劉廣財(cái)，張潔

（ 1.上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司 上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233；2.上海江南長(zhǎng)興重工有限責(zé)任公司，上海 201913 ）

基于T型三電平岸電電源的設(shè)計(jì)和控制方法

劉廣財(cái)1，張潔2

（ 1.上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司 上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233；2.上海江南長(zhǎng)興重工有限責(zé)任公司，上海 201913 ）

設(shè)計(jì)了T型三電平逆變器的主回路，研究T型三電平的載波反向疊層控制算法，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并在實(shí)際樣機(jī)上進(jìn)行了控制算法的試驗(yàn)，得到理想的三電平電壓波形?，F(xiàn)已應(yīng)用于港口大功率岸電電源的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，實(shí)際結(jié)果表明該控制方法具有較高的抑制諧波功能。

T型三電平；載波反向疊加；控制系統(tǒng)；仿真

0 引言

大功率港口岸電電源主逆變結(jié)構(gòu)可分為中壓逆變器并聯(lián)方式和采用IGBT級(jí)聯(lián)的高壓變頻器兩大類。近年來(lái)，采用高壓變頻器作為核心逆變器的方案在大功率變頻電源領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，尤其在新興的港口岸電電源控制系統(tǒng)中，由于其開(kāi)發(fā)周期短、占用空間小而成為港口岸電電源系統(tǒng)的主流。然而，此種高-高變頻岸電電源系統(tǒng)在供電可靠性方面略顯欠缺，當(dāng)有一只逆變IGBT出現(xiàn)故障時(shí)，整臺(tái)岸電系統(tǒng)即可陷入癱瘓，不能繼續(xù)維持對(duì)泊船的供電。本文設(shè)計(jì)了基于T型三電平中壓逆變器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的大功率岸電電源，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為高-低-高的控制方案，其中，中壓逆變環(huán)節(jié)為多臺(tái)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)退出，剩余系統(tǒng)降容繼續(xù)維持供電。利用Simulink軟件，在Matlab環(huán)境下建立了三電平逆變器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給三電平逆變器的程序控制的調(diào)整提供了準(zhǔn)確直觀的理論指導(dǎo)。進(jìn)一步做了單體樣機(jī)，完成了全壓測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果證明系統(tǒng)的可行性。

1 結(jié)構(gòu)與控制

T型三電平逆變器由上管IGBT、下管IGBT、中性點(diǎn)IGBT組成，其原理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 T型三電平逆變器結(jié)構(gòu)

每三相T型逆變回路結(jié)構(gòu)組合一起構(gòu)成了一臺(tái)三電平三相逆變器。直流供電回路兩組獨(dú)立的整流系統(tǒng)，通過(guò)大容量?jī)?chǔ)能電容串聯(lián)，組成具有正極、負(fù)極、中心點(diǎn)的直流系統(tǒng)。

T型三電平逆變器的結(jié)構(gòu)中，上管IGBT和下管IGBT承受額定直流正負(fù)極電壓，故選擇英飛凌3 300 V的IGBT。中性點(diǎn)電位最多承受一半的正負(fù)極直流母線電壓，故選擇英飛凌1 700 V的單管IGBT，兩只管串聯(lián)使用，分別交替做開(kāi)通和續(xù)流切換。

圖2為T(mén)型三電平岸電電源控制結(jié)構(gòu)。

圖2 T型三電平岸電電源控制結(jié)構(gòu)

中央控制CPU選擇TI公司32位高速DSP芯片TMS28335，外部通信及控制總線選擇LATTICE公司FPGA。DSP主頻高達(dá)150 MHz，負(fù)責(zé)SPWM波的算法及調(diào)制數(shù)據(jù)輸出，AD數(shù)據(jù)采集和分析以及PID算法控制程序。FPGA負(fù)責(zé)與每路從CPU數(shù)據(jù)總線通信，與DSP間數(shù)據(jù)交換，IO采集等。CPU負(fù)責(zé)將中央控制DSP發(fā)來(lái)的SPWM波調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行算法解析，分離出三電平控制邏輯，從而驅(qū)動(dòng)三電平逆變器。

由圖2可以看出，本設(shè)計(jì)的岸電電源由兩臺(tái)相同三電平逆變電源并聯(lián)組成。逆變電源設(shè)計(jì)出口正弦電壓為1 140 V，每臺(tái)逆變電源內(nèi)部有自己的控制CPU，對(duì)本臺(tái)逆變電源所有逆變器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)監(jiān)視，包括輸出電壓、輸出電流、當(dāng)前溫度采集和回傳主控制CPU。兩臺(tái)逆變電源輸出的正弦電壓直接并聯(lián)。

輸出正弦電壓通過(guò)采樣電路進(jìn)入主控DSP的PID算法程序，電壓閉環(huán)為負(fù)反饋控制，采用高精度12位AD，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的高精度控制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制周期為：DSP主頻150 MHz，基本控制周期1 ms；SPWM調(diào)制中斷周期設(shè)置為外部中斷，中斷周期100 μs；從控CPU保護(hù)跳閘動(dòng)作為立即動(dòng)作，動(dòng)作上傳時(shí)間為100 μs；光纖通信周期為100 μs，即PWM控制信號(hào)刷新時(shí)間為100 μs。

逆變器設(shè)計(jì)額定電流400 A，輸出電壓有效值為1 140 VAC，考慮到正負(fù)極間的寄生電容，特殊制作了疊層母排結(jié)構(gòu)。

2 仿真

三電平逆變器主要有兩種結(jié)構(gòu)，I型結(jié)構(gòu)和T型結(jié)構(gòu)。I型結(jié)構(gòu)四只IGBT采用串聯(lián)形式，這種形式的優(yōu)點(diǎn)是：由于每只IGBT只承受一半的直流母線電壓，所以對(duì)IGBT的耐壓要求比較低，使得硬件成本降低。但在實(shí)際控制過(guò)程中，I型逆變器結(jié)構(gòu)中上橋和下橋的兩只IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷要求有嚴(yán)格的順序控制，否則會(huì)因耐壓不夠而導(dǎo)致IGBT炸毀，這就對(duì)控制邏輯提出更高的要求。

在實(shí)際工程中，為實(shí)現(xiàn)更為可靠的控制方案，多采用T型逆變器結(jié)構(gòu)作為三電平逆變電源的主結(jié)構(gòu)。本文的仿真和算法也是基于T型三電平逆變器主回路進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

三電平逆變器的控制算法多采用基于空間矢量的SVPWM算法，這種算法雖然可以直觀計(jì)算出各基本矢量的作用時(shí)間，但各電壓矢量的相位角使用了大量的三角函數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)需要預(yù)先計(jì)算矢量作用時(shí)間并存儲(chǔ)大量表格數(shù)據(jù)，計(jì)算復(fù)雜，難度相當(dāng)大。本文通過(guò)對(duì)SVPWM算法進(jìn)行進(jìn)一步分析，綜合考慮SPMW脈寬調(diào)制算法，提出了以在中央控制DSP中預(yù)存標(biāo)準(zhǔn)余弦表，以查表的方式在每次控制中斷中產(chǎn)生當(dāng)前控制的調(diào)制波信號(hào)。調(diào)制波信號(hào)通過(guò)光纖通信發(fā)送到從控DSP內(nèi)。從控驅(qū)動(dòng)板DSP和FPGA組合成為從控CPU，F(xiàn)PGA產(chǎn)生兩路獨(dú)立的三角載波信號(hào)，采用載波疊加的控制方式，分別與調(diào)制波信號(hào)進(jìn)行比較，可實(shí)現(xiàn)控制輸出四路PWM的信號(hào)。

2.1SPWM調(diào)制波的生成及余弦表

SPWM調(diào)制波的計(jì)算公式如下：

在實(shí)際操作中，M為電壓幅值的調(diào)制比：

其中，Udc為直流母線電壓，Um為PID控制得到的當(dāng)前輸出電壓值。需要注意的是，由于采用了標(biāo)幺處理，Um實(shí)際是百分比的小數(shù)。

系統(tǒng)中斷頻率為10 kHz，若每次中斷分別做離散余弦控制，系統(tǒng)完成一周為2 π弧度，則：每一次中斷控制需要步進(jìn)的角度為：

由此可以得到完成一個(gè)周期控制時(shí)，所需要的全部余弦值，并將此余弦值按順序存在一個(gè)數(shù)組中。

實(shí)際運(yùn)算時(shí)，根據(jù)PID控制器得到的輸出電壓值求得當(dāng)前輸出調(diào)制比，再根據(jù)當(dāng)前輸出頻率查表得到下輸出的相位即可得到單相SPWM波的調(diào)制波數(shù)據(jù)。

2.2四路PWM驅(qū)動(dòng)波形信號(hào)產(chǎn)生

從控CPU程序控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，仿真圖中，左側(cè)為輸入信號(hào)，右側(cè)為輸出信號(hào)。從圖中可以看出，CY7和CY8為兩路獨(dú)立的載波控制程序，Ua、Ub、Uc為SPWM信號(hào)控制下產(chǎn)生的三相調(diào)制波形。

每100μs數(shù)據(jù)通信接收完畢，從控CPU產(chǎn)生中斷信號(hào)，三相調(diào)制波與載波CY7進(jìn)行比較，即，仿真圖中CP1、CP3、CP5為正向比較器，比較器后端邏輯判斷如下：

1）調(diào)制波大于或等于載波時(shí)，開(kāi)通T1管，關(guān)斷T3管；

2）調(diào)制波小于載波時(shí)，開(kāi)通T3管，關(guān)斷T1管。

與此同時(shí)，三相調(diào)制波也與三角載波CY8進(jìn)行比較，即，仿真圖中CP2、CP4、CP6為反向比較器，比較器后端邏輯判斷如下：

1）調(diào)制波小于載波時(shí)，開(kāi)通T4管，關(guān)斷T2管；

2）調(diào)制波大于或等于載波時(shí)，開(kāi)通T2管，關(guān)斷T4管。

圖3 四路PWM控制波形產(chǎn)生算法

2.3T型三電平逆變器主回路仿真

得到驅(qū)動(dòng)波形信號(hào)后，在仿真環(huán)境中搭建T型三電平變頻電源的主回路仿真圖。如圖4所示，圖中波形控制信號(hào)模塊的內(nèi)部控制程序來(lái)自于圖4的仿真結(jié)果。在圖4中，三相PWM控制信號(hào)，其中每相又分為PWM_H、PWM_Z、PWM_Y、PWM_L。分別對(duì)應(yīng)的IGBT為T(mén)1、T2、T3、T4，具體位置可參見(jiàn)圖1。

圖4 T型三電平變頻電源系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)直流由二極管整流得到。仿真圖中，直流側(cè)中心點(diǎn)為接地處理，在實(shí)際制造過(guò)程中，這個(gè)中心點(diǎn)為相對(duì)零電位，即由兩路獨(dú)立的整流電源串聯(lián)得到。系統(tǒng)中間為三路T型三電平逆變器，逆變器內(nèi)的IGBT的開(kāi)關(guān)工作邏輯分別由每相的四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。系統(tǒng)右側(cè)為L(zhǎng)-C濾波模塊，三電平波形經(jīng)過(guò)濾波處理后，得到正弦波。

圖5中的示波器SCOP1測(cè)量仿真得到三相三電平PWM波形，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)仿真，得到了完美的三電平PWM電壓波形，如圖6所示。

圖5 三電平PWM仿真波形

由圖6可以看出，在三相輸出相位方面：U/V/W三相電壓相差角度分別為120°；從單路PWM波的階梯方面：中性線到波峰或波谷為三個(gè)電平的階梯波。三電平階梯波基本模仿了正弦波電壓的走勢(shì)。

圖6 三電平正弦仿真波形

圖7為三電平波形經(jīng)過(guò)L-C濾波器濾波后得到的正弦波波形。

圖7 三電平PWM波形

從經(jīng)過(guò)濾波后的正弦波形中可以看出，在靠近波峰和波谷的位置，存在輕微的畸變，這應(yīng)該是濾波系數(shù)匹配不均造成的，實(shí)際樣機(jī)中要做幾款濾波器，分次驗(yàn)證。

3 樣機(jī)測(cè)試

3.1結(jié)果驗(yàn)證

T型三電平變頻電源實(shí)際樣機(jī)中，載波頻率設(shè)定為2．5 kHz，直流母線電壓為1 700 VDC。

采用泰克示波器TDS2024，主頻1 GHz，測(cè)量T型三電平逆變器輸出波形，如圖8所示。在實(shí)際的樣機(jī)中，試驗(yàn)得到了想要的三電平PWM波形。

圖8 濾波后的正弦波形

3.2 優(yōu)化調(diào)整

由圖7仿真中得到的正弦波形可知，設(shè)計(jì)一套匹配的低通濾波器可以有效的去除諧波造成的波形畸變。在實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的電感值和電容值，以及兩者的匹配，來(lái)找到針對(duì)港口用電60 Hz濾波的最佳低通濾波器。設(shè)計(jì)濾波電感120 μH，濾波電容150 μF，接成三角形，通過(guò)此濾波器后，可以得到較為完美的正弦波波形。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了大功率岸電電源的T型逆變器結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行控制方法的仿真，建立了基于T型三電平逆變器控制系統(tǒng)的控制模型，提出基于SPWM波的反向載波疊加的三電平控制方案，改善傳統(tǒng)基于SVPWM波控制方式的過(guò)于繁瑣的算法。給T型三電平逆變器的控制算法提出理論指導(dǎo)，并在實(shí)際樣機(jī)上進(jìn)行了控制方法的驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的三電平PWM波形的控制。應(yīng)用于大功率岸電電源的控制系統(tǒng)中，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證取得了較高的控制穩(wěn)定性和大電流時(shí)的諧波抑制能力，現(xiàn)已成功應(yīng)用于港口岸基供電系統(tǒng)中，并得到了很好實(shí)際驗(yàn)證。

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Control method of T type three level shore power supply

LIU Guang-cai1, Zhang Jie2
(1. Shanghai Electric Tool Research Institute (Group) Co., Ltd. Shanghai Bao-zhun Power Technology Co., Ltd. 200303 2. Shanghai Jiangnan Changxin Heavy Indistry Co., Ltd. 201913)

This paper shows the main circuit of T type three level inverters and research on T three level control algorithm of carrier wave reverse stack. The control system was simulated and analyzed by utilizing the software of Matlab/Simulink. The control algorithm is tested on the actual prototype, while the expected three level voltage wave form is obtained. It has been applied to the design and production of high shore power supply systems. The practical results show that the control method has the advantages of high suppression of harmonic function and wide range of sine wave.

T type three level; Carrier reverse stack; control system; simulation

TM921

A

1674-2796（2016）06-0012-04

2016-09-10

劉廣財(cái)（1984-），男，碩士研究生，工程師，主要從事大功率變頻電源的研發(fā)與設(shè)計(jì)。