H橋型三電平逆變器中點電位平衡調節算法研究

張懷亮

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H橋型三電平逆變器中點電位平衡調節算法研究

張懷亮

（海軍裝備部裝備采購中心, 北京 170001）

本文通過分析H橋型三電平逆變器開關回路和換流過程，找出了中點電位偏移的原因，并給出了中點電位平衡調節措施及改進算法，最后通過試驗驗證了所選算法是有效的，在大功率變流器上具有廣泛應用前景。

中點電位平衡調節 三電平 H橋

0 引言

隨著艦船電力推進技術的快速發展，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，由于功率器件的限制，傳統的兩電平逆變器無法滿足中高壓、大功率要求，通過器件的串并聯可以用兩電平直接實現中高壓、大功率逆變器，但存在器件的動態均壓、均流問題，嚴重影響系統可靠性，采用成熟的低壓標準功率器件實現中高壓、大功率的多電平逆變器成為一種很好的選擇．另一方面，多電平以其輸出電壓諧波小、可靠性高、對電機的絕緣損害低、EMI低等優點使得其更加適合艦船電力推進系統的應用。

多電平逆變器工作時，存在零電平等續流過程，電流會流出或流人中點，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、直流側電容的使用壽命和設備安全，嚴重制約了多電平逆變器的廣泛應用。

21世紀前后，國內、外學者先后對多電平逆變器中點電位平衡調節算法開展了研究，主要采取了根據負載電流的方向選擇對中點電位互反影響的電壓矢量來調整中點電位、調整上下兩個調制波的SPWM調制方法和在三相參考波中增加零序分量來調整直流母線中點電位的三種方法，其研究主要集中在三電平全橋、五電平全橋、兩電平H橋級聯逆變器上，對H橋型三電平逆變器中點電位平衡調節算法研究甚少。如何解決H橋型三電平逆變器中點電位偏移問題，使其能被廣泛應用，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，本文通過分析H橋型三電平逆變器開關回路和換流過程，找出導致中點電位偏移的原因，并給出中點電位平衡調節算法及改進算法。通過試驗驗證，提出了一種有效的、易實現H橋型三電平逆變器中點電位平衡調節算法。

1 中點電位偏移原因分析

為了降低H橋型三電平逆變器（拓撲結構如圖1所示）輸出電壓諧波，本文采取載波移相調制策略，H橋左右橋臂載波互錯180°，其調制原理如圖2所示。

其中，載波1與載波2、載波3與載波4為同向載波，載波1與載波3為互錯180°，參考波與載波1比較輸出T1、T3管驅動波形，參考波與載波2比較輸出T2、T4管驅動波形，參考波與載波3比較輸出T6、T8管驅動波形，參考波與載波4比較輸出T5、T7管驅動波形；H橋型三電平逆變器工作時，左右橋臂均存在+1、0、-1三種電平，輸出相電壓中包含+2、+1、0、-1、+2五種電平，通過分析開關回路和換流過程，可分析五種電平對中點電位影響。

圖3中對中點電位有影響的開關狀態為左橋臂為1電平、右橋臂為0電平，左橋臂為-1電平、右橋臂為0電平，左橋臂為0電平、右橋臂為1電平，左橋臂為0電平、右橋臂為-1電平，根據電流流向和換流過程可得：左橋臂為1電平、右橋臂為0電平或左橋臂為-1電平、右橋臂為0電平時，正向電流使中點電位升高，左橋臂為0電平、右橋臂為1電平或左橋臂為0電平、右橋臂為-1電平時，正向電流使中點電位降低，即相同負載電流下左、右橋臂參考波電壓對中點電位的影響相反，因此，H橋型三電平逆變器中點電位調節可通過根據負載電流方向來修正H橋左右橋臂參考波電壓比例分配（保證輸出相電壓不變），當負載電流為正時，若中點電位偏低，增大H橋左橋臂參考波電壓比例，若中點電位偏高，增大H橋右橋臂參考波電壓比例，當負載電流為負時，若中點電位偏低，減小H橋左橋臂參考波電壓比例，若中點電位偏高，減小H橋右橋臂參考波電壓比例。

2 中點電位平衡調節算法研究

H橋型三電平逆變器中點電位平衡調節可通過采樣負載電流、正負母線電壓實現。

2.1 H橋型三電平逆變器開環中點電位平衡調節

H橋型三電平逆變器開環中點電位平衡調節通過采樣正、負直流母線電壓，直接計算中點電位平衡調節因子，通過采樣變頻器輸出電流，判斷出電流方向，來分配H橋左右橋臂參考波電壓大小，實現中點電位平衡調節。參考波電壓分配原理如公式1所示。

由于采樣的直流母線電壓存在波動，加入直流母線電壓濾波后使得中點電位平衡調節滯后，嚴重時導致中點電位平衡調節發生振蕩；不加濾波直接計算出的平衡因子波動較大，導致輸出電壓參考波存在波動，影響了系統性能。

2.2 H橋型三電平逆變器閉環中點電位平衡調節H橋型三電平逆變器閉環中點電位平衡調節

通過采樣正、負直流母線電壓，將正、負直流母線電壓差作為PI調節器反饋輸入，通過PI調節器控制該誤差為零，輸出合適的中點電位平衡調節因子。

位置式PI調節器離散算法如公式2所示：

H橋型三電平逆變器閉環中點電位平衡調節減小了平衡因子的波動，使輸出參考波電壓的波動減小；參考波要根據負載電流方向來改變分配原則，因此要求負載電流的過零點判斷準確，由于電流采樣誤差和電流諧波的影響，因此在電流過零點附近加入了滯環處理，避免了電流過零點附近出現電流方向來回切換的問題。

3 試驗驗證

為了驗證算法有效性，在H橋型三電平逆變器上采用H橋載波移相調制策略對所選算法進行了實驗驗證，逆變器直流電源由實驗室可控整流裝置提供，其輸出直流電壓與正、負母排直接連接，電容中點懸浮。試驗中為了更好的驗證算法效果，在正母排對電容中點兩端接上8 Ω負載，使電容中點電位嚴重偏移；最小脈寬設置為14 μs，死區時間設置為4 μs，軟件中采用Q24格式標幺值，直流母線電壓額定值為4666 V，給定直流母線電壓66 V。

4 結論

本文通過對H橋型三電平逆變器開關回路和換流過程進行分析，找出了影響中點電位的開關狀態，并給出了中點電位平衡調節措施及改進算法，最后通過試驗驗證了所選算法是有效的，研究結果具有一定的價值。

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Research on Neutral-point Level Balance Adjustment Algorithm Based on Three Level H-bridge

Zhang Huailiang

(Purchasing Center of Naval Equipment Department, Beijing 170001, China)

TM461

A

1003-4862（2014）09-0066-05

2014-07-15

張懷亮（1972-），男，高級工程師。研究方向：電氣工程。