船电技术ｌ应用研究 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．９ ２０１４．９ Ｈ桥型三电平逆变器中点电位平衡调节算法研究 张怀亮 （海军装备部装备采购中心，北京１７０００１） 摘要：本文通过分析Ｈ桥型三电平逆变器开关回路和换流过程，找出了中点电位偏移的原因，并给出了 中点电位平衡调节措施及改进算法，最后通过试验验证了所选算法是有效的，在大功率变流器上具有广泛 应用前景。 关键词：中点电位平衡调节中图分类号：ＴＭ４６１ 三电平Ｈ桥 文章编号：１００３—４８６２（２０．１４）０９—００６６—０５ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎｅｕｔｒａｌ—ｐｏｉｎｔ Ｌｅｖｅｌ Ｂａｌａｎｃｅ Ａｄｊ ｕｓｔｍｅｎｔ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｈｒｅｅ Ｌｅｖｅｌ Ｈ－ｂｒｉｄｇｅ Ｚｈａｎｇ Ｈｕａｉｌｉａｎｇ （Ｐｕｒｃｈａｓｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ Ｏｆ Ｎａｖａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ７０００ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｓｗｉｔｃｈ ｌｏｏｐ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ Ｈ－ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆｎｅｕｔｒａｌ－ｐｏｉｎｔ ｌｅｖｅｌ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ａｒｅｆｏｕｎｄ ｏｕｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｄｐｏｉｎｔ ｌｅｖｅｌ ｂａｌａｎｃｅ ａａｊｕｓｔｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｆｕｔｒｙ ｖｅｒｉｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｆｍｅｎ￣，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｏａｒｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｄｏｍａｉｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｅｕｔｒａｌ－ｐｏｉｎｔ ｌｅｖｅｌ ｂａｌａｎｃｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ；ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ Ｈ－ｂｒｉｄｇｅ ０ 引言 随着舰船电力推进技术的快速发展，对舰船 电力推进装置的功率要求越来越大、电压等级越 来越高，由于功率器件的限制，传统的两电平逆 变器无法满足中高压、大功率要求，通过器件的 串并联可以用两电平直接实现中高压、大功率逆 变器，但存在器件的动态均压、均流问题，严重 影响系统可靠性，采用成熟的低压标准功率器件 用寿命和设备安全，严重制约了多电平逆变器的 广泛应用。 ２１世纪前后，国内、外学者先后对多电平逆 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互反影 响的电压矢量来调整中点电位、调整上下两个调 制波的ＳＰＷＭ调制方法和在三相参考波中增加 零序分量来调整直流母线中点电位的三种方法， 其研究主要集中在三电平全桥、五电平全桥、两 电平Ｈ桥级联逆变器上，对Ｈ桥型三电平逆变器 实现中高压、大功率的多电平逆变器成为一种很 好的选择．另一方面，多电平以其输出电压谐波 小、可靠性高、对电机的绝缘损害低、ＥＭＩ低等 中点电位平衡调节算法研究甚少。如何解决Ｈ桥 型三电平逆变器中点电位偏移问题，使其能被广 优点使得其更加适合舰船电力推进系统的应用。 多电平逆变器工作时，存在零电平等续流过 程，电流会流出或流人中点，对电容进行充电或 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 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，本文通 过分析Ｈ桥型三电平逆变器开关回路和换流过 程，找出导致中点电位偏移的原因，并给出中点 电位平衡调节算法及改进算法。通过试验验证， 提出了一种有效的、易实现Ｈ桥型三电平逆变器 中点电位平衡调节算法。 收稿日期：２０１４．０７．１５ 作者简介：张怀亮（１９７２．），男，高级工程师。研究方 向：电气工程。 ６６ 船电技术Ｉ应用研究 １ 中点电位偏移原因分析 平逆变器工作时，左右桥臂均存在＋１、０、一１三 为了降低Ｈ桥型三电平逆变器（拓扑结构如 种电平，输出相电压中包含＋２、＋ｌ、０、．１、＋２ 图１所示）输出电压谐波，本文采取载波移相调 五种电平，通过分析开关回路和换流过程，可分 制策略，Ｈ桥左右桥臂载波互错１８０。，其调制原 析五种电平对中点电位影响。 理如图２所示。 图３中对中点电位有影响的开关状态为左桥 臂为１电平、右桥臂为０电平，左桥臂为一１电平、 右桥臂为０电平，左桥臂为０电平、右桥臂为１ 电平，左桥臂为０电平、右桥臂为．１电平，根据 电流流向和换流过程可得：左桥臂为１电平、右 桥臂为０电平或左桥臂为一１电平、右桥臂为０电 平时，正向电流使中点电位升高，左桥臂为０电 平、右桥臂为ｌ电平或左桥臂为０电平、右桥臂 为一１电平时，正向电流使中点电位降低，即相同 负载电流下左、右桥臂参考波电压对中点电位的 影响相反，因此，Ｈ桥型三电平逆变器中点电位 调节可通过根据负载电流方向来修正Ｈ桥左右桥 臂参考波电压比例分配（保证输出相电压不变）， 当负载电流为正时，若中点电位偏低，增大Ｈ桥 左桥臂参考波电压比例，若中点电位偏高，增大 Ｈ桥右桥臂参考波电压比例，当负载电流为负时， 若中点电位偏低，减小Ｈ桥左桥臂参考波电压比 例，若中点电位偏高，减小Ｈ桥右桥臂参考波电 图１ Ｈ桥型三电平逆变器简化拓扑结构 压比例。 ２中点电位平衡调节算法研究 Ｈ桥型三电平逆变器中点电位平衡调节可通 过采样负载电流、正负母线电压实现。 ２．１ Ｈ桥型三电平逆变器开环中点电位平衡调节 Ｈ桥型三电平逆变器开环中点电位平衡调节 通过采样正、负直流母线电压，直接计算中点电 一 位平衡调节因子，通过采样变频器输出电流，判 断出电流方向，来分配Ｈ桥左右桥臂参考波电压 大小，实现中点电位平衡调节。参考波电压分配 原理如公式１所示。 ｕｇｉｖｅｎｌｅ ｕｇｉＶｅｎ Ⅷｆａｃｔｏｒ ＿＿＿ｉ ｓ＞：０ 一 ｕｇｉｖｅｎｒｉｇｈｔ＝ｕ＿＿＿。 杖３ 、，考镀 ｇｉｖｅｎ （１－ｖｍｆａｃｔｏｒ） 一 ｕｇｉｖｅｎｌｅｆｔ：ｕ＿＿＿＿ｇｉｖｅｎ （１－ｖｍｆａｃｔｏｒ） ，ｎ 图２ Ｈ桥型三电平逆变器调制策略 ｌ ＼Ｕ ｕｇｉｖｅｎｒｉｇｈｔ ｕｇｉｖｅｎ ｖｍｆａｃｔｏｒ 一 ＿＿＿其中，载波１与载波２、载波３与载波４为同向 （１） 载波，载波１与载波３为互错１８０。，参考波与载 由于采样的直流母线电压存在波动，加入直 波１比较输出Ｔ１、Ｔ３管驱动波形，参考波与载 流母线电压滤波后使得中点电位平衡调节滞后， 波２比较输出Ｔ２、Ｔ４管驱动波形，参考波与载 严重时导致中点电位平衡调节发生振荡；不加滤 波３比较输出Ｔ６、Ｔ８管驱动波形，参考波与载 波直接计算出的平衡因子波动较大，导致输出电 波４比较输出Ｔ５、Ｔ７管驱动波形；Ｈ桥型三电 压参考波存在波动，影响了系统性能。 ６７ 船电技术ｌ应用研究 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ。９ ２０１４。９ 左柝臂。看 右柝臂０电平 电流正向续流 左桥臂０电平、右桥臂１电平 电流正向续流 图３ Ｈ桥型三电平逆变器开关回路及换流过程 ２．２ Ｈ桥型三电平逆变器闭环中点电位平衡调节 Ｈ桥型三电平逆变器闭环中点电位平衡调节 通过采样正、负直流母线电压，将正、负直流母 线电压差作为ＰＩ调节器反馈输入，通过ＰＩ调节 器控制该误差为零，输出合适的中点电位平衡调 节因子。 ．图４ Ｈ桥型三电平逆变器开环中点电位平衡调节