基于SVPWM五相三电平H桥逆变器中点电位控制研究

孙国亮 连勇涛

（海军指挥学院，南京 210036）

0 引言

同传统Y型连接逆变器相比，H桥型变频器具有以下几个明显的优点：（1）各相相对独立，控制简单、灵活；（2）当电机的一相绕组或单个逆变器单元出现故障时，故障部分对其他单元不产生影响，功率损失小；（3）逆变器输出电平状态增多，输出电压谐波小。另外，若想进一步提高逆变器输出功率，可很方便的拓展成多相多电平H桥结构。

然而，随着相数和电平数的增多，逆变器输出的电压矢量也成指数级增长[1]～[5]，以五相三电平H桥逆变器为例，其电压矢量共有3125个，矢量分析和计算的复杂程度大大增加，传统的空间矢量PWM控制方法难以直接应用，为此，寻求一种简化的多相多电平SVPWM控制方法是有必要的。文中提出了适用于这一结构的移相SVPWM控制算法。并就二极管箝位式三电平逆变器中存在中点电位不平衡这一固有问题进行了深入的分析，提出了通过交替选择P型小矢量和N型小矢量，来抑制中点电压不平衡的控制方法。

图1 五相三电平H桥逆变器电路拓扑结构

1 五相三电平 H 桥逆变器的空间电压矢量分析

五相三电平H桥逆变器电路结构图如图1所示，逆变器采用中点箝位式H桥型结构。逆变器每相 H桥的左右桥臂分别有三个输出状态：T1、T2导通，T3、T4截止时，桥臂的开关状态记为‘P’，输出电压为+UD/2；T2、T3导通，T1、T4 截止时，桥臂的开关状态记为‘O’，输出电压为0；T3、T4导通，T1、T2截止时，桥臂的开关状态记为‘N’，输出电压为-UD/2。因此，逆变器的每相H桥可以输出五个电平，五相H桥共有3125个矢量，其矢量分析和选择十分复杂，难以直接采用传统的SVPWM控制算法。

定义左桥臂合成的空间矢量为：

同样定义右桥臂合成的空间矢量为：

其中Sa+, Sa-, Sb+, Sb-, Sc+, Sc-, Sd+, Sd-, Se+,Se-=1,0,-1.

2 五相三电平H桥逆变器SVPWM的简化算法

为了简化控制算法，将五相三电平H桥的左桥臂和右桥臂均看作由单桥臂组成的五相，分别予以控制。采用移相控制的思想[6]～[8]，使左桥臂的输出端电压相对于右桥臂输出端电压移相位角 φ，设电压参考矢量为 Vref，其幅值为|Vref|，相角为λ，将其分解为 V+、V-。则

通过分解，V+、V-可分别由左桥臂、右桥臂组成的五相所对应的五相三电平空间矢量合成。这样，只需分析清楚五相三电平空间矢量分布即可。

则此时逆变器的输出空间电压矢量为：

由（3）式可知，逆变器输出空间电压矢量相对于五个左桥臂合成的空间电压矢量在空间上移相位角-(π-φ)/2，而输出电压矢量幅值为五个左桥臂合成矢量的2sinφ/2。

根据参考文献[9]分析，并不是所有的矢量都作为工作矢量，考虑到控制实现的方便，在本文中同样选取大矢量Vl=0.6472 UD、中矢量Vm=0.6156 UD、小矢量Vh=0.3236 UD以及零矢量作为有效工作电压矢量，这些矢量共有 43个，空间分布如图2所示。

图2 逆变器工作矢量的空间分布

通过这些矢量组合并采用移相控制思想，其控制效果可以使得每相五电平输出。可见，采用该方法可以大大简化 H桥逆变器的矢量控制算法。如图2所示，选用的工作矢量组成的十边形可等分为 10个扇区，扇区编号分别用0～9表示，由于每个扇区在空间上是对称分布的，因此只需考虑对其中一个扇区进行分析。

图3 基于 36°g-h轴坐标系的电压矢量图

将每个扇区划分为A、B、C、D四个三角形区域，在每个扇区中建立基于 36°的 g-h轴坐标系分别对V+、V-进行定位，如图3所示。根据文献[9]中的方法，利用三矢量合成，可确定出各个桥臂在各控制周期内的开关状态。这里，t0、t1、t2分别为扇区三角形中三个顶点对应矢量的开关作用时间。

为使得工作矢量作用对称，同时减小开关动作产生的谐波，将三角形A、B分别分为前后两个小三角形。表1给出了当参考电压分量在空间上旋转时，在扇区0中逆变器各右桥臂的工作矢量（开关状态）作用顺序（首发P型小矢量）和作用时间。同样可确定左桥臂在不同时刻的开关状态。

表1 扇区0中左桥臂的开关状态及其作用时间

3 中点电位不平衡分析

五相三电平 H桥型逆变器采用二极管箝位式结构，直流侧由两个支撑大电容C1和C2组成，且这两个电容中间点O和箝位二极管的中点相连接。在这种连接方式下，中点O的电位会受到电流变化和开关状态的影响而浮动。

以单个H桥为例，负载电流流向不同，随着开关状态的改变，逆变器桥臂中电流的流向也不同。

当流过负载电流为正方向（由左至右），负载为感性负载时，单个H桥中不同开关状态下，电流的流向如图 4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)所示。

由前面分析可知，在图 4(b)、(d)、(f)、(h)所示的情形下，中点电位会产生波动，即出现中点电压不平衡；比较图4(b)与图4(f)、图4(d)与图4(h)可以看出，在输出相电压相同的情形下，它们的开关状态不同，而对中点电位影响是相反的。同样也可以分析流过负载电流流向为负方向的情形，也可得出类似的结论。对于五相三电平H桥型逆变器来说，可以根据各相H桥左右桥臂的开关状态和流过负载电流的流向来分析对中点电位的影响。因此，在无需增加硬件条件的情况下，可以通过软件控制开关状态的切换来控制中点电位的波动。

对于五相三电平空间矢量来说，零矢量及大矢量没有把中性点接到负载，所以中性点电压不变化。中矢量因为使用正侧和负侧两种直流电源，所以中性点电位的上升和下降与输出电压相位和负载的功率因素有关，导致中矢量引起的电压不平衡在实验中难以控制[10]。

图4 单个H桥中相电流流向（负载电流为正）

小矢量总是成对出现，输出电压相同，但它们对于中点电压的影响刚好相反。因此，可根据上下电容电压UC1和UC2的差值（即配成对的 P型小矢量和 N型矢量的时间分配），对中点电压予以控制。对于H桥这种结构的电路，可以采用左桥臂首发P型小矢量，右桥臂首发N型小矢量的控制方式来控制电压不平衡。

4 试验

为了验证以上控制算法的有效性，在以F2812+FPGA为主控制器、功率开关器件为IGCT的五相三电平H桥变频器的试验平台上实现了上述控制方式。开关频率fs=500 Hz，直流侧母线电压UD=400 V。图5，6均为右桥臂输出端电压相对左桥臂移相 144°逆变器接阻感负载时的波形。

图5 没有中点控制时输出相电压及正负母线电压波形（m=0.94,f=20 Hz）

图6 有中点控制时输出相电压及正负母线电压波形（m=0.94,f=20 Hz）

由于实验过程中，没有对流入中点的电流流向进行检测，仅仅根据正负母线电压差来调节中点电位，所以中点电位的波动问题没有得到彻底解决。但总体上来说，文中采用的中点控制方式在一定程度上有效抑制中点电压的浮动。

5 结论

本文在对五相三电平 H桥型逆变器的空间电压矢量进行详细分析的基础上，提出了适用于五相三电平 H桥逆变器的相移空间矢量控制算法。并在此基础上，通过试验实现了该控制方式，验证了该方法的可行性。从试验分析结果可以看出，该方法可以通过较少的矢量组合，实现相电压为五电平输出，并利用冗余小矢量对中点电位的调节，有效地改善了对电容电压平衡控制。

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