H桥型三电平逆变器中点电位平衡调节算法研究

张怀亮



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）

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。

中点电位平衡调节 三电平 H桥

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。

1 中点电位偏移原因分析

为了降低H桥型三电平逆变器（拓扑结构如图1所示）输出电压谐波，本文采取载波移相调制策略，H桥左右桥臂载波互错180°，其调制原理如图2所示。

其中，载波1与载波2、载波3与载波4为同向载波，载波1与载波3为互错180°，参考波与载波1比较输出T1、T3管驱动波形，参考波与载波2比较输出T2、T4管驱动波形，参考波与载波3比较输出T6、T8管驱动波形，参考波与载波4比较输出T5、T7管驱动波形；H桥型三电平逆变器工作时，左右桥臂均存在+1、0、-1三种电平，输出相电压中包含+2、+1、0、-1、+2五种电平，通过分析开关回路和换流过程，可分析五种电平对中点电位影响。

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-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-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1电平或左桥臂为0电平、右桥臂为-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。

由于采样的直流母线电压存在波动，加入直流母线电压滤波后使得中点电位平衡调节滞后，严重时导致中点电位平衡调节发生振荡；不加滤波直接计算出的平衡因子波动较大，导致输出电压参考波存在波动，影响了系统性能。

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。

位置式PI调节器离散算法如公式2所示：

H桥型三电平逆变器闭环中点电位平衡调节减小了平衡因子的波动，使输出参考波电压的波动减小；参考波要根据负载电流方向来改变分配原则，因此要求负载电流的过零点判断准确，由于电流采样误差和电流谐波的影响，因此在电流过零点附近加入了滞环处理，避免了电流过零点附近出现电流方向来回切换的问题。

3 试验验证

为了验证算法有效性，在H桥型三电平逆变器上采用H桥载波移相调制策略对所选算法进行了实验验证，逆变器直流电源由实验室可控整流装置提供，其输出直流电压与正、负母排直接连接，电容中点悬浮。试验中为了更好的验证算法效果，在正母排对电容中点两端接上8 Ω负载，使电容中点电位严重偏移；最小脉宽设置为14 μs，死区时间设置为4 μs，软件中采用Q24格式标幺值，直流母线电压额定值为4666 V，给定直流母线电压66 V。

4 结论

本文通过对H桥型三电平逆变器开关回路和换流过程进行分析，找出了影响中点电位的开关状态，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，研究结果具有一定的价值。

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Research on Neutral-point Level Balance Adjustment Algorithm Based on Three Level H-bridge

Zhang Huailiang

(Purchasing Center of Naval Equipment Department, Beijing 170001, China)

TM461

A

1003-4862（2014）09-0066-05

2014-07-15

张怀亮（1972-），男，高级工程师。研究方向：电气工程。