、ｂｌ－３５ Ｎｏ．２ ２０１ ５．２ 船电技术Ｉ应用研究 基于五相三电平全桥逆变器中点 电位控制算法研究 阮会，何钰明，胡传西 （武汉船用电力推进装在研究所，武汉４３００６４） 摘要：基于三相三电平ＳＶＰＷＭ算法，通过合理选择工作电压矢量及开关作用顺序，计算开关周期内各 电压矢量作用时间，推导出五相三电平全桥ＳＶＰＷＭ算法；提出利用冗余矢量、结合负载电流方向调节中 点电位的控制算法，并对其进行了仿真、实验验证，具有很好的工程应用价值。 关键词：中点电位平衡调节 三电平 五相中图分类号：ＴＭ４６４ ＳＶＰＷＭ 文章编号：１００３．４８６２（２０１５）０２．０００１．０５ 文献标识码：Ａ 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） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅ ｏｎ ｉｖｅ ｆｐｈａｓｅ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ ｂｒｉｄｇｅ ＳＶＰＷＭ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ，ｆｉｖｅ－ｐｈａｓｅ ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ｂｒｉｄｇｅ ＳＶＰＷＭ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ｓｅｌｅｃｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｖｅｃｔｏｒ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｗｉｔｃｈ ｃｙｃｌｅ．Ｎｅｔｒａｌ－ｐｏｉｎｔ ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｖａｌｕｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｄｐｏｉｎｔ ｌｅｖｅｌ ｂａｌａｎｃｅ ａｄｊｕｓｔ；ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ，＂ｉｖｅ ｆｐｈａｓｅ，＂ＳＶＰＷＭ ０ 引言 随着舰船电力推进技术的快速发展，对舰船 逆变器的广泛应用。 ２ｌ世纪前后，国内、外学者先后对三电平逆 变器中点电位平衡调节算法开展了研究。主要采 取了根据负载电流的方向选择对中点电位相反作 用的电压矢量来调整中点电位，其研究主要集中 在三相三电平全桥上，对五相三电平全桥逆变器 中点电位平衡调节算法研究甚少。如何解决五相 电力推进装置的功率要求越来越大、电压等级越 来越高，传统的三相两电平逆变器无法满足要求， 而多相三电平逆变器以其输出电压谐波小、可靠 性高、对电机的绝缘损害低、ＥＭＩ低等优点使得 其适合舰船电力推进系统的应用。 多相三电平逆变器工作时，存在零电平等续 流过程，电流会流出或流入中点，对电容进行充 三电平全桥逆变器中点电位偏移问题，使其能被 广泛应用，成为一个迫在眉睫的研究课题。 本课题正是在此研究背景下开展的，基于推 电或放电，使电容中点电位失去平衡，导致输出 电压谐波含量增加，影响功率器件、直流侧电容 的使用寿命和设备安全，严重制约了多相三电平 收稿日期：２０１４．０９．０３ 基金项 目：国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＧ０３Ｂ０１）资 助 导出的五相三电平ＳＶＰＷＭ调制算法，本文通过 分析五相三电平全桥逆变器开关矢量对中点电位 的影响，提出了一种利用冗余矢量、结合负载电 流方向调节中点电位的控制算法。 １五相三电平ＳＶＰＷＭ调制 五相三电平全桥逆’ 器拓扑结构如图ｌ所 ｌ 作者简介：阮会ｆ １９８２．），男，工程师（硕士）。研究方 向：舰船电力拊 系统。 船电技术ｌ应用研究 、，ｏ１．３５ Ｎｏ．２ ２０１５．２ 示，各相输出电压有三个状态（１、０、一１），用开 量，计算合成电压矢量的各特定矢量作用时间， 关函数Ｓｊ ０＝Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）表示，五相合成电 我们将３６０ｏ的区间等分成ｌ０个扇区，并根据静 压矢量可表示为： 止两相坐标系下的电压矢量大小和相互关系来判 Ｕ＝ ２（ ＋ Ｂ。ｅ 了＋ＶＰ 了＋ Ａ（】Ｃｏｅ：Ｔ＋ 。ｅ ＿＿） 断合成电压矢量落在那个扇区，判断条件如表１ 所示： ：晕（ｓ ｅ ＋ｓ 警＋ｓ。ｅ ＋ｓ 警） 表１扇区判断条件 （１） 扇区 判断条件 ｃＩ 其中：Ｖｊ。＝ ／－＿Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ、Ｅ） １ ＜ ｔａｎ詈 ２ 。 ｔａｎ詈＜ ＜ ａｎ ＞＝ｋ０１ｔａｎ￣ ４ ｔａｎ詈＜＝ ＜一 咖 ｓ ＜一ｖａ ｔａｎ－－ ６ ０＞ ＞＝Ｖａ ｔａｎ－ ７ 。＞ ｔａｎ ＝ ｔａｎ 图１五相三电平全桥逆变器拓扑结构图 根据公式（１）计算可得，共有２４３个合成电 ８ 一 ＞ｉｖａｌｔａｎ ２ ：ｒ・ 压矢量，这些矢量按照幅值分成１４组，分别为 ９ ０＞一 ｔａｎ 一 ０．６４７２ 、０．６１５６ 、０．５２３６ 、０．４４７２ 、０．４ 、０．３８０４ 、０．３２３６ 、０．２４７２ 、０．２３５２ 、 Ｏ．２ 、０．１４５４ 、０．１２３６ 、０．０７６４ 、０，为 １０ ０＞ 一 ｔａｌｌ詈 了简化矢量合成过程和提高电压利用率，选取幅 如图３所示，当电压矢量落在扇区１时，其 值０．６４７２ 、０．６１５６ 、０．３２３６ 、０共４３个 电压矢量可由不同开关电压矢量合成，将扇区１ 有效矢量，矢量分布如图２所示： 分为４个区间，根据电压矢量落在不同区间，合 ● 理选取特定矢量合成电压矢量。 Ｉ Ｙ Ｔｈ２ ｌｌ… ０ｌ３２０３６１ ／ ／ 饼７＼ ２Ｖｏｅｊ ． ０ ｒｍ＼－－，ｔｏ ）００００ 一 一１［１１１ Ｔｘ １１００１ １１ Ｔ＝ｌｌ ０．３２３６ ｏ．６４７２ 图３扇区１各区Ｉ司分布图 扇区１内各区间判断条件如表２所示，扇区１ 内各开关矢量作用时间如表３所示，表３中ｎｌ为 调制比、 为开关周期、０为电压矢量旋转角度。 图２五相三电平全桥空间电压矢量分布图 ２ 五相三电平全桥逆变其中点电位控制 为了获得任意角度和绝对值可控的电压矢 量，采取相邻两个特定矢量及零矢量合成电压矢 研究 ２ 、，ｏ１．３５ Ｎｏ．２ ２０１ ５．２ 船电技术Ｉ应用研究 特定矢量中的零矢量因五相电流和为零，对中 过调节中矢量来调节中点电位；小矢量对中点电 点电位无影响；大矢量因无中点电位状态，对中 位的影响如下： 点电位平衡无影响；中矢量不成对出现，无法通 表２扇区１内各区间判断条件 区间 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ 判断条 ＋ １ 其它 ｓｉｎ３６。 件 ＞ 丁 一 ＞＝ 一 上 表３扇区ｌ内各区间开关矢量作用时间 区间 Ａ Ｃ Ｄ 口 ｏｓ ５ ｓｉｎ 、 ＝ ｓｉｎ Ａ ‘ 一，……１ ０…… ｓｉｎ ＳＩｌｌ—— Ｔｏ＝ 一 一 １０ ｌ０ Ｂ ＝（１一＿ｍｓ ｉｎＯ） ｃｏｓ－－ＳＩｎ。。。。—— Ｔｙ＝（１－２ｃｏｓ … ｍｓｉｎＯ） ＝ — 一 ． １０ １０ ｒｃ Ｃ Ｔ．＝（２ｍ ｃｏｓｃｏｓＯ－ｍ．嘉ＣＯＳ ｌ ０ ｓｉｎ ＝（ Ｓ１ｎ—ｌ ０ — ｉｎ 一１） ＝ 一 一 ｃｏｓ ＝＿ｍ ｉｎ ＪＤ Ｔｂｌ－￣（２眦０Ｓ 主咖 ）ｌ０ Ｓｌｎ－１０ —— ＝ 一 一 变器中点电位平衡的目的。 ３ 电压矢量作用顺序选择 Ｅ 矢量选取方法有很多，遵循以下原则确定的 电压矢量作用顺序如表４所示。 图４小矢量（１１００１、００．１－１０）开关状态等效电路图 ｌ１避免输出电压产生大的ｄｖ／ｄｔ。 图４所示，当开关状态为小矢量（１１００１） ２）减少开关损耗，每个控制周期中各相开 时，Ｃ、Ｄ相电流和为正，中点电位降低，Ｃ、Ｄ 关状态改变次数不超过２次。 相电流和为负，中点电位升高；当开关状态为小 ３ 考虑各矢量对直流中点电位影响，电压 矢量（００—１—１０）时，Ｃ、Ｄ相电流和为正，中点 矢量的选择尽可能使中点电压趋向平衡。 电位升高，Ｃ、Ｄ相电流和为负，中点电位降低。 根据表４可推导出扇区１内五相三电平全桥 逆变器各开关管驱动波形，其余扇区可依此类推， 其中小矢量（１１００１）、（００一ｌ一１０）和（１１０００）、 （Ｏ０—１．１—１）作用时间关系通过平衡因子分配， 平衡因子可通过直流母线电压ＰＩ环（增量式ＰＩ） 调节输出。 图５小矢量（１１０００、Ｏ０－１・１・１）开关状态等效电路图 同理：如图５所示，当开关状态为小矢量 ４ 仿真验证 （１１０００）时，Ａ、Ｂ相电流和为正，中点电位升高， 为了验证所选算法有效，在ＭＡＴＡＬＢ中建模 Ａ、Ｂ相电流和为负，中点电位降低；当开关状态 实现五相三电平全桥逆变器中点电位平衡调节算 为小矢量（Ｏ０—１—１—１）时，Ａ、Ｂ相电流和为正，中 点电位降低，Ａ、Ｂ相电流和为负，中点电位升高。 法仿真，仿真框图如图６所示，仿真系统由控制 综上所述，小矢量成对出现，它们对逆变器中 器、变频驱动系统、逻辑控制及指示灯组成。为 点电位作用相反，通过调节两对小矢量作用时间可 了实现中点电位偏移，在直流侧（正母线与中点） 调节逆变器中点电位，达到控制五相三电平全桥逆 外接２０００ Ｑ电阻，仿真中设定开关频率１０００ Ｈｚ、 ３