有源中點(diǎn)鉗位五電平逆變器懸浮電容預(yù)充電控制策略

李科峰 高 山 劉計(jì)龍 肖 飛 麥志勤

有源中點(diǎn)鉗位五電平逆變器懸浮電容預(yù)充電控制策略

李科峰 高 山 劉計(jì)龍 肖 飛 麥志勤

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

有源中點(diǎn)鉗位五電平（ANPC-5L）拓?fù)涫且环N適用于中高壓變頻驅(qū)動(dòng)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有ANPC-5L逆變器懸浮電容預(yù)充電方法具有簡(jiǎn)單可靠、不需要外部充電電路等優(yōu)勢(shì)，但也存在開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力過(guò)大、強(qiáng)制互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)管直通等不足。針對(duì)此問(wèn)題，該文提出一種懸浮電容預(yù)充電控制策略，通過(guò)在交流側(cè)布置預(yù)充電電阻，即可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)支撐電容和橋臂內(nèi)懸浮電容同時(shí)預(yù)充電，預(yù)充電過(guò)程中既可以確保支撐電容中點(diǎn)電位為母線(xiàn)電壓的一半，也可以確保各橋臂懸浮電容電壓為母線(xiàn)電壓的四分之一。該文分析預(yù)充電過(guò)程的等效電路，推導(dǎo)預(yù)充電過(guò)程中電容電壓的時(shí)域解析表達(dá)式，得出預(yù)充電電路參數(shù)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。通過(guò)電路仿真，對(duì)所提預(yù)充電控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)在一臺(tái)功率等級(jí)為100kW的ANPC-5L逆變器樣機(jī)上對(duì)所提控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

有源中點(diǎn)鉗位 五電平 懸浮電容 預(yù)充電 電容電壓控制

0 引言

有源中點(diǎn)鉗位五電平（Active Neutral-Point- Clamped Five-Level，ANPC-5L）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自2005年被提出以來(lái)，因其輸出電平多、開(kāi)關(guān)管承受電壓應(yīng)力低和控制冗余性高等優(yōu)勢(shì)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是具有廣闊應(yīng)用前景的多電平拓?fù)涞牡湫痛韀1-6]。作為一種新型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ANPC-5L拓?fù)浔苊饬四K化多電平拓?fù)渲凶幽K電壓不均衡且存在波動(dòng)的問(wèn)題，也克服了傳統(tǒng)二極管鉗位拓?fù)浜惋w跨電容多電平拓?fù)浯嬖诘你Q位中點(diǎn)多、器件數(shù)量多等不足，其實(shí)用性已經(jīng)歷了相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的驗(yàn)證[6-9]。由于ANPC-5L拓?fù)渲挥幸粋€(gè)母線(xiàn)中點(diǎn)，多數(shù)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率和輸出基頻保持一致，只有少部分器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)[10-12]。該拓?fù)浼扔欣诤?jiǎn)化控制算法，又有利于降低裝置的總體損耗、提高電能變換效率。ANPC-5L拓?fù)渲懈鏖_(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為母線(xiàn)電壓的四分之一，非常適合應(yīng)用于中高壓變頻驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域[13-14]。因此，研究ANPC-5L逆變器及其控制策略具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[15-16]。

ANPC-5L逆變器拓?fù)渲写嬖趦煞N類(lèi)型的電容：一種為直流母線(xiàn)的支撐電容，支撐電容分為上半母線(xiàn)支撐電容和下半母線(xiàn)支撐電容；另一種為橋臂內(nèi)的懸浮電容，各橋臂內(nèi)均有一個(gè)懸浮電容。ANPC- 5L逆變器正常工作的前提[12, 17-18]是控制支撐電容的中點(diǎn)電位為直流母線(xiàn)電壓的一半，懸浮電容電壓為直流母線(xiàn)電壓的四分之一。控制支撐電容和懸浮電容電壓一方面是ANPC-5L逆變器輸出五種標(biāo)準(zhǔn)電壓的前提；另一方面是避免開(kāi)關(guān)管承受過(guò)高電壓應(yīng)力的重要保證[19]。因此，支撐電容和懸浮電容預(yù)充電是ANPC-5L逆變器起動(dòng)運(yùn)行前的必要環(huán)節(jié)。

目前，多數(shù)學(xué)者都是基于低壓小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展ANPC-5L逆變器的研究，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)額外的獨(dú)立電源對(duì)懸浮電容預(yù)充電[20-22]。但是該方法一方面操作復(fù)雜度高、成本需求大；另一方面對(duì)充電精度和三相懸浮電容電壓一致性難以保證，不適用于高壓大功率場(chǎng)合。針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)[19]提出了一種依靠ANPC-5L本體電路進(jìn)行懸浮電容預(yù)充電的方法。該方案通過(guò)合理地選取開(kāi)關(guān)模態(tài)，將相鄰兩相ANPC-5L拓?fù)涞刃锽oost電路，將電機(jī)負(fù)載等效為預(yù)充電回路的阻感負(fù)載，在小電流工況下利用直流母線(xiàn)電壓依次對(duì)三相懸浮電容充電。但由于該策略對(duì)支撐電容和懸浮電容充電是獨(dú)立進(jìn)行的，一方面增加了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；另一方面會(huì)在充電過(guò)程中出現(xiàn)部分開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力加倍的問(wèn)題。為避免開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，文獻(xiàn)[23]提出了一種ANPC-5L整流器的電容預(yù)充電方法。該方法在設(shè)置交流側(cè)充電電路的基礎(chǔ)上有序控制各相橋臂開(kāi)關(guān)管通斷，并且分四個(gè)階段對(duì)懸浮電容及支撐電容充電。然而，該方法需要額外的三相380V充電電源及變壓器，增加了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；且在充電過(guò)程中存在橋臂內(nèi)互補(bǔ)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的情況，極大地增加了安全隱患，這在高壓大功率工程應(yīng)用場(chǎng)合中應(yīng)當(dāng)是被禁止的。文獻(xiàn)[3]提出了一種在ANPC-5L逆變器運(yùn)行過(guò)程中的懸浮電容電壓控制策略，該控制策略可以在ANPC-5L逆變器起動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)將懸浮電容充電至直流母線(xiàn)電壓的四分之一，但其仍存在開(kāi)關(guān)管承受電壓應(yīng)力加倍的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)型的懸浮電容預(yù)充電控制策略，該策略不需要額外的獨(dú)立充電電源，只需要在逆變器的三相輸出端口布置一套小功率三相充電電阻。預(yù)充電過(guò)程均利用ANPC-5L逆變器正常的開(kāi)關(guān)模態(tài)，避免了出現(xiàn)強(qiáng)制互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的情況。該策略可以實(shí)現(xiàn)支撐電容和懸浮電容同時(shí)預(yù)充電，既可以保證支撐電容中點(diǎn)電位為母線(xiàn)電壓的一半，又可以保證三相橋臂的懸浮電容電壓均為母線(xiàn)電壓的四分之一。理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了所提充電策略的正確性和實(shí)用性。

1 ANPC-5L基本原理及電壓應(yīng)力分析

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及開(kāi)關(guān)模態(tài)

圖1 單個(gè)ANPC-5L橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Fig.1 Topology of single ANPC-5L bridge

表1 單個(gè)ANPC-5L橋臂的開(kāi)關(guān)模態(tài)

Tab.1 Switch modes of single ANPC-5L bridge

1.2 開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力分析

半母線(xiàn)電容充電完成后，ANPC-5L逆變器若在懸浮電容未充電情況下開(kāi)始運(yùn)行，開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)力可達(dá)2，是正常工況下電壓應(yīng)力的2倍，這無(wú)疑對(duì)開(kāi)關(guān)器件提出了更高的要求。因此，懸浮電容預(yù)充電是ANPC-5L逆變器正常運(yùn)行必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2 傳統(tǒng)懸浮電容預(yù)充電控制策略

本節(jié)對(duì)三種現(xiàn)有的ANPC-5L逆變器懸浮電容預(yù)充電控制策略進(jìn)行介紹，分析各個(gè)策略的優(yōu)勢(shì)及其存在的不足，明確預(yù)充電控制策略的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，增加解決問(wèn)題的針對(duì)性。

2.1 基于交流側(cè)負(fù)載的預(yù)充電策略

圖2 電容預(yù)充電電流流通路徑

該充電策略中，某一時(shí)刻只有相鄰兩相的開(kāi)關(guān)管動(dòng)作，對(duì)前一相懸浮電容充電。當(dāng)某一相電容充滿(mǎn)電后更換動(dòng)作相，對(duì)下一相電容進(jìn)行充電，直至將所有電容充電至目標(biāo)值。

2.2 基于交流側(cè)電源的預(yù)充電策略

圖3 ANPC-5L整流器電容預(yù)充電等效電路

第一階段，所有開(kāi)關(guān)管均為關(guān)閉狀態(tài)，每相二極管VD1、VD2、VD5、VD6、VD7、VD8、VD11、VD12導(dǎo)通，等效電路為三相全橋不控整流電路，整流輸出側(cè)為2個(gè)半母線(xiàn)支撐電容串聯(lián)，每個(gè)支撐電容充電目標(biāo)值均為。

第四階段與第三階段同理，因此不再贅述。

2.3 基于逆變器起動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)預(yù)充電策略

文獻(xiàn)[3]提出了一種在ANPC-5L逆變器起動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)各橋臂懸浮電容預(yù)充電的策略。在母線(xiàn)支撐電容預(yù)充電完畢的基礎(chǔ)上，通過(guò)提出的懸浮電容電壓控制策略在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)懸浮電容充電。由于逆變器初始狀態(tài)懸浮電容電壓為0，支撐電容電壓為母線(xiàn)電壓的二分之一，該策略會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力加倍的問(wèn)題。在預(yù)充電初始狀態(tài)下，以開(kāi)關(guān)模態(tài)M6為例進(jìn)行分析，開(kāi)關(guān)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 單個(gè)ANPC-5L橋臂開(kāi)關(guān)模態(tài)M6

2.4 傳統(tǒng)懸浮電容預(yù)充電策略的優(yōu)勢(shì)及不足

文獻(xiàn)[19]的方法不需要添加任何額外的器件，因此沒(méi)有任何額外的成本代價(jià)，只利用電路本身和交流側(cè)負(fù)載，即可完成懸浮電容預(yù)充電。然而，該方法必須要對(duì)支撐電容和懸浮電容分步充電，在懸浮電容充電過(guò)程中依次對(duì)三相懸浮電容充電。一方面，該方法存在高頻側(cè)開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力加倍的問(wèn)題；另一方面，預(yù)充電過(guò)程中流過(guò)負(fù)載的充電電流可能會(huì)對(duì)交流側(cè)負(fù)載帶來(lái)不利的影響。

文獻(xiàn)[23]的方法中，充電電流不流經(jīng)交流側(cè)負(fù)載，不會(huì)對(duì)交流側(cè)負(fù)載產(chǎn)生干擾；也避免了文獻(xiàn)[19]中開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力加倍的問(wèn)題。但其需要額外設(shè)置三相交流預(yù)充電電源且需要分步對(duì)電容進(jìn)行充電。該策略一方面過(guò)程復(fù)雜，對(duì)控制時(shí)序提出了很高的要求；另一方面在第二階段中需要強(qiáng)制本應(yīng)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，大大增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素，極大地降低了其在工程應(yīng)用中的可行性。

文獻(xiàn)[3]通過(guò)提出的懸浮電容電壓控制策略在ANPC-5L逆變器起動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)懸浮電容充電，不需要增加額外的元器件，也不需要單獨(dú)的懸浮電容預(yù)充電過(guò)程，但其仍然存在開(kāi)關(guān)管承受電壓應(yīng)力加倍的問(wèn)題。

3 懸浮電容預(yù)充電控制策略

針對(duì)以上預(yù)充電策略中存在的不足，提出了一種ANPC-5L逆變器懸浮電容預(yù)充電控制策略，本節(jié)分別從預(yù)充電電路結(jié)構(gòu)及充電流程、模態(tài)選取原則、預(yù)充電等效電路分析三方面進(jìn)行介紹。

3.1 預(yù)充電電路結(jié)構(gòu)及充電流程

圖5 ANPC-5L逆變器預(yù)充電電路

3.2 ANPC-5L逆變器模態(tài)選取原則

本節(jié)介紹預(yù)充電過(guò)程中橋臂開(kāi)關(guān)模態(tài)的選取原則。懸浮電容預(yù)充電有兩種充電路徑：一種充電路徑可以升高中點(diǎn)電位；另一種充電路徑可以降低中點(diǎn)電位。根據(jù)當(dāng)前中點(diǎn)電位偏差和當(dāng)前懸浮電容電壓的狀態(tài)選擇相應(yīng)的開(kāi)關(guān)模態(tài)。下面對(duì)充電路徑和相應(yīng)開(kāi)關(guān)模態(tài)進(jìn)行舉例分析。

當(dāng)支撐電容中點(diǎn)電位小于直流母線(xiàn)電壓的二分之一時(shí)，選取預(yù)充電路徑1，其示意圖如圖6所示。在預(yù)充電路徑1中，有一相橋臂處于滿(mǎn)電流充電狀態(tài)，開(kāi)關(guān)模態(tài)為M6，如圖6a所示；另外兩相橋臂處于半電流充電狀態(tài)，開(kāi)關(guān)模態(tài)為M5，如圖6b所示。在預(yù)充電過(guò)程中，使懸浮電容電壓最低的一相橋臂處于滿(mǎn)電流充電狀態(tài)，另外兩相橋臂處于半電流充電狀態(tài)。從交流側(cè)觀察，充電電流從處于開(kāi)關(guān)模態(tài)M6的橋臂流出，從處于開(kāi)關(guān)模態(tài)M5的另外兩個(gè)橋臂流入；從直流側(cè)觀察，電流從正母線(xiàn)流出，最終流入支撐電容中點(diǎn)，支撐電容中點(diǎn)電位升高。

當(dāng)支撐電容中點(diǎn)電位大于直流母線(xiàn)電壓的二分之一時(shí)，選取預(yù)充電路徑2，其示意圖如圖7所示。在預(yù)充電路徑2中，有一相橋臂處于滿(mǎn)電流充電狀態(tài)，開(kāi)關(guān)模態(tài)為M2，如圖7a所示；另外兩相橋臂處于半電流充電狀態(tài)，開(kāi)關(guān)模態(tài)為M1，如圖7b所示。在預(yù)充電過(guò)程中，使懸浮電容電壓最低的一相橋臂處于滿(mǎn)電流充電狀態(tài)，另外兩相橋臂處于半電流充電狀態(tài)。從交流側(cè)觀察，充電電流從處于開(kāi)關(guān)模態(tài)M2的橋臂流出，從處于開(kāi)關(guān)模態(tài)M1的另外兩個(gè)橋臂流入；從直流側(cè)觀察，電流從支撐電容中點(diǎn)流出，最終流入負(fù)母線(xiàn)，支撐電容中點(diǎn)電位降低。

圖6 預(yù)充電電流路徑1示意圖

圖7 預(yù)充電電流路徑2示意圖

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（本文中開(kāi)關(guān)周期為200ms）開(kāi)始時(shí)，根據(jù)當(dāng)前支撐電容中點(diǎn)電位大小選擇充電路徑1或充電路徑2；比較三相懸浮電容電壓，電壓最小的相進(jìn)行滿(mǎn)電流充電，其余兩相進(jìn)行半電流充電。開(kāi)關(guān)模態(tài)選擇依據(jù)見(jiàn)表2，根據(jù)模態(tài)動(dòng)作規(guī)則可知，在整個(gè)充電過(guò)程中，三相懸浮電容會(huì)輪流充當(dāng)電壓最小的角色，依次進(jìn)行滿(mǎn)電流充電。

表2 ANPC-5L逆變器開(kāi)關(guān)模態(tài)選擇依據(jù)

Tab.2 Selection basis of ANPC-5L switch mode

3.3 懸浮電容預(yù)充電等效電路分析

3.3.1 懸浮電容預(yù)充電電流路徑

ANPC-5L電容預(yù)充電過(guò)程中，電能從直流母線(xiàn)流向相支撐電容、懸浮電容和預(yù)充電電阻。為保持支撐電容電壓平衡，充電過(guò)程中會(huì)交替采用充電路徑1和充電路徑2，兩個(gè)充電路徑平均作用時(shí)間相等。由于兩個(gè)充電路徑對(duì)三相懸浮電容電壓的影響是相同的，因此選取充電路徑1為例進(jìn)行分析。

圖8 預(yù)充電路徑1等效電路

3.3.2 懸浮電容電壓解析表達(dá)式推導(dǎo)分析

由于預(yù)充電過(guò)程中各橋臂的開(kāi)關(guān)模態(tài)在不斷變化，因此充電電路是一種線(xiàn)性時(shí)變電路，無(wú)法使用線(xiàn)性時(shí)不變電路理論進(jìn)行分析。然而，為了表征整個(gè)充電過(guò)程中懸浮電容電壓變化的統(tǒng)一性規(guī)律，必須對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化和等效。由于充電完成后三相懸浮電容電壓均為，所以等效后最終的電容電壓同樣應(yīng)為，簡(jiǎn)化后的懸浮電容充電回路中應(yīng)當(dāng)有兩組電阻和電容串聯(lián)，預(yù)充電路徑1簡(jiǎn)化等效電路如圖9所示。圖中，up為支撐電容up的電流。

圖9 預(yù)充電路徑1簡(jiǎn)化等效電路

根據(jù)KCL有

式中，up為支撐電容up的電壓；eq為電容eq的電壓。根據(jù)KVL有

3.3.3 支撐電容電壓解析表達(dá)式推導(dǎo)分析

聯(lián)立式（5）、式（6）可得

其中

3.3.4 預(yù)充電電阻設(shè)計(jì)原則

由3.3.2節(jié)可知，直流側(cè)充電電阻cd會(huì)對(duì)整個(gè)預(yù)充電過(guò)程所需的時(shí)間產(chǎn)生影響。假設(shè)只給支撐電容充電，按照15s（5倍充電時(shí)間常數(shù)）內(nèi)完成充電這一要求進(jìn)行計(jì)算，如式（19）所示，得到cd的范圍，如式（20）所示。然而，考慮到實(shí)際充電過(guò)程中直流母線(xiàn)同時(shí)給交流側(cè)懸浮電容充電，會(huì)延緩整個(gè)充電進(jìn)程。因此，確定直流側(cè)充電電阻阻值為180W。

圖10 不同Rfcd取值下開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 仿真證明

為了證明所提控制策略及理論分析的正確性，本節(jié)對(duì)ANPC-5L懸浮電容預(yù)充電控制策略進(jìn)行仿真，采用的仿真環(huán)境為PLECS 4.1，具體仿真參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 ANPC-5L逆變器仿真參數(shù)

Tab.3 Simulation parameters of ANPC-5L inverter

首先采用懸浮電容充電電阻fcd=180W進(jìn)行仿真證明，觀察預(yù)充電過(guò)程中支撐電容電壓、懸浮電容電壓和開(kāi)關(guān)管承受最大電壓應(yīng)力的變化情況。預(yù)充電過(guò)程中電容電壓仿真及解析計(jì)算結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，充電過(guò)程中兩個(gè)支撐電容電壓基本保持一致，保證了支撐電容中點(diǎn)電位始終為直流母線(xiàn)電壓的一半。三相懸浮電容電壓基本保持一致，且最終達(dá)到母線(xiàn)電壓的四分之一。圖11中虛線(xiàn)為支撐電容電壓的解析計(jì)算結(jié)果，可知解析計(jì)算與仿真結(jié)果基本保持一致。

圖11 電容電壓仿真及解析計(jì)算結(jié)果（Rfcd=180W）

圖12 電容電壓仿真及解析計(jì)算結(jié)果（Rfcd=90W）

根據(jù)理論分析可知，預(yù)充電過(guò)程中開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)力為當(dāng)前時(shí)刻支撐電容電壓與懸浮電容電壓之差。根據(jù)該數(shù)學(xué)關(guān)系繪制預(yù)充電過(guò)程中開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力曲線(xiàn)，如圖13所示。由圖13可知，預(yù)充電過(guò)程中開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)力隨母線(xiàn)電壓上升而不斷升高且最終均穩(wěn)定在直流母線(xiàn)電壓的四分之一（250V）。懸浮電容充電電阻由180W減小至90W時(shí)，由于懸浮電容充電速度增加，充電過(guò)程中懸浮電容電壓與支撐電容電壓的差值有所減小，可見(jiàn)預(yù)充電過(guò)程中開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓應(yīng)力有所減小，仿真與理論分析結(jié)果一致。

圖13 預(yù)充電過(guò)程開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力仿真結(jié)果

圖14為預(yù)充電過(guò)程中電壓最小的懸浮電容對(duì)應(yīng)相的仿真結(jié)果。由圖14可知，三相懸浮電容輪流扮演電壓最小的角色，按次序進(jìn)行滿(mǎn)電流充電，仿真與理論分析結(jié)果一致。

圖14 最小懸浮電容電壓對(duì)應(yīng)相仿真結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)一臺(tái)100kW的ANPC-5L三相逆變器樣機(jī)對(duì)所提電容預(yù)充電策略進(jìn)行驗(yàn)證。樣機(jī)中采用的IGBT型號(hào)為FF450R12ME4，母線(xiàn)支撐電容為21mF，懸浮電容容值為5mF，直流充電電阻為180W。實(shí)驗(yàn)參數(shù)均與仿真參數(shù)保持一致，分別在懸浮電容預(yù)充電電阻為180W、90W的工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖15所示。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制器包含1臺(tái)中央控制器和3臺(tái)底層控制器，中央控制器是基于TMS320C6678的8核數(shù)字信號(hào)處理芯片，主頻為1GHz，負(fù)責(zé)核心算法的執(zhí)行。底層控制器采用FPGA芯片，主要負(fù)責(zé)模擬采樣及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的生成。中央控制器和3臺(tái)底層控制器采用星形通信架構(gòu)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間采用光纖通信，通信速率為20Mbit/s。中央控制器和上位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，采用UDP通信協(xié)議。

圖15 ANPC-5L逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要通過(guò)兩種方式記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：一種是通過(guò)泰克MSO44示波器記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；另一種是將控制芯片內(nèi)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)保存在RAM芯片中，待逆變器運(yùn)行結(jié)束后通過(guò)以太網(wǎng)將RAM中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。

圖16為ANPC-5L逆變器懸浮電容預(yù)充電過(guò)程的支撐電容電壓和三相懸浮電容電壓的波形。由圖16可知，12.5s內(nèi)所有電容均預(yù)充電至目標(biāo)電壓，充電過(guò)程中兩個(gè)支撐電容電壓基本一致，保證了支撐電容中點(diǎn)電位始終為直流母線(xiàn)電壓的一半。三相懸浮電容電壓基本一致，且最終達(dá)到母線(xiàn)電壓的四分之一，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)波形與仿真結(jié)果及理論分析相符。

圖16 預(yù)充電過(guò)程電容電壓實(shí)驗(yàn)波形（Rfcd=180W）

將懸浮電容充電電阻調(diào)整為90W再次實(shí)驗(yàn)，得到預(yù)充電過(guò)程電容電壓波形如圖17所示。

圖17 預(yù)充電過(guò)程電容電壓實(shí)驗(yàn)波形（Rfcd=90W）

由圖17可知，懸浮電容充電電阻為90W時(shí)，穩(wěn)態(tài)結(jié)果與充電電阻為180W的結(jié)果相同，充電過(guò)程中懸浮電容電壓上升速度略有增加，與仿真相符。

圖18為根據(jù)預(yù)充電過(guò)程中支撐電容電壓及懸浮電容電壓波形繪制的開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力曲線(xiàn)。隨著直流母線(xiàn)電壓不斷升高，最大電壓應(yīng)力從零上升至直流母線(xiàn)電壓的四分之一，且懸浮電容充電電阻為90W時(shí)開(kāi)關(guān)管充電過(guò)程中，承受的電壓應(yīng)力明顯小于懸浮電容充電電阻為180W時(shí)承受的電壓應(yīng)力，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果及理論分析相符。

圖18 預(yù)充電過(guò)程開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力曲線(xiàn)

6 結(jié)論

本文針對(duì)ANPC-5L逆變器懸浮電容預(yù)充電策略進(jìn)行了研究，主要完成了以下幾方面的工作：

1）從實(shí)際需求角度出發(fā)，分析了懸浮電容預(yù)充電過(guò)程的必要性，剖析了現(xiàn)有ANPC-5L逆變器懸浮電容預(yù)充電方案存在的缺陷。

2）提出了一種ANPC-5L逆變器懸浮電容預(yù)充電控制策略。給出了充電過(guò)程中開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作原則和具體實(shí)現(xiàn)方案，推導(dǎo)了充電過(guò)程中懸浮電容和支撐電容電壓隨時(shí)間變化的解析表達(dá)式，得出了懸浮電容預(yù)充電方案的理論依據(jù)。

3）從解析計(jì)算、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)角度驗(yàn)證了所提預(yù)充電策略的正確性和有效性。所提預(yù)充電策略可以在充電過(guò)程中保持支撐電容中點(diǎn)電位為母線(xiàn)電壓的一半，三相懸浮電容電壓保持一致且最終達(dá)到母線(xiàn)電壓的四分之一。

4）所提預(yù)充電策略簡(jiǎn)單可靠、實(shí)現(xiàn)方便。不僅可以避免傳統(tǒng)預(yù)充電策略中本應(yīng)互補(bǔ)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的問(wèn)題，也可以避免預(yù)充電過(guò)程中開(kāi)關(guān)管承受過(guò)高的電壓應(yīng)力的問(wèn)題。

本文的研究成果對(duì)ANPC-5L逆變器的理論研究和工程應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

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Floating Capacitor Pre-Charging Control Strategy for Five-Level Active Neutral-Point-Clamped Inverter

（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Active neutral-point-clamped five-level (ANPC-5L) is a new topology suitable for medium and high voltage variable frequency drives. The existing floating capacitor pre-charging methods of ANPC-5L inverter are simple and reliable, and do not need external pre-charging circuits. However, there are also shortcomings such as excessive voltage stress on the switch component and forcing complementary switch component pass-through. Therefore, a floating capacitor pre-charging control strategy is proposed. By setting pre-charging resistors on the AC side, the proposed control strategy can charge DC-link capacitors and floating capacitors simultaneously, which can ensure that the neutral point potential of DC-link capacitors is half of the DC-link voltage and floating capacitor voltage is one fourth of the DC-link voltage during the pre-charging process. The equivalent circuits in pre-charging process are analyzed, the time-domain expressions of capacitor voltage are derived and the theoretical basis for parameter design of the pre-charging circuit is obtained. The proposed pre-charging control strategy is verified by circuit simulation. Meanwhile, experimental verification of the proposed strategy is conducted on a 100kW ANPC-5L inverter prototype.

Active neutral-point-clamped (ANPC), five-level, floating capacitor, pre-charge, capacitor voltage control

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210276

TM464

李科峰 男，1997年生，博士研究生，研究方向?yàn)橛性粗悬c(diǎn)鉗位逆變器、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。E-mail: lkf_xaut_2015@163.com

劉計(jì)龍 男，1988年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟K化多電平變換器、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)等。E-mail: 66976@163.com（通信作者）

2021-03-03

2021-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（51807200）和國(guó)防科技卓越青年科學(xué)基金（2018-JCJQ-ZQ-002）資助項(xiàng)目。

（編輯 陳 誠(chéng)）