基于SVPWM五相三電平H橋逆變器中點電位控制研究

孫國亮 連勇濤

（海軍指揮學(xué)院，南京 210036）

0 引言

同傳統(tǒng)Y型連接逆變器相比，H橋型變頻器具有以下幾個明顯的優(yōu)點：（1）各相相對獨立，控制簡單、靈活；（2）當(dāng)電機(jī)的一相繞組或單個逆變器單元出現(xiàn)故障時，故障部分對其他單元不產(chǎn)生影響，功率損失小；（3）逆變器輸出電平狀態(tài)增多，輸出電壓諧波小。另外，若想進(jìn)一步提高逆變器輸出功率，可很方便的拓展成多相多電平H橋結(jié)構(gòu)。

然而，隨著相數(shù)和電平數(shù)的增多，逆變器輸出的電壓矢量也成指數(shù)級增長[1]～[5]，以五相三電平H橋逆變器為例，其電壓矢量共有3125個，矢量分析和計算的復(fù)雜程度大大增加，傳統(tǒng)的空間矢量PWM控制方法難以直接應(yīng)用，為此，尋求一種簡化的多相多電平SVPWM控制方法是有必要的。文中提出了適用于這一結(jié)構(gòu)的移相SVPWM控制算法。并就二極管箝位式三電平逆變器中存在中點電位不平衡這一固有問題進(jìn)行了深入的分析，提出了通過交替選擇P型小矢量和N型小矢量，來抑制中點電壓不平衡的控制方法。

圖1 五相三電平H橋逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 五相三電平 H 橋逆變器的空間電壓矢量分析

五相三電平H橋逆變器電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，逆變器采用中點箝位式H橋型結(jié)構(gòu)。逆變器每相 H橋的左右橋臂分別有三個輸出狀態(tài)：T1、T2導(dǎo)通，T3、T4截止時，橋臂的開關(guān)狀態(tài)記為‘P’，輸出電壓為+UD/2；T2、T3導(dǎo)通，T1、T4 截止時，橋臂的開關(guān)狀態(tài)記為‘O’，輸出電壓為0；T3、T4導(dǎo)通，T1、T2截止時，橋臂的開關(guān)狀態(tài)記為‘N’，輸出電壓為-UD/2。因此，逆變器的每相H橋可以輸出五個電平，五相H橋共有3125個矢量，其矢量分析和選擇十分復(fù)雜，難以直接采用傳統(tǒng)的SVPWM控制算法。

定義左橋臂合成的空間矢量為：

同樣定義右橋臂合成的空間矢量為：

其中Sa+, Sa-, Sb+, Sb-, Sc+, Sc-, Sd+, Sd-, Se+,Se-=1,0,-1.

2 五相三電平H橋逆變器SVPWM的簡化算法

為了簡化控制算法，將五相三電平H橋的左橋臂和右橋臂均看作由單橋臂組成的五相，分別予以控制。采用移相控制的思想[6]～[8]，使左橋臂的輸出端電壓相對于右橋臂輸出端電壓移相位角 φ，設(shè)電壓參考矢量為 Vref，其幅值為|Vref|，相角為λ，將其分解為 V+、V-。則

通過分解，V+、V-可分別由左橋臂、右橋臂組成的五相所對應(yīng)的五相三電平空間矢量合成。這樣，只需分析清楚五相三電平空間矢量分布即可。

則此時逆變器的輸出空間電壓矢量為：

由（3）式可知，逆變器輸出空間電壓矢量相對于五個左橋臂合成的空間電壓矢量在空間上移相位角-(π-φ)/2，而輸出電壓矢量幅值為五個左橋臂合成矢量的2sinφ/2。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]分析，并不是所有的矢量都作為工作矢量，考慮到控制實現(xiàn)的方便，在本文中同樣選取大矢量Vl=0.6472 UD、中矢量Vm=0.6156 UD、小矢量Vh=0.3236 UD以及零矢量作為有效工作電壓矢量，這些矢量共有 43個，空間分布如圖2所示。

圖2 逆變器工作矢量的空間分布

通過這些矢量組合并采用移相控制思想，其控制效果可以使得每相五電平輸出。可見，采用該方法可以大大簡化 H橋逆變器的矢量控制算法。如圖2所示，選用的工作矢量組成的十邊形可等分為 10個扇區(qū)，扇區(qū)編號分別用0～9表示，由于每個扇區(qū)在空間上是對稱分布的，因此只需考慮對其中一個扇區(qū)進(jìn)行分析。

圖3 基于 36°g-h軸坐標(biāo)系的電壓矢量圖

將每個扇區(qū)劃分為A、B、C、D四個三角形區(qū)域，在每個扇區(qū)中建立基于 36°的 g-h軸坐標(biāo)系分別對V+、V-進(jìn)行定位，如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的方法，利用三矢量合成，可確定出各個橋臂在各控制周期內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)。這里，t0、t1、t2分別為扇區(qū)三角形中三個頂點對應(yīng)矢量的開關(guān)作用時間。

為使得工作矢量作用對稱，同時減小開關(guān)動作產(chǎn)生的諧波，將三角形A、B分別分為前后兩個小三角形。表1給出了當(dāng)參考電壓分量在空間上旋轉(zhuǎn)時，在扇區(qū)0中逆變器各右橋臂的工作矢量（開關(guān)狀態(tài)）作用順序（首發(fā)P型小矢量）和作用時間。同樣可確定左橋臂在不同時刻的開關(guān)狀態(tài)。

表1 扇區(qū)0中左橋臂的開關(guān)狀態(tài)及其作用時間

3 中點電位不平衡分析

五相三電平 H橋型逆變器采用二極管箝位式結(jié)構(gòu)，直流側(cè)由兩個支撐大電容C1和C2組成，且這兩個電容中間點O和箝位二極管的中點相連接。在這種連接方式下，中點O的電位會受到電流變化和開關(guān)狀態(tài)的影響而浮動。

以單個H橋為例，負(fù)載電流流向不同，隨著開關(guān)狀態(tài)的改變，逆變器橋臂中電流的流向也不同。

當(dāng)流過負(fù)載電流為正方向（由左至右），負(fù)載為感性負(fù)載時，單個H橋中不同開關(guān)狀態(tài)下，電流的流向如圖 4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)所示。

由前面分析可知，在圖 4(b)、(d)、(f)、(h)所示的情形下，中點電位會產(chǎn)生波動，即出現(xiàn)中點電壓不平衡；比較圖4(b)與圖4(f)、圖4(d)與圖4(h)可以看出，在輸出相電壓相同的情形下，它們的開關(guān)狀態(tài)不同，而對中點電位影響是相反的。同樣也可以分析流過負(fù)載電流流向為負(fù)方向的情形，也可得出類似的結(jié)論。對于五相三電平H橋型逆變器來說，可以根據(jù)各相H橋左右橋臂的開關(guān)狀態(tài)和流過負(fù)載電流的流向來分析對中點電位的影響。因此，在無需增加硬件條件的情況下，可以通過軟件控制開關(guān)狀態(tài)的切換來控制中點電位的波動。

對于五相三電平空間矢量來說，零矢量及大矢量沒有把中性點接到負(fù)載，所以中性點電壓不變化。中矢量因為使用正側(cè)和負(fù)側(cè)兩種直流電源，所以中性點電位的上升和下降與輸出電壓相位和負(fù)載的功率因素有關(guān)，導(dǎo)致中矢量引起的電壓不平衡在實驗中難以控制[10]。

圖4 單個H橋中相電流流向（負(fù)載電流為正）

小矢量總是成對出現(xiàn)，輸出電壓相同，但它們對于中點電壓的影響剛好相反。因此，可根據(jù)上下電容電壓UC1和UC2的差值（即配成對的 P型小矢量和 N型矢量的時間分配），對中點電壓予以控制。對于H橋這種結(jié)構(gòu)的電路，可以采用左橋臂首發(fā)P型小矢量，右橋臂首發(fā)N型小矢量的控制方式來控制電壓不平衡。

4 試驗

為了驗證以上控制算法的有效性，在以F2812+FPGA為主控制器、功率開關(guān)器件為IGCT的五相三電平H橋變頻器的試驗平臺上實現(xiàn)了上述控制方式。開關(guān)頻率fs=500 Hz，直流側(cè)母線電壓UD=400 V。圖5，6均為右橋臂輸出端電壓相對左橋臂移相 144°逆變器接阻感負(fù)載時的波形。

圖5 沒有中點控制時輸出相電壓及正負(fù)母線電壓波形（m=0.94,f=20 Hz）

圖6 有中點控制時輸出相電壓及正負(fù)母線電壓波形（m=0.94,f=20 Hz）

由于實驗過程中，沒有對流入中點的電流流向進(jìn)行檢測，僅僅根據(jù)正負(fù)母線電壓差來調(diào)節(jié)中點電位，所以中點電位的波動問題沒有得到徹底解決。但總體上來說，文中采用的中點控制方式在一定程度上有效抑制中點電壓的浮動。

5 結(jié)論

本文在對五相三電平 H橋型逆變器的空間電壓矢量進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出了適用于五相三電平 H橋逆變器的相移空間矢量控制算法。并在此基礎(chǔ)上，通過試驗實現(xiàn)了該控制方式，驗證了該方法的可行性。從試驗分析結(jié)果可以看出，該方法可以通過較少的矢量組合，實現(xiàn)相電壓為五電平輸出，并利用冗余小矢量對中點電位的調(diào)節(jié)，有效地改善了對電容電壓平衡控制。

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