一种单相三电平中点钳位整流器的SVPWM控制方法.pdf

2007 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol 22 No 7 第 22 卷第 7 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul 2007 一种单相三电平中点钳位整流器的 SVPWM 控制方法 宋文胜 冯晓云 蒋 威 西南交通大学电气工程学院 成都 610031 摘要 针对单相电压型三电平中点钳位 NPC 整流器 首先分析其工作原理 建立其基于 开关函数的数学模型 针对单相三电平整流器直流侧两电容电压调节不平衡问题 探讨了一种基 于空间电压矢量调制 SVPWM 控制方法和电压前馈的中点电位控制方法 并在 Matlab 环境下 进行了计算机仿真 仿真结果表明 在机车运行的两种典型工况即牵引和再生制动下 SVPWM 调制使得牵引变压器一次侧功率因数接近于 1 在电网侧可获得近似正弦的电流波形 而且该调 制方法易于离散数字化实现 该电压平衡方法能够有效地平衡直流侧电容电压 关键词 PWM 整流器 三电平 中点电位控制 SVPWM 中图分类号 TM921 45 A SVPWM Method for Single Phase Three Level NPC Voltage Source Rectifier Song Wensheng Feng Xiaoyun Jiang Wei Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China Abstract The operating principle of single phase three level neutral point clamped NPC voltage source rectifier is analyzed firstly and its mathematical model is founded with switching functions According to the problem of DC link voltage unbalance for single three level rectifier space vector modulation PWM method SVPWM and feedback neutral point potential voltage control are discussed and the computer simulation in Matlab is carried The simulation results show that under the two typical modes of the locomotives traction and regenerative modes the power factor on the line side is nearly unity by the SVPWM strategy and the waveform of the current on the line side is nearly sinusoidal The method is effective in discrete implementation The capacitors voltage of the DC link is balanced by the voltage balancing method Keywords PWM rectifier three level neutral point voltage control SVPWM 1 引言 迄今为止 我国铁路已经先后进行了六次大提 速 在 2007 年 4 月 18 日的第六次提速中 和谐号 CRH2 系列的交流传动高速动车组 已在我国铁路 旅客运输中起着至关重要的作用 电压型 PWM 整 流器是交流传动系统的一个重要组成部分 目前国 内电力机车使用的 PWM 整流器普遍采用两电平拓 扑结构 1 存在开关器件所承受的电压应力较大的 缺点 而和谐号 CRH2 动车组所采用的三电平 NPC 结构 2 的 PWM 整流器具有开关器件所承受的电压 应力低 容量大 成本低等特点 而且能产生 5 个 电平的线电压 在相同开关频率及控制方式下 其 输出电压和电流中的谐波含量远小于传统的两电平 变流器 本文主要以单相三电平 NPC型 PWM整流器 3 5 为研究对象 从分析其主电路结构出发 利用开关 函数的概念 建立了其数学模型 将三相 PWM 逆 变器和整流器的 SVPWM 控制思想引入单相三电平 PWM 整流器中 探讨了一种适合于单相三电平整 流器的 SVPWM 调制方法 为解决三电平整流器直 铁道部重点项目 20060802 资助项目 收稿日期 2007 02 28 改稿日期 2007 06 25 70 电 工 技 术 学 报 2007 年 7 月 流侧电压不平衡问题 引入一种电压前馈的直流侧 电容电压平衡方法 6 并进行了计算机仿真 2 PWM 整流器工作原理及数学模型 单相三电平 PWM 整流器主电路如图 1 所示 采用 8 个功率开关器件来构成两组对称的桥臂 并 且这两组桥臂带 4 个钳位二极管以防止电容 C1或 C2端因开关操作而发生直通 L 为网侧限流电感 R 为网侧漏电阻 其大小可以忽略 C1和 C2为直流 侧两个支撑电容 该整流器可以实现机车在牵引和再 生制动两种工况下运行 因此也称作四象限变流器 图 1 三电平整流器的拓扑结构图 Fig 1 The adopted three level rectifier topology 为了便于分析 定义理想开关函数 SA和 SB如下 1a2a A2a3a 3a4a 1 S S 0 S S 1 S S S 1 1b2b B2b3b 3b4b 1 S S 0 S S 1 S S S 2 由式 1 和式 2 得到主电路的等效电路如 图 2 所示 每组桥臂可以等效为一个开关 该开关 具有 1 0 1 三种等效状态 两组桥臂有 32 9 种 开关组合 主电路有 9 种工作模式 开关状态及相 应的电压值如表 1 所示 图 2 电平三整流器的开关等效电路 Fig 2 Switch state equivalent circuit of the rectifier 表 1 PWM 整流器的工作状态 Tab 1 Operation states of the adopted PWM rectifier S1aS2aS3aS4aS1bS2bS3bS4b SA SB uao ubouab模式 11001100 1 1 u1 u10 1 11000110 1 0 u1 0u12 11000011 1 1 u1 u2u1 u23 01101100 0 1 0 u1 u14 01100100 0 0 0 00 5 01100011 0 1 0 u2u26 00111100 1 1 u2 u1 u1 u27 00110100 1 0 u2 0 u28 00110011 1 1 u2 u20 9 根据表 1 中的工作状态 由基尔霍夫定律可知 网侧输入端电压和直流侧的电流可以表示为 AAAA ao12 1 1 22 SSSS uuu 3 BBBB bo12 1 1 22 SSSS uuu 4 AABB abaobo1 1 1 22 SSSS uuuu AABB 2 1 1 22 SSSS u 5 假设开关管为理想模型 在换相过程中没有功 率损失和能量储存 交流侧与直流侧瞬时功率应当 相等 则 ab s1 12 2 u iu iu i 6 将式 6 代入式 5 中 则 AABB 1s 1 1 2 SSSS ii 7 AABB 2s 1 1 2 SSSS ii 8 对图 1 中的 o 点采用基尔霍夫电流定律 有式 9 成立 22 o12BAs iiiSSi 9 根据基尔霍夫定律 该变流器的主电路数学模 型可以表示为 s ssab 112 1 1L 212 2 2L d1 d d1 d d1 d i uRiu tL uuu i tCR uuu i tCR 10 其中 RL为直流侧负载电阻 导通 导通 导通 导通 导通 导通 第 22 卷第 7 期 宋文胜等 一种单相三电平中点钳位整流器的 SVPWM 控制方法 71 3 控制策略 本节给出一种基于 SVPWM 调制和中点电位控 制的高性能单相三电平中点钳位 PWM 整流器控制 方法 该 PWM 整流器的控制原理框图如图 3 所示 采用电压外环 电流内环的双闭环控制策略 电压 外环采用 PI 控制器 通过将直流侧电压 udc与其给 定值 dc u的偏差信号进行 PI 调节得到电网侧电流的 给定值 s i的幅值 其相位和频率通过锁相环 PLL 从电网侧电源电压 us上获取 电流内环采用预测电 流控制 由于该整流器存在两电容电压不平衡问题 在控制系统中 加入了电容电压补偿环节 两个电 容间电压之差的变化通过电压平衡调节系数 K 引至 电流控制环 以平衡中间电压 图 3 PWM 整流器控制策略 Fig 3 Control scheme for PWM rectifiers 3 1 预测电流控制原理 电流内环采用预测电流控制 其工作原理为 假设电网侧电流 is tk 经过一个开关周期后能够达到 给定的电流值 见式 11 sss kk i tTi t 11 由式 10 和式 11 可以得到 在一个开关 周期 Ts内 有式 12 成立 ss abss s L ii uuRi T 12 由式 12 可以计算出调制信号 ab u作为 SVPWM 调制模块的输入 3 2 SVPWM 原理 对于 Boost 型三电平结构的整流器 可以将其 工作模式划分为 4 个工作区域 如图 4 所示 表 2 给出了相应区域所对应的电平 电网侧输入端给定 电压 ab u应为一个正弦信号 在一个开关周期 Ts内 如果 Ts较小 可以认为 ab u为一个恒定值 采用面 积 等 效 原 理 考 虑 两 电 容 上 的 电 压 平 衡 时 u1 u2 udc 2 用两个幅值相差 udc 2 的两个状态 量 Vk和 Vk 1来等效 如图 5 所示 例如在区域 2 中 当 us 0 时 采用 Vk udc 2 和 Vk 1 0 的 PWM 信号 来等效 ab u 当 Vk udc 2 时 电路工作在模式 2 和 6 模式 2 和 6 的作用时间分别为状态 Vk工作时间的一 半 当 Vk 1 0 时 电路工作在模式 5 其他区域也 可以根据表 2 进行分析 图 4 工作模式的区域 Fig 4 The regions of operation Modes 表 2 相应电平的工作区域 Tab 2 Operation areas of the corresponding level 工作区域区域 1 区域 2 区域 3 区域 4 Vk dc 2 u dc 2 u dc 2 u dc 2 u Vk 1 udc 0 0 udc Mode Vk 2 和 6 2 和 6 4 和 8 4 和 8 Mode Vk 1 3 5 5 7 图 5 SVPWM 调制方式 Fig 5 SVPWM modulation method 由表 2 和图 5 可知 有如下关系式成立 dc 1 2 kk u VV 13 s abab s d k k tT t utu T 14 s ab11 2 d k k tT kk t utV TVT 15 12s TTT 16 式中 T1 状态量 Vk的作用时间 T2 状态量 Vk 1的作用时间 则在一个开关周期 tk tk Ts 内 由面积等效原 理可得 ab s11 2kk u TV TVT 17 联立式 16 式 17 可以求出状态量 Vk 72 电 工 技 术 学 报 2007 年 7 月 作用的时间 T1和 Vk 1作用的时间 T2 1ab1s1 kkk TuVTVV 18 2s1 TTT 19 4 仿真研究 系统参数设定如下 电网侧电源电压的有效值 Us 1500V 网侧电感 L 2mH 电网侧漏阻 R 0 2 直流侧电容 C1 C2 2200 F 直流侧电压给定值 dc U3000V 负载电阻 RL 20 开关频率 fs 1250Hz 加入 LC 二次滤波环节 滤波环节的参数为 2 L 0 84mH 2 C 3000 F 采用 Matlab Simulink 进行 计算机仿真 图 6 所示为整流器工作在牵引工况下的波形 图 7 为整流器电网侧输入端电压 uab的波形 图 8 为整流器由空载向牵引工况切换时的波形 图 9 为 再生制动工况下的波形 图 10 为电网侧电流 is的频 谱特性 a 电网侧电压与电流的波形 b 两电容上电压 u1和 u2波形 图 6 整流器在牵引工况下的波形 Fig 6 Waveforms of rectifier in the traction mode 图 7 整流器输入端电压 uab的波形 Fig 7 Input port uab of the rectifier a 网侧电压与电流波形 b 两电容电压 u1和 u2波形 图 8 整流器由空载向牵引工况切换时的波形 Fig 8 Switching from unloaded to rectifier on 图 9 再生制动工况下电网侧电压与电流波形 Fig 9 The mains voltage and the line current under the regeneration mode 图 10 网侧电流 is的频谱特性 Fig 10 FFT analyse parameters about the line current 由图 6 和图 9 可知 该控制算法有效地实现了 三电平 PWM 整流器单位功率因数四象限运行 由 图 8 可知 该控制算法实现了整流器较好的动态性 能 由图 10 可知 在开关频率为 1250Hz 时 电网 侧电流的总谐波畸变率仅为 1 27 满足国际标准 IEC1000 3 2 5 结论 本文探讨的这种 SVPWM 调制方法有效地实现 了整流器在牵引和再生制动两种工况下运行 具有 较高的功率因数 直流侧两电容电压基本能维持平 第 22 卷第 7 期 宋文胜等 一种单相三电平中点钳位整流器的 SVPWM 控制方法 73 衡 与 SPWM 调制相比较 该调制方法更易于离散 的数字化处理器的实现 参考文献 1 李伟 张黎 交 直 交传动系统网侧变流器预测电流 控制方法的计算机仿真及实现 J 中国铁道科学 2002 23 6 49 54 2 Nabae A N Takahashi Akagi H A new neutral point clamped PWM inverter J IEEE Trans on Industry Application 1981 IA 17 5 518 523 3 Salaet J Alepuz S Gilabert A et al D Q modeling and control of a single phase three level boost rectifier with power factor correction