阮 會(huì)，何鈺明，胡傳西

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基于五相三電平全橋逆變器中點(diǎn)電位控制算法研究

阮 會(huì)，何鈺明，胡傳西

（武漢船用電力推進(jìn)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(jì)算開關(guān)周期內(nèi)各電壓矢量作用時(shí)間，推導(dǎo)出五相三電平全橋SVPWM算法；提出利用冗余矢量、結(jié)合負(fù)載電流方向調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位的控制算法，并對(duì)其進(jìn)行了仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

中點(diǎn)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(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)艦船電力推進(jìn)裝置的功率要求越來越大、電壓等級(jí)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(duì)電機(jī)的絕緣損害低、EMI低等優(yōu)點(diǎn)使得其適合艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。

多相三電平逆變器工作時(shí)，存在零電平等續(xù)流過程，電流會(huì)流出或流入中點(diǎn)，對(duì)電容進(jìn)行充電或放電，使電容中點(diǎn)電位失去平衡，導(dǎo)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(yán)重制約了多相三電平逆變器的廣泛應(yīng)用。

21世紀(jì)前后，國內(nèi)、外學(xué)者先后對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法開展了研究。主要采取了根據(jù)負(fù)載電流的方向選擇對(duì)中點(diǎn)電位相反作用的電壓矢量來調(diào)整中點(diǎn)電位，其研究主要集中在三相三電平全橋上，對(duì)五相三電平全橋逆變器中點(diǎn)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(diǎn)電位偏移問題，使其能被廣泛應(yīng)用，成為一個(gè)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(dǎo)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(duì)中點(diǎn)電位的影響，提出了一種利用冗余矢量、結(jié)合負(fù)載電流方向調(diào)節(jié)中點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，各相輸出電壓有三個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)公式（1）計(jì)算可得，共有243個(gè)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(jiǎn)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(gè)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(duì)值可控的電壓矢量，采取相鄰兩個(gè)特定矢量及零矢量合成電壓矢量，計(jì)算合成電壓矢量的各特定矢量作用時(shí)間，我們將360°的區(qū)間等分成10個(gè)扇區(qū)，并根據(jù)靜止兩相坐標(biāo)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(gè)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(dāng)電壓矢量落在扇區(qū)1時(shí)，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(gè)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(shí)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(diǎn)電位控制研究

特定矢量中的零矢量因五相電流和為零，對(duì)中點(diǎn)電位無影響；大矢量因無中點(diǎn)電位狀態(tài)，對(duì)中點(diǎn)電位平衡無影響；中矢量不成對(duì)出現(xiàn)，無法通過調(diào)節(jié)中矢量來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位；小矢量對(duì)中點(diǎn)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(dāng)開關(guān)狀態(tài)為小矢量（11001）時(shí)，C、D相電流和為正，中點(diǎn)電位降低，C、D相電流和為負(fù)，中點(diǎn)電位升高；當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為小矢量（00-1-10）時(shí)，C、D相電流和為正，中點(diǎn)電位升高，C、D相電流和為負(fù)，中點(diǎn)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(dāng)開關(guān)狀態(tài)為小矢量（11000）時(shí)，A、B相電流和為正，中點(diǎn)電位升高，A、B相電流和為負(fù)，中點(diǎn)電位降低；當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為小矢量（00-1-1-1）時(shí)，A、B相電流和為正，中點(diǎn)電位降低，A、B相電流和為負(fù)，中點(diǎn)電位升高。

綜上所述，小矢量成對(duì)出現(xiàn)，它們對(duì)逆變器中點(diǎn)電位作用相反，通過調(diào)節(jié)兩對(duì)小矢量作用時(shí)間可調(diào)節(jié)逆變器中點(diǎn)電位，達(dá)到控制五相三電平全橋逆變器中點(diǎn)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(gè)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(duì)直流中點(diǎn)電位影響，電壓矢量的選擇盡可能使中點(diǎn)電壓趨向平衡。

根據(jù)表4可推導(dǎo)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(dòng)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(shí)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(yàn)證

為了驗(yàn)證所選算法有效，在MATALB中建模實(shí)現(xiàn)五相三電平全橋逆變器中點(diǎn)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(dòng)系統(tǒng)、邏輯控制及指示燈組成。為了實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位偏移，在直流側(cè)（正母線與中點(diǎn)）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(fù)載電阻3 Ω、負(fù)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(diǎn)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(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法仿真波形（中點(diǎn)電位不控制）

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

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

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

圖8中正負(fù)直流母線電壓基本一致，偏差不超過100 V，中點(diǎn)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(fù)載電流為正弦波，表明五相三電平全橋逆變器中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法有效。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)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(fù)載組成；試驗(yàn)中在正母線與支撐電容中性點(diǎn)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(biāo)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(dòng)系統(tǒng)上，系統(tǒng)組成如圖9所示。試驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速空載、滿載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)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(shí)際電流為電流鉗測(cè)量電流2倍）。

圖9 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

圖10 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)波形

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

本文首先推導(dǎo)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(fù)載電流和電壓矢量（大矢量、中矢量、小矢量、零矢量）對(duì)中點(diǎn)電位的影響，提出了利用冗余矢量、結(jié)合負(fù)載電流方向調(diào)節(jié)中點(diǎn)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(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證了所選算法有效，研究成果具有很好的工程應(yīng)用價(jià)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(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG03B01）資助

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