刘广财，张洁

（ 1.上海电动工具研究所（集团）有限公司 上海宝准电源科技有限公司，上海 200233；2.上海江南长兴重工有限责任公司，上海 201913 ）

基于T型三电平岸电电源的设计和控制方法

刘广财1，张洁2

（ 1.上海电动工具研究所（集团）有限公司 上海宝准电源科技有限公司，上海 200233；2.上海江南长兴重工有限责任公司，上海 201913 ）

设计了T型三电平逆变器的主回路，研究T型三电平的载波反向叠层控制算法，应用Matlab/Simulink软件对控制系统进行仿真分析，并在实际样机上进行了控制算法的试验，得到理想的三电平电压波形。现已应用于港口大功率岸电电源的设计和生产中，实际结果表明该控制方法具有较高的抑制谐波功能。

T型三电平；载波反向叠加；控制系统；仿真

0 引言

大功率港口岸电电源主逆变结构可分为中压逆变器并联方式和采用IGBT级联的高压变频器两大类。近年来，采用高压变频器作为核心逆变器的方案在大功率变频电源领域得到了较为广泛的应用，尤其在新兴的港口岸电电源控制系统中，由于其开发周期短、占用空间小而成为港口岸电电源系统的主流。然而，此种高-高变频岸电电源系统在供电可靠性方面略显欠缺，当有一只逆变IGBT出现故障时，整台岸电系统即可陷入瘫痪，不能继续维持对泊船的供电。本文设计了基于T型三电平中压逆变器结构为基础的大功率岸电电源，拓扑结构为高-低-高的控制方案，其中，中压逆变环节为多台并联结构，可实现故障自动退出，剩余系统降容继续维持供电。利用Simulink软件，在Matlab环境下建立了三电平逆变器系统的数学模型，给三电平逆变器的程序控制的调整提供了准确直观的理论指导。进一步做了单体样机，完成了全压测试，试验结果证明系统的可行性。

1 结构与控制

T型三电平逆变器由上管IGBT、下管IGBT、中性点IGBT组成，其原理拓扑结构如图1所示。

图1 T型三电平逆变器结构

每三相T型逆变回路结构组合一起构成了一台三电平三相逆变器。直流供电回路两组独立的整流系统，通过大容量储能电容串联，组成具有正极、负极、中心点的直流系统。

T型三电平逆变器的结构中，上管IGBT和下管IGBT承受额定直流正负极电压，故选择英飞凌3 300 V的IGBT。中性点电位最多承受一半的正负极直流母线电压，故选择英飞凌1 700 V的单管IGBT，两只管串联使用，分别交替做开通和续流切换。

图2为T型三电平岸电电源控制结构。

图2 T型三电平岸电电源控制结构

中央控制CPU选择TI公司32位高速DSP芯片TMS28335，外部通信及控制总线选择LATTICE公司FPGA。DSP主频高达150 MHz，负责SPWM波的算法及调制数据输出，AD数据采集和分析以及PID算法控制程序。FPGA负责与每路从CPU数据总线通信，与DSP间数据交换，IO采集等。CPU负责将中央控制DSP发来的SPWM波调制数据进行算法解析，分离出三电平控制逻辑，从而驱动三电平逆变器。

由图2可以看出，本设计的岸电电源由两台相同三电平逆变电源并联组成。逆变电源设计出口正弦电压为1 140 V，每台逆变电源内部有自己的控制CPU，对本台逆变电源所有逆变器进行控制和数据监视，包括输出电压、输出电流、当前温度采集和回传主控制CPU。两台逆变电源输出的正弦电压直接并联。

输出正弦电压通过采样电路进入主控DSP的PID算法程序，电压闭环为负反馈控制，采用高精度12位AD，可实现输出电压的高精度控制。

系统设计控制周期为：DSP主频150 MHz，基本控制周期1 ms；SPWM调制中断周期设置为外部中断，中断周期100 μs；从控CPU保护跳闸动作为立即动作，动作上传时间为100 μs；光纤通信周期为100 μs，即PWM控制信号刷新时间为100 μs。

逆变器设计额定电流400 A，输出电压有效值为1 140 VAC，考虑到正负极间的寄生电容，特殊制作了叠层母排结构。

2 仿真

三电平逆变器主要有两种结构，I型结构和T型结构。I型结构四只IGBT采用串联形式，这种形式的优点是：由于每只IGBT只承受一半的直流母线电压，所以对IGBT的耐压要求比较低，使得硬件成本降低。但在实际控制过程中，I型逆变器结构中上桥和下桥的两只IGBT的开通和关断要求有严格的顺序控制，否则会因耐压不够而导致IGBT炸毁，这就对控制逻辑提出更高的要求。

在实际工程中，为实现更为可靠的控制方案，多采用T型逆变器结构作为三电平逆变电源的主结构。本文的仿真和算法也是基于T型三电平逆变器主回路进行设计的。

三电平逆变器的控制算法多采用基于空间矢量的SVPWM算法，这种算法虽然可以直观计算出各基本矢量的作用时间，但各电压矢量的相位角使用了大量的三角函数，实现时需要预先计算矢量作用时间并存储大量表格数据，计算复杂，难度相当大。本文通过对SVPWM算法进行进一步分析，综合考虑SPMW脉宽调制算法，提出了以在中央控制DSP中预存标准余弦表，以查表的方式在每次控制中断中产生当前控制的调制波信号。调制波信号通过光纤通信发送到从控DSP内。从控驱动板DSP和FPGA组合成为从控CPU，FPGA产生两路独立的三角载波信号，采用载波叠加的控制方式，分别与调制波信号进行比较，可实现控制输出四路PWM的信号。

2.1SPWM调制波的生成及余弦表

SPWM调制波的计算公式如下：

在实际操作中，M为电压幅值的调制比：

其中，Udc为直流母线电压，Um为PID控制得到的当前输出电压值。需要注意的是，由于采用了标幺处理，Um实际是百分比的小数。

系统中断频率为10 kHz，若每次中断分别做离散余弦控制，系统完成一周为2 π弧度，则：每一次中断控制需要步进的角度为：

由此可以得到完成一个周期控制时，所需要的全部余弦值，并将此余弦值按顺序存在一个数组中。

实际运算时，根据PID控制器得到的输出电压值求得当前输出调制比，再根据当前输出频率查表得到下输出的相位即可得到单相SPWM波的调制波数据。

2.2四路PWM驱动波形信号产生

从控CPU程序控制结构如图3所示，仿真图中，左侧为输入信号，右侧为输出信号。从图中可以看出，CY7和CY8为两路独立的载波控制程序，Ua、Ub、Uc为SPWM信号控制下产生的三相调制波形。

每100μs数据通信接收完毕，从控CPU产生中断信号，三相调制波与载波CY7进行比较，即，仿真图中CP1、CP3、CP5为正向比较器，比较器后端逻辑判断如下：

1）调制波大于或等于载波时，开通T1管，关断T3管；

2）调制波小于载波时，开通T3管，关断T1管。

与此同时，三相调制波也与三角载波CY8进行比较，即，仿真图中CP2、CP4、CP6为反向比较器，比较器后端逻辑判断如下：

1）调制波小于载波时，开通T4管，关断T2管；

2）调制波大于或等于载波时，开通T2管，关断T4管。

图3 四路PWM控制波形产生算法

2.3T型三电平逆变器主回路仿真

得到驱动波形信号后，在仿真环境中搭建T型三电平变频电源的主回路仿真图。如图4所示，图中波形控制信号模块的内部控制程序来自于图4的仿真结果。在图4中，三相PWM控制信号，其中每相又分为PWM_H、PWM_Z、PWM_Y、PWM_L。分别对应的IGBT为T1、T2、T3、T4，具体位置可参见图1。

图4 T型三电平变频电源系统仿真

系统直流由二极管整流得到。仿真图中，直流侧中心点为接地处理，在实际制造过程中，这个中心点为相对零电位，即由两路独立的整流电源串联得到。系统中间为三路T型三电平逆变器，逆变器内的IGBT的开关工作逻辑分别由每相的四路驱动信号控制。系统右侧为L-C滤波模块，三电平波形经过滤波处理后，得到正弦波。

图5中的示波器SCOP1测量仿真得到三相三电平PWM波形，经过试验仿真，得到了完美的三电平PWM电压波形，如图6所示。

图5 三电平PWM仿真波形

由图6可以看出，在三相输出相位方面：U/V/W三相电压相差角度分别为120°；从单路PWM波的阶梯方面：中性线到波峰或波谷为三个电平的阶梯波。三电平阶梯波基本模仿了正弦波电压的走势。

图6 三电平正弦仿真波形

图7为三电平波形经过L-C滤波器滤波后得到的正弦波波形。

图7 三电平PWM波形

从经过滤波后的正弦波形中可以看出，在靠近波峰和波谷的位置，存在轻微的畸变，这应该是滤波系数匹配不均造成的，实际样机中要做几款滤波器，分次验证。

3 样机测试

3.1结果验证

T型三电平变频电源实际样机中，载波频率设定为2．5 kHz，直流母线电压为1 700 VDC。

采用泰克示波器TDS2024，主频1 GHz，测量T型三电平逆变器输出波形，如图8所示。在实际的样机中，试验得到了想要的三电平PWM波形。

图8 滤波后的正弦波形

3.2 优化调整

由图7仿真中得到的正弦波形可知，设计一套匹配的低通滤波器可以有效的去除谐波造成的波形畸变。在实际样机试验中，通过设计不同的电感值和电容值，以及两者的匹配，来找到针对港口用电60 Hz滤波的最佳低通滤波器。设计滤波电感120 μH，滤波电容150 μF，接成三角形，通过此滤波器后，可以得到较为完美的正弦波波形。

4 结语

设计了大功率岸电电源的T型逆变器结构，并进行控制方法的仿真，建立了基于T型三电平逆变器控制系统的控制模型，提出基于SPWM波的反向载波叠加的三电平控制方案，改善传统基于SVPWM波控制方式的过于繁琐的算法。给T型三电平逆变器的控制算法提出理论指导，并在实际样机上进行了控制方法的验证，试验结果可以实现标准的三电平PWM波形的控制。应用于大功率岸电电源的控制系统中，通过试验验证取得了较高的控制稳定性和大电流时的谐波抑制能力，现已成功应用于港口岸基供电系统中，并得到了很好实际验证。

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Control method of T type three level shore power supply

LIU Guang-cai1, Zhang Jie2
(1. Shanghai Electric Tool Research Institute (Group) Co., Ltd. Shanghai Bao-zhun Power Technology Co., Ltd. 200303 2. Shanghai Jiangnan Changxin Heavy Indistry Co., Ltd. 201913)

This paper shows the main circuit of T type three level inverters and research on T three level control algorithm of carrier wave reverse stack. The control system was simulated and analyzed by utilizing the software of Matlab/Simulink. The control algorithm is tested on the actual prototype, while the expected three level voltage wave form is obtained. It has been applied to the design and production of high shore power supply systems. The practical results show that the control method has the advantages of high suppression of harmonic function and wide range of sine wave.

T type three level; Carrier reverse stack; control system; simulation

TM921

A

1674-2796（2016）06-0012-04

2016-09-10

刘广财（1984-），男，硕士研究生，工程师，主要从事大功率变频电源的研发与设计。