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作用順序，計算開關周期內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、結合負載電流方向調節中點電位的控制算法，并對其進行了仿真、實驗驗證，具有很好的工程應用價值。

中點電位平衡調節 三電平 五相 SVPWM

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，傳統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低等優點使得其適合艦船電力推進系統的應用。

多相三電平逆變器工作時，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、直流側電容的使用壽命和設備安全，嚴重制約了多相三電平逆變器的廣泛應用。

21世紀前后，國內、外學者先后對三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相反作用的電壓矢量來調整中點電位，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節算法研究甚少。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調制算法，本文通過分析五相三電平全橋逆變器開關矢量對中點電位的影響，提出了一種利用冗余矢量、結合負載電流方向調節中點電位的控制算法。

1 五相三電平SVPWM調制

五相三電平全橋逆變器拓撲結構如圖1所示，各相輸出電壓有三個狀態（1、0、-1），用開關函數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構圖

根據公式（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°的區間等分成10個扇區，并根據靜止兩相坐標系下的電壓矢量大小和相互關系來判斷合成電壓矢量落在那個扇區，判斷條件如表1所示：

表1 扇區判斷條件

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

圖3 扇區1各區間分布圖

扇區1內各區間判斷條件如表2所示，扇區1內各開關矢量作用時間如表3所示，表3中m為調制比、s為開關周期、為電壓矢量旋轉角度。

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，對中點電位平衡無影響；中矢量不成對出現，無法通過調節中矢量來調節中點電位；小矢量對中點電位的影響如下：

表2 扇區1內各區間判斷條件

圖4小矢量（11001、00-1-10）開關狀態等效電路圖

圖4 所示，當開關狀態為小矢量（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；當開關狀態為小矢量（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）開關狀態等效電路圖

同理：如圖5所示，當開關狀態為小矢量（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；當開關狀態為小矢量（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，它們對逆變器中點電位作用相反，通過調節兩對小矢量作用時間可調節逆變器中點電位，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) 避免輸出電壓產生大的d/d。

2) 減少開關損耗，每個控制周期中各相開關狀態改變次數不超過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。

根據表4可推導出扇區1內五相三電平全橋逆變器各開關管驅動波形，其余扇區可依此類推，其中小矢量（11001）、（00-1-10）和（11000）、（00-1-1-1）作用時間關系通過平衡因子分配，平衡因子可通過直流母線電壓PI環（增量式PI）調節輸出。

4 仿真驗證

為了驗證所選算法有效，在MATALB中建模實現五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調節算法仿真，仿真框圖如圖6所示，仿真系統由控制器、變頻驅動系統、邏輯控制及指示燈組成。為了實現中點電位偏移，在直流側（正母線與中點）外接2000 Ω電阻，仿真中設定開關頻率1000 Hz、死區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1不同區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節算法仿真框圖

圖7 五相三電平全橋逆變器中點電位平衡調節算法仿真波形（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節算法仿真波形（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，中點電位發生嚴重偏移，逆變器輸出線電壓波形出現畸變，負載電流波形出現畸變，降低了逆變器運行可靠性。

基于LabVIEW的變壓器運輸在線監測系統設計 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節算法有效。

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；設定器件最小脈寬14 μs，死區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，軟件中數據定標為Q24，軟件中平衡因子調節范圍為0~2^24，0.5*2^24為平衡因子初始值。

所選算法成功應用于我所某大功率變頻驅動系統上，系統組成如圖9所示。試驗中設定最小脈寬14 μs，死區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變頻驅動系統額定轉速空載、滿載穩定運行時，試驗波形如圖10所示。數據采集通道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 變頻驅動系統框圖

圖10 變頻驅動系統試驗波形

圖10為該變頻驅動系統額定轉速空載、帶載穩定運行時電壓、電流波形。運行中，變頻器柜門上正、負母線電壓表顯示，空載時電壓穩定在2000 V左右，滿載時電壓穩定在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節算法有效，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、結合負載電流方向調節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。