三电平PWM整流器双闭环控制系统的研究

1、第卷第期年月电力电子技术，定稿日期：作者简介 ： 冯丽超 （） ， 女， 黑龙江佳木斯人， 硕士研究生 。 研究方向为多电平变频器的矢量控制。引言伴随着各种谐波标准逐步被工业界采纳，功率因数和谐波含量已成为设计电力电子设备时不得不考虑的因素。由传统的不控整流和相控整流过渡到 整流已成为发展趋势。与传统的整流方式相比， 整流采用 技术控制整流桥臂上各开关管的导通和关断， 使电路的输入电流近似为正弦，且与输入电压同相位， 因此具有功率因数高， 输出电压纹波小，动态响应好等优点。在高压大容量应用领域，三电平 整流器拥有明显的优势。 与更高电平整流器相比，其控制相对简单，硬件成本较低；与同电压等级的两

2、电平 整流器相比，则具有主功率开关管承受电压低， 相同开关频率下电流谐波小等优点。三电平整流器电路拓扑数学模型三电平 整流器主电路拓扑结构如图所示。对三相三电平二极管箝位式整流器而言，由于每相输入相对于输出中性点都有种可能的电平，这样三相总共可以输入个电平状态， 对应空间矢量控制的 个矢量状态。相比两电平的个空间矢量来说， 增加了可选矢量的范围，有利于提高控制性能。为便于推导出系统的数学模型，可将每相开关状态用开关函数表示， 以 相为例，开关函数的分解如表 所示。 ， 相的开关函数亦可照此分解。图 三电平 整流器主电路拓扑结构表三电平整流器相开关函数由等效电路可得如下电路关系： !#$（ ）

3、!#$（ ）在三相对称的情况下：三电平 整流器双闭环控制系统的研究冯丽超 ，李永东 ，王琛琛 ，饶建业（ 清华大学， 北京）摘要 ：在三电平 整流器数学建模的基础上， 通过电流电压的双闭环控制，达到了有功无功解耦控制的效果，实现了网侧单位功率因数。针对三电平变换器中直流母线电容电压平衡问题，给出了解决方案。实验结果验证了该控制方案的可行性， 可有效保持直流母线电压的稳定，使其具有电流谐波含量低、 动态响应性能好、 抗干扰能力强等优点， 具有很强的实用性。关键词 ：整流器； 脉宽调制 双闭环控制； 中点电压平衡； 单位功率因数中图分类号：文献标识码：文章编号 ：（ ） ， ， ， （ ，）： ，

4、 ， ， ， ， ：； ；（ 高电平） （ 低电平） （ 零电平）!#$!#$!#$， （ ）推导以上三式，并将 ， ， 坐标系变换到两相静止 ， 坐标系中，在恒功率变换的 ， 坐标系下，三电平 整流器的数学模型为：!（ ）式中：!； !； ! ! #$%&(，! ! )* ! )*! )* ! )*#$%&(。三电平整流器双闭环控制系统原理根据 整流器在同步旋转坐标系下的数学模型，将同步旋转坐标系的 轴取为与 相电压相量重合，则在同步旋转坐标系下，网侧输入有功功率和无功功率分别为：， （ ）由式（） 可知，当电网电压恒定时，控制轴电流 即可控制 ， 控制 轴电流 即可控制 。

5、重写式（ ） 中 逆矩阵的前两项， 得： ! ! +-,-.（ ）式中： ! 为网侧电压矢量旋转的角速度；， 为交流侧整流前端电压， )*， )*。定义交叉耦合项为： ! ， ! （ ）定义 ， 轴前馈补偿量为：， （ ）由式（ ） （ ） 得状态反馈解耦电流环控制系统框图如图 所示， 则电流环传递函数变为：! #$%&(! （ ）图 状态反馈解耦电流环控制系统框图当整流器运行在单位功率因数状态即网侧输入无功为零时刻， 应满足， 而即为电压外环调节器的输出。在同步旋转坐标系中，原来三相坐标系中的交流量都成了直流量，根据式（ ） 可采用 调节器进行电流控制， 通过控制 控制整流器的有功功

6、率，控制 控制整流器的无功功率，这就是基于同步 的控制方法， 其控制框图如图所示。图同步旋转坐标系下双闭环控制示意框图三电平算法的中点电压控制在虚坐标系下，由于大大简化了合成参考矢量的选择和矢量对应的作用时间的计算，并且还可以分别控制零序分量和非零序分量， 因而采用虚坐标系作为矢量计算的基本坐标系，详细的算法和虚坐标系的法则在相关书籍上都有介绍， 在此不详述。在虚坐标系下，只需将参考矢量终点的坐标值分为整数和小数两部分， 对整数部分进行简单的运算即可得到最近的 个基本矢量的坐标； 而对小数部分几乎无需运算即可直接得到 个输出点的作用时间。 确定 个基本矢量后，每个矢量通常对应个不同的开关状态。

7、定义一个采样周期内顺序输出的开关状态为输出开关序列，则个矢量的全部冗余开关状态可以组成若干组输出开关序列，每一组序列对应不同的零序分量输出， 通过选择不同的开关序列，即可实现不同的零序目标。图 所示的二极管箝位型三电平整流器以平衡控制运行状态中的直流侧电容电压为目标，控制的多目标矢量为 或 ， 即通过控制两个直流电容电压偏差， 使 最小为零序控制目标。忽略整流侧电压波动并假设 ，则整流器两个电容电压现中点输出电流变化量之间的关系符合：，（ ）根据表 定义的三相开关函数， 则在某瞬时， 中点电流与开关函数及三相电流关系的表达式为：（ ）在实际应用中， 控制目标表达式为： （ ）通过计算 最小时的

8、开关序列确定冗余开关状态的选择。 对于其他逆变器拓扑或控制目标，亦可采用该方法来实现， 如最小的输出谐波畸变、开关损三电平整流器双闭环控制系统的研究第卷第期年月电力电子技术，耗平衡控制等。实验验证根据前述三电平 整流器双闭环控制系统算法，以高性能电机控制专用芯片为控制核心，搭建了三电平 整流器系统，实验时整流器的负载为电阻负载，实验参数：三相交流输入线电压 ， 交流侧电感 ， 直流母线所接电容! ， 直流母线电压设定值 ， 采样频率， 负载电阻 。稳态时线电压和相电流波形如图 所示。由图可见， 超前 约 ， 可知相电压和 同相， 功率因数 ! 。 在带负载运行时下， 可控整流投入运行前后， 波

9、形如图 所示，可见可控整流投入后，波形正弦，谐波含量大大减少。在空载下启动可控整流，突加负载和突卸负载时的直流母线电压 和 如图 ， 所示，可见在负载突变的情况下，可控整流能够有效地控制， 迅速实现单位功率因数。图 可控整流下突加减负载时直流母线电压和相电流稳态情况下直流母线上下两个电容电压与得到有效控制， 其差值如图所示，可见 与平衡， 中点电压稳定。图 上下直流母线电容电压结论将双闭环控制应用于三电平 整流器， 通过开关状态的选择可有效控制直流母线上下电容电压的平衡。该三电平 整流器不仅具有良好的动态性能和稳态性能，而且使输入侧的功率因数接近于 ， 输入电流谐波含量很小，同时有效控制了直流

10、母线电压稳定， 使其输出电压纹波小， 抗负载扰动能力强。最后通过实验验证了整个系统方案的可行性和有效性。参考文献 ， ： 王琛琛 异步电机三电平无速度传感器矢量控制系统的研究 北京：清华大学电机工程及应用电子技术系， 熊健， 康勇 三相电压型整流器控制技术研究电力电子技术， ， （ ） ： 李永东，肖曦， 高跃 大容量多电平变换器原理? 控制? 应用 北京： 科学出版社， 钟彦儒，高永军，曾光 采用空间电压矢量 方法三电平逆变器研究电力电子技术， ， （ ） ： 图 稳态线电压和相电流及带载时可控整流启动相电流#$%$（上接第49页）本专题的主要征文范围包括： 宽禁带半导体电力电子器件？模型 、 设计 、 研制 、 应用 ； 功率，及其他新型电力电子硅器件的研制、 性能优化和应用； 新型电力电子器件模块与电力电子混合集成电路；高压集成电路与； 特大功率晶闸管（ 含，等 ） 的设计 、 制造工艺与测试； 新型电力电子器件的使用方法与测试方法； 电力电子器件的可靠性； 制造电力电子器件