有源中點鉗位5電平變流器SHE-PWM控制方法

李娜，周偉，何鳳有

（1.江蘇農林職業(yè)技術學院，江蘇鎮(zhèn)江212400；2.中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221006）

有源中點鉗位5電平變流器SHE-PWM控制方法

李娜1，周偉1，何鳳有2

（1.江蘇農林職業(yè)技術學院，江蘇鎮(zhèn)江212400；2.中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221006）

考慮到傳統(tǒng)二極管鉗位型和電容鉗位型拓撲應用于6 kV/10 kV高壓變頻領域時存在的諸多問題，提出了一種有源中點鉗位式（ANPC）5電平變流器選擇諧波消除脈寬調制（SHE-PWM）控制方法。在分析了ANPC 5電平拓撲各橋臂的基本結構的基礎上，建立了ANPC拓撲相關數學模型；分析了5電平SHE-PWM的基本原理，構建了以消除低次諧波為目標的非線性方程組，并基于牛頓迭代法給出N=7時的SHE-PWM相關解域；針對ANPC拓撲存在的飛跨電容穩(wěn)壓問題，分析了飛跨電容的穩(wěn)壓原理，進而給出了冗余電壓矢量調度方式。樣機實驗結果表明，所提ANPC 5電平拓撲SHE-PWM控制方法實現了低開關頻率下變流系統(tǒng)的高效控制，在消除系統(tǒng)低次諧波的基礎上，保證了直流電容和飛跨電容的穩(wěn)壓效果。

有源中點鉗位；5電平；選擇諧波消除脈寬調制；電容穩(wěn)壓

1 引言

為了滿足6 kV和10 kV高壓變頻領域的需求，利用低耐壓功率器件實現高壓、大功率變頻輸出，多電平變流技術得到了廣泛的關注［1-2］。然而，將中壓領域應用較為廣泛的二極管鉗位式拓撲和電容鉗位式拓撲推廣至5電平結構時，其存在系統(tǒng)結構復雜、控制難度高、可靠性降低等諸多缺陷。5電平有源中點鉗位（ANPC）式拓撲對經典三電平二極管鉗位式（NPC）［3］拓撲進行了如下2點改進：

1）將NPC拓撲中的鉗位二極管替換為可控型開關器件，即采取有源鉗位的方式；

2）在abc三相中各加入1個飛跨電容（fly capacitor，FC）來增加輸出電壓等級數。

有源中點鉗位［4］5電平拓撲的出現有效地彌補了二極管鉗位型拓撲和電容鉗位型拓撲的缺點，不僅使用的鉗位器件較少，而且從三電平推廣至5電平時僅需要控制1個母線中點電壓，可以通過控制算法實現其電壓平衡。

脈寬調制技術（PWM）［5］作為變流器輸出特性的關鍵，直接關系到變流器系統(tǒng)的輸出性能。在諸多脈寬調制技術中，特定諧波消除脈寬調制方法（SHE-PWM）［6］由于波形質量高、控制性能優(yōu)、開關頻率低、功率轉換效率高、直流電壓利用率高等特點，在高壓大功率領域具備較為突出的應用優(yōu)勢。本文提出了一種適用于ANPC 5電平變流器的SHE-PWM控制方法，在分析了ANPC 5電平拓撲各橋臂的基本結構的基礎上，建立了ANPC拓撲相關數學模型；分析了5電平SHE-PWM的基本原理，構建了以消除低次諧波為目標的非線性方程組，并基于牛頓迭代法給出N=7時的SHE-PWM相關解域；針對ANPC拓撲存在的飛跨電容穩(wěn)壓問題，分析了飛跨電容的穩(wěn)壓原理，進而給出了冗余電壓矢量調度方式。樣機實驗結果表明，所提ANPC 5電平拓撲SHE-PWM控制方法實現了低開關頻率（fs≈200 Hz）下的變流系統(tǒng)高效控制，在消除系統(tǒng)低次諧波的基礎上，保證了直流電容和飛跨電容的穩(wěn)壓效果。

2 有源中點鉗位5電平拓撲

如圖1所示為三相ANPC 5電平拓撲基本結構，由圖1可知，每相橋臂由功率開關器件和1個飛跨電容Cfx組成，其中x表示a，b，c三相中的一種。假設直流母線電壓為4Vdc，上下母線電容電壓為2Vdc，其中Vdc為飛跨電容Cfx兩端的電壓。如表1所示ANPC開關狀態(tài)及其對應輸出電壓等級Vout。

ANPC 5電平拓撲的基本目標為控制開關狀態(tài)來得到不同的相電壓輸出，為了實現上述控制目標，可對ANPC 5電平拓撲結構進行適當的簡化，如圖2所示。其中，在輸出的正半周期內，FC電路與直流側上母線電容C1相連接；在輸出的負半周期內，FC電路與直流側下母線電容C2相連接。至此，復雜的ANPC 5電平拓撲可以被簡化為一個簡單的三電平FC結構?？梢钥闯?，ANPC拓撲相電壓可以輸出-2Vdc～2Vdc5種電壓等級，表1中給出了ANPC拓撲開關狀態(tài)及其對應輸出電壓等級。

3 5電平SHE-PWM非線性方程組求解原理

SHE-PWM作為一種低開關頻率下的高效調制技術，其通過離線求取一個以消除特定次諧波為目標的非線性超越方程。如圖3所示為1/4周期內5電平SHE-PWM相電壓分布圖，其中α1～αN為SHE-PWM對應的N組相電壓開關角度，以α1～αN為系統(tǒng)變量，建立理想情況下的相電壓方程為

式中：M為系統(tǒng)調制度，M∈［0，2］；n=5，7，…，3N-2且N為奇數。

假設A1為調制電壓基波分量的幅值，此時其需要滿足以下約束

至此，在滿足式（2）的約束條件下求取式（1）所示的非線性超越方程。分析圖2可知，α1～αk為電壓0，1狀態(tài)跳變時對應的開關角，αk+m～αm為電壓1，2狀態(tài)跳變時對應的開關角，且k+m=N?？梢钥闯鰇，m的取值可為奇數或偶數，為了加速離線迭代求解的速度，加入一個隱含的系統(tǒng)約束來降低系統(tǒng)解域范圍，即令k為奇數、m為偶數。文獻［7］中指出，不同比例的k/m取值選擇將得到不同調制度下的SHE-PWM解，表2中列出了N=7時3種k/m取值下SHE-PWM的解域范圍。分析表2可知，通過選取多組不同的k/m值，并經過合理的組合后，即可得到一個全調制度范圍的SHE-PWM解域。圖4給出了一組k/m=3/4時的5電平SHE-PWM開關角度的解軌跡圖。

4 飛跨電容電壓控制

當ANPC拓撲的輸出狀態(tài)為±1時，將對FC進行充、放電操作，考慮到實際電流方向的不同，具體的V2，V3，V6，V7的充、放電狀態(tài)也不同。由此可見，通過對一個控制周期內電容電壓充、放電狀態(tài)的合理管理，可以維持FC電壓等于其期望值Vdc。

飛跨電容電壓控制結構圖如圖5所示，其中電容電壓給定值為Vdc。當實際電容電壓超出其上限（Vdc+h）時，此時電容電壓狀態(tài)（Scf）輸出1，該狀態(tài)表示FC電壓需要進行放電處理，反之則表明FC電壓需要進行充電處理；輸出電流狀態(tài)（SI）表示的是輸出電流的極性，當輸出電流為正值時SI=1，反之當輸出電流為負值時SI=-1。至此，根據Scf和SI的狀態(tài)即可確定最終輸出的開關序列。此外，根據調制電壓SV的極性即可確定零狀態(tài)的選擇值為V4或V5。表3中給出了飛跨電容電壓控制對應的開關序列選擇表，根據具體的系統(tǒng)狀態(tài)即可選擇出相應的開關序列，從而實現期望的充電、放電效果。

5 SHE-PWM系統(tǒng)實現

ANPC 5電平變流器SHE-PWM全局控制框圖如圖6所示，可以看出，閉環(huán)控制器計算得到調制度和相角的期望值，根據調制度期望值M查詢離線存儲的開關角查找表后，即可得出SHE-PWM對應的開關角度，隨后開關角度與三角波信號比較后即可生成相應的開關信號。最后，根據實時監(jiān)測的懸浮電容電壓狀態(tài)，采取圖6所示的懸浮電容電壓調節(jié)模式，即可輸出最終的PWM開關信號。

6 實驗與分析

為了驗證前文介紹的ANPC 5電平拓撲SHE-PWM控制方法的可行性和有效性，搭建了1臺如圖7所示的ANPC 5電平變流器的實驗樣機，其中功率開關器件為富士公司的2MBI100TA-060 IGBT模塊，相應的驅動為西門康公司所提供?？刂葡到y(tǒng)核心為德州儀器公司TMS320F28335型號32位浮點處理器，該處理器可以有效地保證SHE-PWM控制方法的實現。ANPC 5電平樣機的主要參數為：1/4周期內開關角個數7，飛跨電容680 μF，直流側電容2 000 μF，R-L負載R=22 Ω，L=10 mH，直流母線電壓200 V，系統(tǒng)控制頻率10 kHz。

ANPC 5電平變流器SHE-PWM實驗結果如圖8所示，其中取調制度M=1.2，k/m=3/4，懸浮電容誤差環(huán)寬為5%倍的Vdc。圖8a為相電壓uaN波形及其頻譜分析結果，可以看出uaN為一個5級階梯的電壓波形，相電壓中每1/4周期內僅包含7次開關狀態(tài)切換，保持著極低的系統(tǒng)開關頻率，從頻譜分析結果可知，uaN中的5，7，11，13，17，19次諧波基本被消除，但其中還存在著3倍頻率的次諧波分量；圖8b為線電壓uab波形及其頻譜分析結果，可以看出uab為一個7級階梯的電壓波形，由于abc三相的對稱性，uab的頻譜分析結果中不再包含3倍頻分量，其第1個諧波分量出現在23次諧波處，與前文分析的最大消諧值3N-2=19保持一致；圖8c為輸出相電流ia、飛跨電容電壓ucf以及上下母線電容電壓uc1，uc2，可以看出在低開關頻率下，ia依然保持著較高的正弦度，ucf的電壓波動也被控制在誤差允許的范圍之內（5%倍Vdc之內），uc1，uc2的電壓與其期望值（2Vdc）保持一致。綜上所述，當ANPC 5電平變流器運行于低開關頻率下（fs≈200 Hz）時，系統(tǒng)依然可以保持極為優(yōu)異的穩(wěn)態(tài)控制效果。

7 結論

本文研究了一種適用于ANPC 5電平變流器的SHE-PWM控制方法，通過相關理論分析和樣機實驗驗證可以得出以下結論：1）ANPC 5電平拓撲相電壓可以輸出-2Vdc～2Vdc5種電壓等級的波形，實現了低耐壓功率器件在高壓場合的應用；2）SHE-PWM控制方法可以消除輸出PWM波形中的低次諧波，實現低開關頻率下的變流器高效控制；3）飛跨電容電壓控制可以保證Vcf維持在期望值誤差允許范圍之內，保證了輸出電壓波形的質量。

［1］林青松，劉躍敏，蘭冠鵬，等.級聯型逆變器的新型多電平SVPWM研究［J］.電氣傳動，2011，41（12）：46-49.

［2］Meynard T A，Foch H.Multilevel Conversion：High Voltage Choppers and Voltage Source Inverters［C］//PESC 1992 Re?cord，23rd Annual IEEE,1992:397-403.

［3］許春雨，劉梅.三電平逆變器中點電位平衡控制的研究［J］.電氣傳動，2012，42（2）：40-43.

［4］王奎，鄭澤東，李永東.五電平有源中點鉗位型逆變器母線中點電壓平衡問題［J］.中國電機工程學報，2012，32（3）：30-35.

［5］李君，李毓洲.無速度傳感器永磁同步電機的SVM-DTC控制［J］.中國電機工程學報，2007，27（3）：28-34.

［6］都小利，費萬民.多電平逆變器半周期對策SHEPWM方法［J］.電工技術學報，2010，25（4）：95-102.

［7］Li Li，Dariusz Czarkowski，Liu Yaguang.Multilevel Selective Harmonic Elimination PWM Technique in Series?connected Voltage Inverter［J］.IEEE Transaction on Industry Applica?tion，2000，36（1）：160–170.

SHE-PWM Method of Active Neutral Point Clamped Five Levels Converter

LI Na1，ZHOU Wei1，HE Feng?you2
（1.Jiangsu Polytechnic College of Agriculture and Forestry，Zhenjiang 212400，Jiangsu，China；2.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221006，Jiangsu，China）

There exist many problems when diode?clamped converters and flying?capacitor converters are applied to 6 kV/10 kV high voltage variable frequency domain.A selective harmonic elimination pulse width modulation（SHE-PWM）method of active neutral point clamped（ANPC）five levels converter was proposed.First the basic structure of the five level ANPC topology was analysed，and the related mathematical model was established.Then the basic principle of five level SHE-PWM was analysed，the nonlinear equations for the targets of eliminate low order harmonics were built，and the solution domain of N=7 were solved by Newton iterative method.To solve the voltage stability problem of the flying capacitor of ANPC topology，the principle of the voltage stability problem of the flying capacitor was analysed，and the redundant voltage vector scheduling was presented.Prototype experimental results show that the proposed SHE-PWM method of ANPC five level converter can high efficient control of converter under a low switching frequency.On the basis of the low order harmonics are eliminated，it ensures the effect of the voltage stability of DC capacity and flying capacity.

active neutral point clamped（ANPC）；five level；selective harmonic elimination pulse width modulation（SHE-PWM）；voltage stability of capacity

TD631

A

2014-01-09

修改稿日期：2014-06-18

李娜（1984-），女，講師，碩士研究生，Email：jsjr_ln@126.com