，中點(diǎn)O的電位會(huì)受到電流變化和開關(guān)狀態(tài)的影響而浮動(dòng)。

以單個(gè)H橋?yàn)槔?，?fù)載電流流向不同，隨著開關(guān)狀態(tài)的改變，逆變器橋臂中電流的流向也不同。

當(dāng)流過負(fù)載電流為正方向（由左至右），負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，單個(gè)H橋中不同開關(guān)狀態(tài)下，電流的流向如圖 4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)所示。

由前面分析可知，在圖 4(b)、(d)、(f)、(h)所示的情形下，中點(diǎn)電位會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，即出現(xiàn)中點(diǎn)電壓不平衡；比較圖4(b)與圖4(f)、圖4(d)與圖4(h)可以看出，在輸出相電壓相同的情形下，它們的開關(guān)狀態(tài)不同，而對(duì)中點(diǎn)電位影響是相反的。同樣也可以分析流過負(fù)載電流流向?yàn)樨?fù)方向的情形，也可得出類似的結(jié)論。對(duì)于五相三電平H橋型逆變器來說，可以根據(jù)各相H橋左右橋臂的開關(guān)狀態(tài)和流過負(fù)載電流的流向來分析對(duì)中點(diǎn)電位的影響。因此，在無需增加硬件條件的情況下，可以通過軟件控制開關(guān)狀態(tài)的切換來控制中點(diǎn)電位的波動(dòng)。

對(duì)于五相三電平空間矢量來說，零矢量及大矢量沒有把中性點(diǎn)接到負(fù)載，所以中性點(diǎn)電壓不變化。中矢量因?yàn)槭褂谜齻?cè)和負(fù)側(cè)兩種直流電源，所以中性點(diǎn)電位的上升和下降與輸出電壓相位和負(fù)載的功率因素有關(guān)，導(dǎo)致中矢量引起的電壓不平衡在實(shí)驗(yàn)中難以控制[10]。

圖4 單個(gè)H橋中相電流流向（負(fù)載電流為正）

小矢量總是成對(duì)出現(xiàn)，輸出電壓相同，但它們對(duì)于中點(diǎn)電壓的影響剛好相反。因此，可根據(jù)上下電容電壓UC1和UC2的差值（即配成對(duì)的 P型小矢量和 N型矢量的時(shí)間分配），對(duì)中點(diǎn)電壓予以控制。對(duì)于H橋這種結(jié)構(gòu)的電路，可以采用左橋臂首發(fā)P型小矢量，右橋臂首發(fā)N型小矢量的控制方式來控制電壓不平衡。

4 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上控制算法的有效性，在以F2812+FPGA為主控制器、功率開關(guān)器件為IGCT的五相三電平H橋變頻器的試驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了上述控制方式。開關(guān)頻率fs=500 Hz，直流側(cè)母線電壓UD=400 V。圖5，6均為右橋臂輸出端電壓相對(duì)左橋臂移相 144°逆變器接阻感負(fù)載時(shí)的波形。

圖5 沒有中點(diǎn)控制時(shí)輸出相電壓及正負(fù)母線電壓波形（m=0.94,f=20 Hz）

圖6 有中點(diǎn)控制時(shí)輸出相電壓及正負(fù)母線電壓波形（m=0.94,f=20 Hz）

由于實(shí)驗(yàn)過程中，沒有對(duì)流入中點(diǎn)的電流流向進(jìn)行檢測，僅僅根據(jù)正負(fù)母線電壓差來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位，所以中點(diǎn)電位的波動(dòng)問題沒有得到徹底解決。但總體上來說，文中采用的中點(diǎn)控制方式在一定程度上有效抑制中點(diǎn)電壓的浮動(dòng)。

5 結(jié)論

本文在對(duì)五相三電平 H橋型逆變器的空間電壓矢量進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出了適用于五相三電平 H橋逆變器的相移空間矢量控制算法。并在此基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了該控制方式，驗(yàn)證了該方法的可行性。從試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，該方法可以通過較少的矢量組合，實(shí)現(xiàn)相電壓為五電平輸出，并利用冗余小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的調(diào)節(jié)，有效地改善了對(duì)電容電壓平衡控制。

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