一种适用于舰船综合电力推进系统的对称混合五电平拓扑及其控制策略

许晓晖，王 奎，刘念洲，郑泽东，李永东

一种适用于舰船综合电力推进系统的对称混合五电平拓扑及其控制策略

许晓晖1，王 奎2，刘念洲1，郑泽东2，李永东2

（1. 舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 436000；2. 清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084）

为了满足舰船中压直流综合电力推进系统对中压大容量推进变频器的需求，本文提出了一种适用于多相开绕组电机的对称混合五电平拓扑，每一相电路均由一个高频DC/DC单元和一个高压H桥单元组成。介绍了其工作原理和调制方法，针对其母线中点电压平衡问题，提出了一种微调PWM脉冲占空比的中点电压平衡控制方法。仿真结果表明该拓扑及其控制方法正确、有效。

舰船综合电力推进系统 多电平变换器 中点电压平衡

0 引言

舰船综合电力系统可实现全舰能量的综合利用，被誉为是舰船动力的第三次革命[1, 2]。而中压直流系统具有更高的功率密度和运行灵活性，代表着舰船综合电力系统的发展方向[2-4]。电力推进系统作为其中最主要的负载，其功率约占全舰功率的80% ～ 90%以上[2]，因此其中一项关键技术就是中压大容量推进变频器。

为了适应目前中压直流综合电力系统3~5 kV DC电压等级，同时提高推进变频器的输出波形质量，通常可采用二极管箝位型三电平拓扑结构。而为了减小推进电机体积、提高效率和转矩密度，推进电机通常采用多相电机。因此，为了适应多相电机场合并提高直流母线电压利用率，可采用两个三电平桥臂接成H桥形式给一个多相电机绕组供电，如图1(a)所示[5]，每相输出为五电平。但是二极管箝位拓扑存在开关管发热不均衡、换流回路长、缓冲吸收电路复杂等问题。为解决这个问题，可将二极管箝位拓扑中的二极管替换为有源开关管，如图1(b)所示。这样可增加零电平时的换流路径，开关管损耗更均衡[6,7]。

在此基础上，本文进一步做了改进，提出了一种对称混合五电平拓扑结构，如图1(c)所示。每相桥臂由两级结构组成，前级为高频DC/DC单元，后级为高压H桥单元。高频DC/DC变换器使用4只低压开关器件，只承受一半的直流母线电压，工作在高开关频率，而高压H桥单元采用4只高压器件，承受整个直流母线电压，工作在基波频率。与图1(b)结构相比，在器件耐压等级相同的情况下，两种拓扑每相电路使用的开关器件总数量相等。但是对称混合五电平拓扑可以混合使用不同开关速度和耐压等级的开关器件，前级高频DC/DC单元可采用载波移相PWM，开关损耗均衡，换流回路短，缓冲吸收电路简单，可采用SiC Mosfet；后级高压H桥单元工作在基波频率，且可实现零电压开通和关断，开关损耗小，可采用高压IGBT或IGCT。因此，本文所提出的对称混合五电平拓扑在多相电机驱动场合具有很大的优势。

2 工作原理与特性分析

如图1(c)所示，本文所提出的对称混合五电平拓扑分为两级结构，前级为高频DC/DC单元，由两个半桥单元串联得到三电平直流输出；后级为高压H桥单元，用于翻转前级的直流电压从而得到交流输出。其基本工作原理如下：

1）开关Sx1–Sx4与Sx1'–Sx4'分别工作在互补状态；

2）H桥单元工作在双极调制状态，即Sx3和Sx4'同时开通和关断，Sx3'和Sx4同时开通和关断。

假设直流母线每个电容的额定电压均为E，基于上述开关原则，该拓扑一共有8种开关状态，可输出五种不同电平，如表1所示。

定义开关Sx1–Sx4的开关函数为fx1–fx4，由于高压H桥单元的作用是电压翻转，工作在基波频率，假设输出参考电压为ox，则Sx3和Sx4的开关函数为：

根据表1，高频DC/DC单元的输出电压dx可表示为：

经过高压H桥单元变换后的输出电压ox为

表1 高频DC/DC单元开关状态

此时前级高频DC/DC单元的参考电压refx可表示为：

由于Sx1和Sx2的工作状态可独立控制，根据式(2)，前级高频DC/DC单元可采用载波移相调制策略，开关Sx1Sx2的载波相位差180°，其开关状态和输出电压如图2所示。

图2 调制策略与输出电压示意图

3 电容电压平衡策略

该拓扑正常工作的前提是直流母线中点电压保持平衡。假设高频DC/DC单元的输出电流为dx，则直流母线中性点电流可表示为：

定义开关函数fx1和fx2在一个载波周期内的占空比为x1和x2，根据式(2)，前级高频DC/DC单元在一个载波周期内的平均输出电压可表示为：

假设载波频率足够高，且负载电流在一个控制周期内保持不变，则母线中点电流在一个载波周期内的平均值可表示为

当采用PSPWM时，由于参考电压在一个控制周期内保持不变，因此两个开关管的占空比为：

将式(8)代入式(7)可知，在理想情况下，母线中点电流在一个载波周期内的平均值为零。即在理想情况下母线中点电压可保持自然平衡，这是该拓扑能够实用的理论基础。

但是在实际应用中，存在开关频率不够高、死区、负载不对称等非理想因素，需要对电容电压进行主动的平衡控制。从式(7)可知，母线中点电流取决于负载电流和两个开关管的占空比，通过微调x1、x2的大小就可以实现母线中点的电压平衡控制。

假设母线电容电压cd2>cd1，dx> 0，根据式(7)需要增大x2减小x1，从而对电容Cd2放电Cd1充电。为了不影响平均输出电压，根据式(6)，两个占空比之和必须保持不变。因此对x1和x2的调整如下：

此时的中点平均电流为：

其中Δx为占空比的微调量，可由一个PI调节器得到。从式(10)可以看出，经过微调占空比，根据需要可以产生一个正或负向的母线中点电流对母线电容进行充放电，从而实现母线中点电压的平衡控制。

4 仿真结果

为验证所提出的拓扑与控制策略的正确性，基于MATLAB/Simulink平台搭建了一套对称混合五电平逆变器模型带阻感负载进行仿真验证，仿真参数如表2。

表2 仿真参数

图3 输出相电压

图4 输出相电流

图5 直流母线电容电压

图6 直流母线电容电压波动细节

图3~图6为稳态情况下调制比= 0.9时的仿真波形。图3是五电平的相电压，图4是五相输出电流波形，仿真结果表明该拓扑是可行的。图5是直流母线电容电压波形，两个电容电压均保持在额定电压2500 V附近波动，表明所提出的母线电容电压平衡控制策略是有效的。图6是电容电压波动细节，可以看出电容电压波动频率为载波频率，载波频率越高，电容电压波动越小。

图7为调制比突变情况下的母线电容电压平衡控制效果，调制比从0.2逐步增加到0.4、0.6、0.8和1.0。可以看出，在整个过程中母线两个电容电压均保持平衡，证明了所提出的电压平衡控制策略在稳态和暂态情况下都是有效的。

5 结论

中压大容量推进变频器是舰船中压直流综合电力推进系统的核心设备，针对这个难题本文提出了一种对称混合五电平拓扑，每相包括一个高频DC/DC单元和一个高压H桥单元，高频DC/DC单元采用低压器件工作在载波频率，高压H桥单元采用高压器件工作在基波频率，可零电压开通和关断。本文分析了该拓扑的工作原理和调制策略，建立了开关函数模型，得出了母线中点电压在理想情况下可保持自平衡的结论。在此基础上，进一步提出了一种微调PWM脉冲占空比的中点电压平衡控制方法。仿真结果表明该拓扑及其控制方法正确、有效。

图7 调制比突变情况下的电容电压平衡效果

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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

许晓晖(1981-)，男，高级工程师。研究方向：多电平变换器、船舶综合电力系统。E-mail: 13696855@qq.com