張懷亮

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H橋型三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法研究

張懷亮

（海軍裝備部裝備采購(gòu)中心, 北京 170001）

本文通過(guò)分析H橋型三電平逆變器開(kāi)關(guān)回路和換流過(guò)程，找出了中點(diǎn)電位偏移的原因，并給出了中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)措施及改進(jìn)算法，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所選算法是有效的，在大功率變流器上具有廣泛應(yīng)用前景。

中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié) 三電平 H橋

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(lái)越大、電壓等級(jí)越來(lái)越高，由于功率器件的限制，傳統(tǒng)的兩電平逆變器無(wú)法滿足中高壓、大功率要求，通過(guò)器件的串并聯(lián)可以用兩電平直接實(shí)現(xiàn)中高壓、大功率逆變器，但存在器件的動(dòng)態(tài)均壓、均流問(wèn)題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性，采用成熟的低壓標(biāo)準(zhǔn)功率器件實(shí)現(xiàn)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(duì)電機(jī)的絕緣損害低、EMI低等優(yōu)點(diǎn)使得其更加適合艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。

多電平逆變器工作時(shí)，存在零電平等續(xù)流過(guò)程，電流會(huì)流出或流人中點(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)重制約了多電平逆變器的廣泛應(yīng)用。

21世紀(jì)前后，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者先后對(duì)多電平逆變器中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法開(kāi)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)電位互反影響的電壓矢量來(lái)調(diào)整中點(diǎn)電位、調(diào)整上下兩個(gè)調(diào)制波的SPWM調(diào)制方法和在三相參考波中增加零序分量來(lái)調(diào)整直流母線中點(diǎn)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(jí)聯(lián)逆變器上，對(duì)H橋型三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法研究甚少。如何解決H橋型三電平逆變器中點(diǎn)電位偏移問(wèn)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(kāi)展的，本文通過(guò)分析H橋型三電平逆變器開(kāi)關(guān)回路和換流過(guò)程，找出導(dǎo)致中點(diǎn)電位偏移的原因，并給出中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法及改進(jìn)算法。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種有效的、易實(shí)現(xiàn)H橋型三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法。

1 中點(diǎn)電位偏移原因分析

為了降低H橋型三電平逆變器（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示）輸出電壓諧波，本文采取載波移相調(diào)制策略，H橋左右橋臂載波互錯(cuò)180°，其調(diào)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(cuò)180°，參考波與載波1比較輸出T1、T3管驅(qū)動(dòng)波形，參考波與載波2比較輸出T2、T4管驅(qū)動(dòng)波形，參考波與載波3比較輸出T6、T8管驅(qū)動(dòng)波形，參考波與載波4比較輸出T5、T7管驅(qū)動(dòng)波形；H橋型三電平逆變器工作時(shí)，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(guò)分析開(kāi)關(guān)回路和換流過(guò)程，可分析五種電平對(duì)中點(diǎn)電位影響。

圖3中對(duì)中點(diǎn)電位有影響的開(kāi)關(guān)狀態(tài)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(jù)電流流向和換流過(guò)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(shí)，正向電流使中點(diǎn)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(shí)，正向電流使中點(diǎn)電位降低，即相同負(fù)載電流下左、右橋臂參考波電壓對(duì)中點(diǎn)電位的影響相反，因此，H橋型三電平逆變器中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)可通過(guò)根據(jù)負(fù)載電流方向來(lái)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(dāng)負(fù)載電流為正時(shí)，若中點(diǎn)電位偏低，增大H橋左橋臂參考波電壓比例，若中點(diǎn)電位偏高，增大H橋右橋臂參考波電壓比例，當(dāng)負(fù)載電流為負(fù)時(shí)，若中點(diǎn)電位偏低，減小H橋左橋臂參考波電壓比例，若中點(diǎn)電位偏高，減小H橋右橋臂參考波電壓比例。

2 中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)算法研究

H橋型三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)可通過(guò)采樣負(fù)載電流、正負(fù)母線電壓實(shí)現(xiàn)。

2.1 H橋型三電平逆變器開(kāi)環(huán)中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)

H橋型三電平逆變器開(kāi)環(huán)中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)通過(guò)采樣正、負(fù)直流母線電壓，直接計(jì)算中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)因子，通過(guò)采樣變頻器輸出電流，判斷出電流方向，來(lái)分配H橋左右橋臂參考波電壓大小，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)。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(dòng)，加入直流母線電壓濾波后使得中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)滯后，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)發(fā)生振蕩；不加濾波直接計(jì)算出的平衡因子波動(dòng)較大，導(dǎo)致輸出電壓參考波存在波動(dòng)，影響了系統(tǒng)性能。

2.2 H橋型三電平逆變器閉環(huán)中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)H橋型三電平逆變器閉環(huán)中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)

通過(guò)采樣正、負(fù)直流母線電壓，將正、負(fù)直流母線電壓差作為PI調(diào)節(jié)器反饋輸入，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器控制該誤差為零，輸出合適的中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)因子。

位置式PI調(diào)節(jié)器離散算法如公式2所示：

H橋型三電平逆變器閉環(huán)中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)減小了平衡因子的波動(dòng)，使輸出參考波電壓的波動(dòng)減??；參考波要根據(jù)負(fù)載電流方向來(lái)改變分配原則，因此要求負(fù)載電流的過(guò)零點(diǎn)判斷準(zhǔn)確，由于電流采樣誤差和電流諧波的影響，因此在電流過(guò)零點(diǎn)附近加入了滯環(huán)處理，避免了電流過(guò)零點(diǎn)附近出現(xiàn)電流方向來(lái)回切換的問(wèn)題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(diào)制策略對(duì)所選算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，逆變器直流電源由實(shí)驗(yàn)室可控整流裝置提供，其輸出直流電壓與正、負(fù)母排直接連接，電容中點(diǎn)懸浮。試驗(yàn)中為了更好的驗(yàn)證算法效果，在正母排對(duì)電容中點(diǎn)兩端接上8 Ω負(fù)載，使電容中點(diǎn)電位嚴(yán)重偏移；最小脈寬設(shè)置為14 μs，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為4 μs，軟件中采用Q24格式標(biāo)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(jié)論

本文通過(guò)對(duì)H橋型三電平逆變器開(kāi)關(guān)回路和換流過(guò)程進(jìn)行分析，找出了影響中點(diǎn)電位的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并給出了中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié)措施及改進(jìn)算法，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所選算法是有效的，研究結(jié)果具有一定的價(jià)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(jí)工程師。研究方向：電氣工程。