一種新型H橋式五電平逆變器電壓平衡控制

阮會(huì) 李帆

（中國船舶重工集團(tuán)公司第712研究所， 武漢430064)

近年來隨著電壓等級(jí)的不斷上升，傳統(tǒng)的兩電平逆變器，甚至三電平逆變器已經(jīng)不能滿足元器件耐壓及絕緣等方面的要求，更高電平數(shù)的逆變器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而由于二極管箝位式多電平逆變器存在著直流側(cè)電容電壓平衡問題[1，2]，三電平以上的多電平逆變器主要以H橋形式為主。本文提出了一種新型的H橋式五電平逆變器，分析了其工作原理并得出了其直流側(cè)電容電壓平衡控制策略。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

該H橋式逆變器單橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

其工作原理如下：設(shè)電流如圖 1所示的方向?yàn)檎?/p>

則當(dāng)電流為正時(shí)，開通 IGBT1，保持IGBT2關(guān)斷。

① 開通SCR1、SCR7，輸出電壓為V5；同時(shí)開通 SCR5、SCR9，將 Vout箝位至 V4。

② 開通 SCR5，輸出電壓為 V4；同時(shí)開通SCR3，將Vout箝位至V3。

③ 開通 SCR7，輸出電壓為 V3；同時(shí)開通SCR9，將Vout箝位至V2。

④ 關(guān)斷所有SCR時(shí)，IGBT1自動(dòng)在V2、V1間進(jìn)行PWM調(diào)制。

當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，開通 IGBT2，保持 IGBT1關(guān)斷。

① 開通SCR4、SCR10，將Vout接至 V1；同時(shí)開通SCR6、SCR8，將Vout箝位至V2。

② 開通 SCR6，將 Vout接至 V2；同時(shí)開通SCR2，將Vout箝位至V3。

③ 開通 SCR10，將 Vout接至 V3；同時(shí)開通SCR8，將Vout箝位至V4。

④ 關(guān)斷所有SCR時(shí)，IGBT2自動(dòng)在V4、V5間進(jìn)行PWM調(diào)制。

圖2為該型逆變器一個(gè)橋臂工作時(shí)輸出的電壓波形圖。

圖3和圖4為工作時(shí)IGBT上的電壓波形圖。

2 各開關(guān)狀態(tài)對(duì)直流側(cè)電容電壓的影響[3，4，5]

直流側(cè)電容電壓的平衡問題是除了帶獨(dú)立電源型的逆變器外，每一種多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都要面對(duì)的一個(gè)問題。即使是飛跨電容型逆變器和H橋式也必須通過合適的冗余狀態(tài)的選擇來解決該問題。

圖1 新型H橋式五電平逆變器單橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 輸出電壓波形

圖3 IGBT1上的電壓波形

圖4 IGBT2上的電壓波形

當(dāng)直流側(cè)電容電壓不平衡時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一些電容電壓上升，一些電容電壓下降，使輸出電壓的諧波分量增大。如果在控制中不采取相應(yīng)的措施而任由其發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致電平數(shù)目的退化，嚴(yán)重的甚至?xí)舸┕β势骷?。因此直流?cè)電容電壓平衡問題是多電平逆變器控制中必須要考慮的一個(gè)非常重要的問題。本節(jié)將詳細(xì)分析該型逆變器每一種輸出電壓下各開關(guān)狀態(tài)對(duì)電容電壓的影響，以得出其控制策略。

將五電平逆變器的輸出電壓按電壓等級(jí)分為四個(gè)區(qū)間，分別為：0-E、E-2E、2E-3E、3E-4E。下面分別對(duì)其分析，得出各開關(guān)狀態(tài)對(duì)電容電壓的影響。

2.1 輸出電壓在0-E之間變化

當(dāng)輸出電壓在0-E之間變化時(shí)，總共有四種輸出狀態(tài)：分別為 AV2對(duì) BV1、AV3對(duì) BV2、AV4對(duì)BV3、AV5對(duì)BV4。

當(dāng)AV2對(duì)BV1時(shí)，若電流為正，有兩種開通方式：

① 保持IGBT4開通，IGBT1進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT1開通時(shí)，輸出電壓為 E，相當(dāng)于V2對(duì)V1充電，V2電位降低；當(dāng)IGBT1關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為0。

② 保持IGBT1開通，IGBT4進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT4開通時(shí)，輸出電壓為 E，相當(dāng)于V2對(duì)V1充電，V2電位降低；當(dāng)IGBT4關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為0。

若電流為負(fù)，也有兩種開通方式：

① 保持IGBT2開通，IGBT3進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT3開通時(shí)，輸出電壓為-E，相當(dāng)于V2對(duì)V1充電，V2電位降低。當(dāng)IGBT3關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為0。

② 保持IGBT3開通，IGBT2進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT2開通時(shí)，輸出電壓為-E，相當(dāng)于V2對(duì)V1充電，V2電位降低。當(dāng)IGBT2關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為0。

同理，可以得出AV3對(duì)BV2時(shí)，相當(dāng)于V3對(duì) V2充電，V3電位下降，V2電位升高；AV4對(duì)BV3時(shí)，相當(dāng)于V4對(duì)V3充電，V4電位下降，V3電位升高；AV5對(duì)BV4時(shí)，相當(dāng)于V5對(duì)V4充電，V5電位下降，V4電位升高。

綜上所述：當(dāng)所需輸出電壓不大，在0-E之間變化時(shí)，總是處于高電位的電容對(duì)處于相鄰低電位的電容進(jìn)行充電，導(dǎo)致Vn+1下降，Vn上升。如表1所示。

表1 當(dāng)輸出電壓為0-E之間時(shí)開關(guān)狀態(tài)對(duì)各電位的影響

從表1中可以看出，如果所需輸出電壓一直保持在0-E之間，則只需要輪流使用四種輸出狀態(tài)，即可保持電容電壓的平衡。

2.2 輸出電壓在E-2E之間變化

當(dāng)輸出電壓在 E-2E之間變化時(shí)，總共有三種輸出狀態(tài)，分別為：AV3對(duì)BV1、AV4對(duì)BV2、AV5對(duì)BV3。

當(dāng) AV3對(duì) BV1時(shí)，若電流為正，有兩種開通方式：

① 保持IGBT4開通，IGBT1進(jìn)行PWM調(diào)制，當(dāng) IGBT1開通時(shí)，輸出電壓為 2E，相當(dāng)于V3對(duì)V1充電。V3電位降低；當(dāng)IGBT1關(guān)斷時(shí)，電路箝位到 AV2，輸出電壓為 E，相當(dāng)于 V2對(duì)V1充電。V2電位降低。

② 保持IGBT1開通，IGBT4進(jìn)行PWM調(diào)制，當(dāng) IGBT4開通時(shí)，輸出電壓為 2E，相當(dāng)于V3對(duì)V1充電。V3電位降低；當(dāng)IGBT4關(guān)斷時(shí)，電位箝位到 BV2，輸出電壓為 E，相當(dāng)于 V3對(duì)V2充電。V3電位降低，V2電位升高。

若電流為負(fù)，也有兩種開通方式：

① 保持IGBT2開通，IGBT3進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT3開通時(shí)，輸出電壓為-2E，相當(dāng)于V3對(duì)V1充電。V3電位降低。當(dāng)IGBT3關(guān)斷時(shí)，電路箝位到 BV2，輸出電壓為-E，相當(dāng)于 V2對(duì)V1充電。V2電位降低。

② 保持IGBT3開通，IGBT2進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT2開通時(shí)，輸出電壓為-2E，相當(dāng)于V3對(duì)V1充電。V3電位降低。當(dāng)IGBT2關(guān)斷時(shí)，電路箝位到 AV2，輸出電壓為-E，相當(dāng)于 V3對(duì)V2充電。V3電位降低, V2電位升高。

同理，當(dāng)AV4對(duì)BV2時(shí)也對(duì)應(yīng)著兩種開通狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)分別為：V4、 V3分別對(duì) V2充電以及V4分別對(duì)V2、V3充電；AV5對(duì)BV3時(shí)的兩種開通狀態(tài)的實(shí)質(zhì)分別為：V5、 V4分別對(duì)V3充電以及V5分別對(duì)V3、V4充電。

綜上所述，當(dāng)所需輸出電壓位于 E-2E區(qū)間時(shí)，如只選擇一種輸出方式，則Vn+1電位一定下降，Vn-1電位一定上升，Vn的電位變化視負(fù)載情況而定，但總的來說可以對(duì)Vn的電位作一定的補(bǔ)償。如表2所示。

表2 當(dāng)輸出電壓為E-2E之間時(shí)開關(guān)狀態(tài)對(duì)各電位的影響

如果綜合使用三種輸出方式，只要選擇合理，則一定可以實(shí)現(xiàn)電容電壓的平衡控制。

2.3 輸出電壓在2E-3E之間變化

當(dāng)輸出電壓在2E-3E之間變化時(shí)，總共有兩種輸出狀態(tài)，它們分別為：AV4對(duì)BV1、AV5對(duì)BV2。

（A）在AV4對(duì)BV1的輸出狀態(tài)下，若電流為正，有兩種開通方式：

① 保持IGBT4開通，IGBT1進(jìn)行PWM調(diào)制，當(dāng) IGBT1開通時(shí)，輸出電壓為 3E，相當(dāng)于V4對(duì)V1充電。V4電位降低；當(dāng)IGBT1關(guān)斷時(shí)，電路箝位到AV3,輸出電壓為2E，相當(dāng)于V3對(duì)V1充電。V3電位降低。

② 保持IGBT1開通，IGBT4進(jìn)行PWM調(diào)制，當(dāng) IGBT4開通時(shí)，輸出電壓為 3E，相當(dāng)于V4對(duì)V1充電。V4電位降低；當(dāng)IGBT4關(guān)斷時(shí)，電位箝位到BV2,輸出電壓為2E，相當(dāng)于V4對(duì)V2充電。V4電位降低，V2電位升高。

在AV4對(duì)BV1的輸出狀態(tài)下，若電流為負(fù)，也有兩種開通方式：

① 保持IGBT2開通，IGBT3進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT3開通時(shí)，輸出電壓為-3E，相當(dāng)于V4對(duì)V1充電。V4電位降低。當(dāng)IGBT3關(guān)斷時(shí)，電路箝位到 BV3,輸出電壓為-2E，相當(dāng)于 V3對(duì)V1充電。V3電位降低。

② 保持IGBT3開通，IGBT2進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT2開通時(shí)，輸出電壓為-3E，相當(dāng)于V4對(duì)V1充電。V4電位降低。當(dāng)IGBT2關(guān)斷時(shí)，電路箝位到AV2,輸出電壓為-2E，相當(dāng)于V4對(duì)V2充電。V4電位降低, V2電位升高。

同理，當(dāng)AV5對(duì)BV2時(shí)也對(duì)應(yīng)著兩種開通方式，其實(shí)質(zhì)分別為：V5、V4對(duì) V2充電以及 V5對(duì)V2、V3充電。

綜上所述：當(dāng)所需輸出電壓位于2E－3E時(shí)，V4電位下降、V2電位上升兩種變化趨勢(shì)至少發(fā)生一種，不能達(dá)到平衡。V3電位視負(fù)載情況而定。如表3所示。

表3 當(dāng)輸出電壓為2E-3E之間時(shí)開關(guān)狀態(tài)對(duì)各電位的影響

2.4 輸出電壓在3E-4E之間變化

當(dāng)輸出電壓在3E-4E之間變化時(shí)，只有一種輸出狀態(tài)，即AV5對(duì)BV1。

若電流為正，有兩種開通方式：

① 保持IGBT4開通，IGBT1進(jìn)行PWM調(diào)制，當(dāng) IGBT1開通時(shí)，輸出電壓為 4E，相當(dāng)于V5對(duì)V1充電。當(dāng)IGBT1關(guān)斷時(shí)，電路箝位到AV4，輸出電壓為3E，相當(dāng)于V4對(duì)V1充電。V4電位降低。

② 保持IGBT1開通，IGBT4進(jìn)行PWM調(diào)制，當(dāng) IGBT4開通時(shí)，輸出電壓為 4E，相當(dāng)于V5對(duì)V1充電。當(dāng)IGBT4關(guān)斷時(shí)，電位箝位到BV2，輸出電壓為3E，相當(dāng)于V5對(duì)V2充電。V2電位升高。

若電流為負(fù)，有兩種開通方式：

① 保持IGBT2開通，IGBT3進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT3開通時(shí)，輸出電壓為-4E，相當(dāng)于V5對(duì)V1充電。當(dāng)IGBT3關(guān)斷時(shí)，電路箝位到BV4，輸出電壓為-3E，相當(dāng)于V4對(duì)V1充電。V4電位降低。

② 保持IGBT3開通，IGBT2進(jìn)行PWM調(diào)制。當(dāng) IGBT2開通時(shí)，輸出電壓為-4E，相當(dāng)于V5對(duì)V1充電。當(dāng)IGBT2關(guān)斷時(shí)，電路箝位到AV2，輸出電壓為-3E，相當(dāng)于V5對(duì)V2充電。V2電位升高。

綜上所述：當(dāng)所需的輸出電壓在3E-4E之間變化時(shí)， V4電位降低、V2電位升高，兩種變化趨勢(shì)至少發(fā)生一種，均不能達(dá)到平衡。見表4。

表4 當(dāng)輸出電壓為3E-4E之間時(shí)開關(guān)狀態(tài)對(duì)各電位的影響

3 控制策略

綜合上文所提到的各輸出狀態(tài)對(duì)各點(diǎn)電位的影響，總結(jié)我們的控制思路為：當(dāng)輸出電壓為0-E時(shí)，輪流使用四種輸出狀態(tài)以及每種狀態(tài)的兩種開關(guān)方式； 當(dāng)輸出電壓為E-2E時(shí),選用A3-B1①、A3-B1②、A5-B3①、A5-B3②四種開關(guān)方式，且在A3-B1①、A3-B1②的開關(guān)方式中保證V2點(diǎn)電位不變，僅允許 V3電位下降。在 A5-B3①、A5-B3②的開關(guān)方式中保持V4電位不變，僅允許V3電位上升。這樣，在四種開關(guān)方式中，即可保持各點(diǎn)電位不變；當(dāng)輸出電壓為 2E－3E時(shí)，盡量選擇A5-B2②的開關(guān)方式，因?yàn)槠溆嗟拈_關(guān)方式將引起V4點(diǎn)電位的變化，而A5-B2②僅會(huì)引起 V2、V3點(diǎn)的電位變化。而 V2、V3的調(diào)節(jié)遠(yuǎn)比V4的調(diào)節(jié)來得容易。同樣的道理，在輸出狀態(tài)為 3E-4E時(shí)，選用A5-B1②開關(guān)狀態(tài)。

:

[1]高躍, 李永東. 二極管箝位型五電平逆變器電容電壓平衡域的研究. 變頻器世界, 2007(2):32-38.

[2]洪春梅, 王廣柱. 五電平逆變器直流側(cè)電容電壓的平衡與控制. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2003(3).

[3]Analysis of Neutral-point Voltage Balancing Problem in Three-level Neutral-point-clamped Inverters with SVPWM Modulation. 2001 IEEE 1:802-806.

[4]Sun-Kyoung Lim and Jun-Ha Kim . A DC-link Voltage Balancing Algorithm for 3-level Converter Using the Zero Sequence Current. 1999 IEEE 4:1083-1088

[5]Analysis of Neutral-point Voltage Balancing Problem in Three-level Neutral-point-clamped Inverters with SVPWM Modulation 2002 IEEE 2:920-925.