一種適用于艦船綜合電力推進系統(tǒng)的對稱混合五電平拓撲及其控制策略

許曉暉，王 奎，劉念洲，鄭澤東，李永東

一種適用于艦船綜合電力推進系統(tǒng)的對稱混合五電平拓撲及其控制策略

許曉暉1，王 奎2，劉念洲1，鄭澤東2，李永東2

（1. 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 436000；2. 清華大學電機系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084）

為了滿足艦船中壓直流綜合電力推進系統(tǒng)對中壓大容量推進變頻器的需求，本文提出了一種適用于多相開繞組電機的對稱混合五電平拓撲，每一相電路均由一個高頻DC/DC單元和一個高壓H橋單元組成。介紹了其工作原理和調(diào)制方法，針對其母線中點電壓平衡問題，提出了一種微調(diào)PWM脈沖占空比的中點電壓平衡控制方法。仿真結(jié)果表明該拓撲及其控制方法正確、有效。

艦船綜合電力推進系統(tǒng) 多電平變換器 中點電壓平衡

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)可實現(xiàn)全艦?zāi)芰康木C合利用，被譽為是艦船動力的第三次革命[1, 2]。而中壓直流系統(tǒng)具有更高的功率密度和運行靈活性，代表著艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[2-4]。電力推進系統(tǒng)作為其中最主要的負載，其功率約占全艦功率的80% ～ 90%以上[2]，因此其中一項關(guān)鍵技術(shù)就是中壓大容量推進變頻器。

為了適應(yīng)目前中壓直流綜合電力系統(tǒng)3~5 kV DC電壓等級，同時提高推進變頻器的輸出波形質(zhì)量，通?？刹捎枚O管箝位型三電平拓撲結(jié)構(gòu)。而為了減小推進電機體積、提高效率和轉(zhuǎn)矩密度，推進電機通常采用多相電機。因此，為了適應(yīng)多相電機場合并提高直流母線電壓利用率，可采用兩個三電平橋臂接成H橋形式給一個多相電機繞組供電，如圖1(a)所示[5]，每相輸出為五電平。但是二極管箝位拓撲存在開關(guān)管發(fā)熱不均衡、換流回路長、緩沖吸收電路復(fù)雜等問題。為解決這個問題，可將二極管箝位拓撲中的二極管替換為有源開關(guān)管，如圖1(b)所示。這樣可增加零電平時的換流路徑，開關(guān)管損耗更均衡[6,7]。

在此基礎(chǔ)上，本文進一步做了改進，提出了一種對稱混合五電平拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。每相橋臂由兩級結(jié)構(gòu)組成，前級為高頻DC/DC單元，后級為高壓H橋單元。高頻DC/DC變換器使用4只低壓開關(guān)器件，只承受一半的直流母線電壓，工作在高開關(guān)頻率，而高壓H橋單元采用4只高壓器件，承受整個直流母線電壓，工作在基波頻率。與圖1(b)結(jié)構(gòu)相比，在器件耐壓等級相同的情況下，兩種拓撲每相電路使用的開關(guān)器件總數(shù)量相等。但是對稱混合五電平拓撲可以混合使用不同開關(guān)速度和耐壓等級的開關(guān)器件，前級高頻DC/DC單元可采用載波移相PWM，開關(guān)損耗均衡，換流回路短，緩沖吸收電路簡單，可采用SiC Mosfet；后級高壓H橋單元工作在基波頻率，且可實現(xiàn)零電壓開通和關(guān)斷，開關(guān)損耗小，可采用高壓IGBT或IGCT。因此，本文所提出的對稱混合五電平拓撲在多相電機驅(qū)動場合具有很大的優(yōu)勢。

2 工作原理與特性分析

如圖1(c)所示，本文所提出的對稱混合五電平拓撲分為兩級結(jié)構(gòu)，前級為高頻DC/DC單元，由兩個半橋單元串聯(lián)得到三電平直流輸出；后級為高壓H橋單元，用于翻轉(zhuǎn)前級的直流電壓從而得到交流輸出。其基本工作原理如下：

1）開關(guān)Sx1–Sx4與Sx1'–Sx4'分別工作在互補狀態(tài)；

2）H橋單元工作在雙極調(diào)制狀態(tài)，即Sx3和Sx4'同時開通和關(guān)斷，Sx3'和Sx4同時開通和關(guān)斷。

假設(shè)直流母線每個電容的額定電壓均為E，基于上述開關(guān)原則，該拓撲一共有8種開關(guān)狀態(tài)，可輸出五種不同電平，如表1所示。

定義開關(guān)Sx1–Sx4的開關(guān)函數(shù)為fx1–fx4，由于高壓H橋單元的作用是電壓翻轉(zhuǎn)，工作在基波頻率，假設(shè)輸出參考電壓為ox，則Sx3和Sx4的開關(guān)函數(shù)為：

根據(jù)表1，高頻DC/DC單元的輸出電壓dx可表示為：

經(jīng)過高壓H橋單元變換后的輸出電壓ox為

表1 高頻DC/DC單元開關(guān)狀態(tài)

此時前級高頻DC/DC單元的參考電壓refx可表示為：

由于Sx1和Sx2的工作狀態(tài)可獨立控制，根據(jù)式(2)，前級高頻DC/DC單元可采用載波移相調(diào)制策略，開關(guān)Sx1Sx2的載波相位差180°，其開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓如圖2所示。

圖2 調(diào)制策略與輸出電壓示意圖

3 電容電壓平衡策略

該拓撲正常工作的前提是直流母線中點電壓保持平衡。假設(shè)高頻DC/DC單元的輸出電流為dx，則直流母線中性點電流可表示為：

定義開關(guān)函數(shù)fx1和fx2在一個載波周期內(nèi)的占空比為x1和x2，根據(jù)式(2)，前級高頻DC/DC單元在一個載波周期內(nèi)的平均輸出電壓可表示為：

假設(shè)載波頻率足夠高，且負載電流在一個控制周期內(nèi)保持不變，則母線中點電流在一個載波周期內(nèi)的平均值可表示為

當采用PSPWM時，由于參考電壓在一個控制周期內(nèi)保持不變，因此兩個開關(guān)管的占空比為：

將式(8)代入式(7)可知，在理想情況下，母線中點電流在一個載波周期內(nèi)的平均值為零。即在理想情況下母線中點電壓可保持自然平衡，這是該拓撲能夠?qū)嵱玫睦碚摶A(chǔ)。

但是在實際應(yīng)用中，存在開關(guān)頻率不夠高、死區(qū)、負載不對稱等非理想因素，需要對電容電壓進行主動的平衡控制。從式(7)可知，母線中點電流取決于負載電流和兩個開關(guān)管的占空比，通過微調(diào)x1、x2的大小就可以實現(xiàn)母線中點的電壓平衡控制。

假設(shè)母線電容電壓cd2>cd1，dx> 0，根據(jù)式(7)需要增大x2減小x1，從而對電容Cd2放電Cd1充電。為了不影響平均輸出電壓，根據(jù)式(6)，兩個占空比之和必須保持不變。因此對x1和x2的調(diào)整如下：

此時的中點平均電流為：

其中Δx為占空比的微調(diào)量，可由一個PI調(diào)節(jié)器得到。從式(10)可以看出，經(jīng)過微調(diào)占空比，根據(jù)需要可以產(chǎn)生一個正或負向的母線中點電流對母線電容進行充放電，從而實現(xiàn)母線中點電壓的平衡控制。

4 仿真結(jié)果

為驗證所提出的拓撲與控制策略的正確性，基于MATLAB/Simulink平臺搭建了一套對稱混合五電平逆變器模型帶阻感負載進行仿真驗證，仿真參數(shù)如表2。

表2 仿真參數(shù)

圖3 輸出相電壓

圖4 輸出相電流

圖5 直流母線電容電壓

圖6 直流母線電容電壓波動細節(jié)

圖3~圖6為穩(wěn)態(tài)情況下調(diào)制比= 0.9時的仿真波形。圖3是五電平的相電壓，圖4是五相輸出電流波形，仿真結(jié)果表明該拓撲是可行的。圖5是直流母線電容電壓波形，兩個電容電壓均保持在額定電壓2500 V附近波動，表明所提出的母線電容電壓平衡控制策略是有效的。圖6是電容電壓波動細節(jié)，可以看出電容電壓波動頻率為載波頻率，載波頻率越高，電容電壓波動越小。

圖7為調(diào)制比突變情況下的母線電容電壓平衡控制效果，調(diào)制比從0.2逐步增加到0.4、0.6、0.8和1.0?？梢钥闯?，在整個過程中母線兩個電容電壓均保持平衡，證明了所提出的電壓平衡控制策略在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下都是有效的。

5 結(jié)論

中壓大容量推進變頻器是艦船中壓直流綜合電力推進系統(tǒng)的核心設(shè)備，針對這個難題本文提出了一種對稱混合五電平拓撲，每相包括一個高頻DC/DC單元和一個高壓H橋單元，高頻DC/DC單元采用低壓器件工作在載波頻率，高壓H橋單元采用高壓器件工作在基波頻率，可零電壓開通和關(guān)斷。本文分析了該拓撲的工作原理和調(diào)制策略，建立了開關(guān)函數(shù)模型，得出了母線中點電壓在理想情況下可保持自平衡的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，進一步提出了一種微調(diào)PWM脈沖占空比的中點電壓平衡控制方法。仿真結(jié)果表明該拓撲及其控制方法正確、有效。

圖7 調(diào)制比突變情況下的電容電壓平衡效果

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Topology and Control of a Symmetrical Hybrid Five-level Inverter for Vessel Integrated Electric Propulsion System

Xu Xiaohui1, Wang Kui2,Liu Nianzhou1, Zheng Zedong2, Li Yongdong2

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Wuhan 436000, China; 2. State Key Lab of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

U664.14

A

1003-4862（2019）07-0005-04

2018-12-13

許曉暉(1981-)，男，高級工程師。研究方向：多電平變換器、船舶綜合電力系統(tǒng)。E-mail: 13696855@qq.com