[发明专利]十五相三电平H桥推进变频器控制方法

说明书

本发明公开了一种十五相三电平H桥推进变频器控制方法，所述十五相三电平H桥推进变频器由三个相同通道组成，每个通道包括五个H桥逆变单元，每个H桥逆变单元采用二极管钳位式三电平H桥主电路；所述控制方法包括无中性线控制方法、高频振动抑制方法、直流输入电流谐波抑制方法及电机串轴控制方法。中点电位控制方法采用基于零序电压注入的中点电位调节，实施简单，不影响原有控制方法；中点电位控制策略基于单个三电平H桥拓扑进行中点电位调节，不同相H桥拓扑主电路及控制策略相对独立，易推广到多相H桥拓扑，通用性强；中点电压比例‑积分闭环调节器，可实现三电平H桥拓扑中点电位平滑控制。

技术领域

本发明属于十五相三电平H桥推进变频器技术领域，具体涉及 一种十五相三电平H桥推进变频器控制方法。

背景技术

船舶综合电力系统(Integrated PowerSystem，IPS)将传统船舶 机械推进系统和电力系统合二为一，实现了全船能源统一供应、分配、 使用和管理，代表着船舶动力系统未来的发展方向。推进电机系统是 综合电力系统船舶的核心主推设备，推进功率大，同时，为达到机动 性、声隐身性和高可靠性等战术指标，需要其推进电机系统具有大容 量、低振动噪声和高冗余性等特点，此外，由于船舶内部空间有限， 还要求推进电机系统兼具高转矩密度的特点。推进电机作为船舶机动 性的保证，对其高可靠性的要求不言而喻，采用多套多相绕组方案可 以减小每相功率器件的容量，增加安全裕度，提高系统的冗余性。此 外，相数越多，转矩脉动频率越高，幅值越小，电机振动噪声降低。 因而多相多通道大容量推进电机由于其冗余性、高功率密度、低转矩 脉动等一系列优点，非常适合用于船舶电力推进。

相对于传统的机械推进，电力推进推进具有效率高、有效载荷大、 灵活性好、维护性好、燃油经济好等优点。中压多相电机系统可满足 大功率电力推进系统容量大、可靠性好、转矩密度高等要求，而中压 多相开绕组电机系统配套的多相NPC三电平H桥拓扑变频器因主电 路拓扑简单、有倍频效果，具有良好的容错能力及对器件耐压要求低 等特点，成为船舶大容量推进电机系统首选方案，在中高压中大功率 场合中得到了广泛应用。但直流电容电压不均衡问题是NPC型H桥 三电平拓扑中的固有缺陷，中点电压偏移会影响输出电压的对称性， 并增加电压谐波含量，电压偏移严重时会使三电平电路失去其可增加 输出电平数、输出电压质量高等原有优势，甚至导致功率器件过压损 毁。虽可通过硬件上设置中性线，降低控制的难度，但对前端供电电 源提出了新的要求，且易导致系统结构及保护复杂化。

对于高频振动噪声抑制，目前主要有以下四种方法：(1)提高功 率器件PWM开关频率或采用倍频主电路，使输出开关频率达到 10kHz考核频率以上，对于大功率变频器提高开关频率一般不可行， 而采用倍频主电路将导致装置体积增加；(2)加装输出滤波器，通过调整滤波器参数使其截止频率低于输出开关频率，此方法将导致输出 滤波器体积大幅增加，对于开关频率为500Hz～1kHz的中高压大功率 变流装置一般不可行；(3)采用随机PWM调制方法，其可将输出开 关频率处谐波频谱打散，然而实测结果表明其只是将振动能量频谱分 散，没能实现总振级降低；(4)采用载波移相方法，调节两台两电平 逆变器三角载波相位，使得两套同槽电机绕组中对应高频电流产生的 磁动势相互抵消，实现电机高频振动噪声抑制，该方法简单实用，在 不增加任何硬件投入情况下，有效降低了电机高频振动，然而其没考 虑低开关频率中高压大功率多相电机系统采用载波移相将导致输出 电流不对称问题，包括没考虑大容量多相电机系统可能非同槽，需综 合研究通道内、通道间组合载波移相方式。

中压多相电机系统可满足大功率电力推进系统容量大、可靠性 好、转矩密度高等要求，而中压多相开绕组电机系统配套的多相NPC 三电平H桥拓扑变频器因主电路拓扑简单、有倍频效果，具有良好 的容错能力及对器件耐压要求低等特点，成为船舶大容量推进电机系 统首选方案，在中高压中大功率场合中得到了广泛应用。但随着推进 容量的增加，变频器直流输入谐波问题愈发突出，从抑制供电系统电 流谐波出发。