基于SVPWM三電平整流器的設(shè)計與研究

譚姍姍

【摘? 要】以提升機的整流裝置為研究背景，從通用性出發(fā)，重點針對大功率發(fā)射機功率因數(shù)低的問題，開發(fā)包括整流器在內(nèi)的新型電力電子變流裝置，使其在使用時既不產(chǎn)生諧波，也不消耗無功功率，即在整流電路工作時，使輸入側(cè)的電流正弦化，輸入功率因數(shù)為1或者接近于1，能量實現(xiàn)雙向流動，真正實現(xiàn)綠色電能的轉(zhuǎn)換，因此研究這樣一種特種電源具有重要的實用意義。

【關(guān)鍵詞】三電平整流器;SVPWM;控制技術(shù);中點平衡

由于電力電子器件、高精度高速運算芯片、實時仿真及控制等技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電力電子裝置正廣泛地應(yīng)用于交直流可調(diào)電源、電力供電系統(tǒng)、電氣傳動控制與電化學生產(chǎn)等領(lǐng)域給人們帶來了一系列的新問題：無功和諧波對電網(wǎng)的污染日益嚴重，環(huán)境逐漸惡化，能源也越來越匱乏。在這個背景下，隨著多電平技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，對三電平整流器的研究近年來成為熱點，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，消除電網(wǎng)諧波污染，已成為整流器技術(shù)發(fā)展的趨勢。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量的非線性電力電子變流裝置在現(xiàn)代工業(yè)、交通、國防、生活等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如交直流換流設(shè)備、整流器以及輸入端為整流電路的變頻器和不間斷電源等，它們完成了對電能進行變換處理的任務(wù)，使得用電設(shè)備處于比較理想的工作狀態(tài)，或者滿足負荷某些特殊的要求，從而獲得最大的經(jīng)濟效益。當今，經(jīng)過變換處理后再供用戶使用的電能在全國總發(fā)電量中所占的百分比，已經(jīng)成為衡量一個國家技術(shù)進步的主要標準之一[1]。然而，這些非線性負荷設(shè)備在傳遞、變換、吸收過程中把部分基波能量轉(zhuǎn)換成諧波能量，造成交流輸入電壓、電流發(fā)生畸變，向系統(tǒng)中注入高次諧波，使輸入功率因數(shù)降低，電能質(zhì)量下降，對電力系統(tǒng)包括用戶的安全、經(jīng)濟運行產(chǎn)生嚴重的危害和影響，甚至造成電力設(shè)備的損壞，干擾保護產(chǎn)生誤動，引發(fā)電力系統(tǒng)大面積停電等事故。隨著電力電子的迅猛發(fā)展，這些變流裝置的應(yīng)用場合和容量無疑都將日益增長，其產(chǎn)生的諧波和危害也日益嚴重，因此抑制諧波污染引起世界各國的高度重視，具有十分重要的研究意義。

盡管目前直接電流控制方法多種多樣，但總體上來講，三相電壓型SVPWM整流器控制還是主要采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級控制策略。只不過實現(xiàn)雙閉環(huán)的方法不一樣而已。這是由于整流器是工作在開關(guān)模式下，是一個強非線性系統(tǒng)，電流之間、電壓之間存在強耦合，給設(shè)計控制電路帶來不便。電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)的串級控制是常用的方法。因此PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)的設(shè)計尤為重要。從工程應(yīng)用上講，目前自適應(yīng)PID、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等PI參數(shù)整定方法還不成熟并不實用，還是采用古典的線性控制，這需要對由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的雙閉環(huán)整流器的具體設(shè)計進行深入研究[2]。

1 三電平整流器的結(jié)構(gòu)及數(shù)學模型

建立三電平 PWM 整流器的數(shù)學模型是研究三電平整流器的基礎(chǔ)。接下來本章將主要論述電壓型中點箝位（NPC）三電平整流器的結(jié)構(gòu)原理和數(shù)學模型，為后續(xù)整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計打下基礎(chǔ)：首先對三電平整流器的基本原理進行分析，討論穩(wěn)態(tài)下的控制方法;其次，闡述了三電平整流器的拓撲結(jié)構(gòu)、各組成部分及功能;最后推導了三電平整流器在三相靜止坐標系和同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型并給予其物理意義，為后續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

1.1三電平整流器原理分析

從功率平衡角度考慮，忽略開關(guān)管橋路損耗，則電網(wǎng)輸入功率與逆變輸出功率平衡。ABC 坐標下三電平 PWM 整流器的數(shù)學模型建立 PWM 整流器的數(shù)學模型是深入分析PWM 整流器的工作機理及動態(tài)和靜態(tài)性能的重要手段。三電平電壓型 PWM 整流器的模型有多種形式，通常有低頻數(shù)學模型和高頻數(shù)學模型兩種[3]。低頻數(shù)學模型可以得出穩(wěn)態(tài)時整流器的向量圖，通過幾何圖形可以很清晰的表示出整流器的工作機理和各物理量之間的關(guān)系，并得出整流器的等效電路。因此常用于控制系統(tǒng)的設(shè)計，但其略去了開關(guān)過程的高頻分量，因而不能進行精確的動態(tài)波形仿真。而采用開關(guān)函數(shù)描述的高頻數(shù)學模型，更適合整流器的波形仿真研究，但采用開關(guān)函數(shù)描述的整流器一般數(shù)學模型由于包含了其開關(guān)過程的高頻分量，因而很難用于指導控制器設(shè)計。首先討論低頻坐標系下的數(shù)學模型，由于在前面研究整流器基本原理時已經(jīng)做了論述，此處只建立整流器的高頻數(shù)學模型。

2 三電平整流器的控制策略研究

2.1算法的基本思路

本節(jié)將研究三電平 PWM 算法的具體實現(xiàn)。電力電子變換器控制的關(guān)鍵技術(shù)是脈寬調(diào)制的技術(shù)，從理論上來說方法有很多如等面積法、圖解法、計算法、優(yōu)化法、斬波法、角度法、跟蹤法和次諧波法等。在這些算法中，正弦波調(diào)制（SPWM）算法和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法是經(jīng)常使用的兩種方法，其中三電平 SPWM 算法采用雙層載波調(diào)制技術(shù)來控制每個橋臂上的四個開關(guān)管。三電平 SVPWM 算法利用電機控制領(lǐng)域中的空間矢量概念，采用伏秒平衡原理進行矢量合成，與 SPWM 算法相比有電壓利用率高、輸出電壓諧波含量低、能方便地抑制中點電位漂移等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用。

2.2 三電平SVPWM 的一般算法

本文對三電平簡化 SVPWM 算法在 TMS320F28335 開發(fā)板上進行了實驗驗證，TMS320F28335 有 12 路增強型 PWM 輸出通道，正好滿足三電平 PWM 變換器的 12 路PWM 驅(qū)動的需要。在該款 DSP 上對三電平簡化 SVPWM 算法進行數(shù)字化。本節(jié)將在Simulink 環(huán)境下搭建基于g-h 坐標系的三電平SVPWM 模塊，用于驗證該算法的正確性。采用一個三電平變換器，建立逆變系統(tǒng)：使用 1mH 的純電感作負載，母線電壓 2000V，參考線電壓有效值 1140V、頻率 50Hz，取 PWM 頻率為 2kHz。

2.3三電平整流器中點電位平衡分析

三電平三相二極管箝位型 PWM 變換器的中點平衡是關(guān)鍵，只有直流側(cè)兩電容電壓保持平衡時，每個開關(guān)管承受的電壓才是直流電壓的一半，才能保證系統(tǒng)可靠運行。由于開關(guān)器件本身特性的不一致和變換器能量轉(zhuǎn)換時中點電位參與能量的傳輸，導致了兩個電容電壓分壓不均的問題，即中點平衡問題。如果中點電位不平衡，在交流輸入側(cè)會產(chǎn)生低次諧波，降低變換器的效率，不利于高效、高功率因數(shù)的實現(xiàn);另外，變換器的部分開關(guān)管承受的電壓變高，降低了系統(tǒng)的可靠性;中點電位的波動還會降低直流電容的壽命。此外，三電平電路所固有的直流側(cè)電容電壓不平衡問題會導致網(wǎng)側(cè)電壓中包含偶次諧波，因此在 PWM 算法中必須考慮中點電位控制。本章在分析了中點浮動原因的基礎(chǔ)上提出了基于無電流傳感器滯環(huán)控制的中點平衡策略和基于模糊控制器的控制因子法，這兩種方法均實現(xiàn)了直流側(cè)兩電容的均壓，確保了網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)。

3 結(jié)論

本文從通用性出發(fā)，重點針對大功率發(fā)射機功率因數(shù)低的問題，開發(fā)包括整流器在內(nèi)的新型電力電子變流裝置，使其在使用時既不產(chǎn)生諧波，也不消耗無功功率，即在整流電路工作時，使輸入側(cè)的電流正弦化，輸入功率因數(shù)為1或者接近于1，能量實現(xiàn)雙向流動，真正實現(xiàn)綠色電能的轉(zhuǎn)換，因此研究這樣一種特種電源具有重要的實用意義。

參考文獻：

[1]王偉岸，雷志方，陳國棟.正負序提取在三相電流不平衡治理中的應(yīng)用[J].上海電氣技術(shù)，2018，11（04）：36-40.

[2]張留宛.三相PWM整流器右半平面零點問題研究[J].電子世界，2018（24）：8-10.

[3]宋鵬，金雪峰，袁媛，楊雨菲，劉華.三電平整流器特定諧波抑制方法研究[J].電氣傳動，2018，48（12）：11-15.

（作者單位：山東正恒電力集團有限公司）