三電平PWM整流器幾個關鍵問題的分析_圖文

1、第卷第期年月電力電子技術三電平整流器幾個關鍵問題的分析朱一凡，王清靈，徐鐸，張志（安徽理工大學，電氣與信息工程學院，安徽淮南；榮信電力電子股份有限公司事業(yè)部北京研發(fā)部，北京；安徽一天電氣技術有限公司，安徽合肥）摘要：對三電平整流器的拓撲結構進行了分析，采用了電壓、電流的雙閉環(huán)策略對系統(tǒng)進行控制，介紹了調節(jié)器參數的工程選擇方法。系統(tǒng)采用電壓空間矢量脈寬調制（）技術，對其異于兩電平的部分作了詳細分析，給出了空間矢量扇區(qū)的判斷依據以及中點電位波動控制策略等。利用所述方法對系統(tǒng)進行了仿真分析，驗證了系統(tǒng)的正確性，確定了調節(jié)器的參數，在此基礎上使用砣型作為主控芯片完成了樣機的研制，取得了不錯的效果。關鍵

2、詞：整流器；三電平；雙閉環(huán)控制中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）一鋤，（砒城踟面瑙妨，拓，帆腸甜，日刪呦，吼胍；尺腳礬舢眥，艫恍眈加，拓，斑，玎增，吼；船鼬），眈施死鋤，工斑，日咖，吼訛）：一陽盱肌，、蛐阻，豫出白（），粕燦自而鵲，吣柚眥衄，鋤鵬聊瑪弛陽，夠，器黯，蚰“”咖咀：陀曲；山引言可逆整流器具有功率因數可調、諧波電流小等突出優(yōu)點，通過對交流側電流幅值和相位的控制可方便地實現(xiàn)整流器的四象限運行。目前，整流器在光伏并網發(fā)電、風力并網系統(tǒng)等場合中得到了廣泛應用在高壓大容量情況下如大功率并網系統(tǒng)、電機車牽引、交直交調速系統(tǒng)、大容量電力系統(tǒng)動態(tài)補償、高壓直流輸電系統(tǒng)等領域，普通的兩電平整流器

3、因其耐壓和容量的限制已不能滿足要求，多電平化是一個很好的方向。整流器的基本原理主電路分析圖示出三電平整流器的主電路。由于定稿日期：一作者簡介：朱一凡（一），男，安徽淮南人，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。網側電感厶（，）的作用，使電路呈升壓斬波特性。三相橋工作在脈寬調制狀態(tài)，設，三相的調制電壓分別為，其基波分量與電網電壓同頻率，對其幅值和相位進行調節(jié)，即可實現(xiàn)對交流側電流幅值和相位的調節(jié)。凹均），嘻一工圖整流器主電路圖以交流側相為例，其等效電路及典型工作狀態(tài)如圖所示，回路電勢平衡方程為：小警（）橐，吁撓芻凹三電平整流囂幾個關鍵問題的分析【）等效電路（）整流狀態(tài)圖相等效電路及其典型狀態(tài)

4、毗瞄萎由圖可知，整流器在整流工作時功率因數可近似為。這就要求輸入電流為正弦波且與電網電壓同相位。采用引入電流反饋的直接電流控制【】，利用，坐標變換將交流側的電壓、電流信號進行轉換，使其參考值和反饋值在穩(wěn)態(tài)時均為直流量，通過調節(jié)器便可實現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差的電流跟蹤控制【。系統(tǒng)控制策略分析在此采用電壓、電流的雙閉環(huán)控制策略對三電平整流器進行控制實現(xiàn)了網側電流的正弦化以及電壓電流的同相位。對于電壓外環(huán)而言，其功能主要是維持直流側電壓的穩(wěn)定，因而采用典型的型系統(tǒng)對電壓外環(huán)進行整定：對于電流內環(huán)而言，一般要求有較快的跟隨性能，可以按照典型型系統(tǒng)對其進行整定。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖所示。曲檢測電壓環(huán)調節(jié)器及電流

5、環(huán)調節(jié)器均采用型調節(jié)器，對于不同的整定類型其比例、積分系數也不同，分別如式（），（）所示：趾器，民盤（）廬苗等，球志（）式中：為電壓環(huán)采樣小時間常數；，為電壓調節(jié)器的比例、積分系數；嗍為橋路等效增益；為電流環(huán)的采樣周期；島，為電流調節(jié)器的比例、積分系數：為超前時間常數。根據式（），同理可以得到，兩相的數學模型，再經過，旋轉變換，得到，坐標系下整流器的數學模型【】：式中：，日，矗，分別為，最，南在，軸的分量。但此時，屯，相互耦合，而雙閉環(huán)系統(tǒng)希望作到有功和無功電流的獨立控制，因此有必要對電流環(huán)進行解耦。令：式中：上標女表示變量的指令值。將其代入式（），便可實現(xiàn)有功、無功電流的解耦控制。三電平空間

6、矢量控制由文獻【】可知，在僅，盧坐標系中，三電平變換器共有個開關狀態(tài)，其中有個為基本矢量，這些矢量將整個坐標系分成個大扇區(qū)，每個扇區(qū)又分成了個小區(qū)域如圖所示。，口兒“，芝噸入：。辯念嬲。心。八蟣“圖電壓空間矢量分布圖圖中，小矢量共有個，并且其總是兩兩成對出現(xiàn)。長度為叫；中矢量有個，長度為、了魄；大矢量也是個，其長度為叫；零矢量有個，長度為零。兩電平電壓空間矢量的許多理論在三電平中仍可借鑒，如個大扇區(qū)的判斷、各矢量作用時間的計算、切換點的計算等。在此以扇區(qū)為例對三電平整流器所特有的一些問題進行分析。各扇區(qū)中小區(qū)域的判斷及矢量的優(yōu)化嘲根據參考矢量的“，盧分量，再參照扇區(qū)中各矢量的長度和位置關系，可

7、得出所處的小三角形區(qū)域，具體判斷方法如表所示。在大容量的三電平整流器中開關器件的頻率一般比較低。十分必要對電壓空間矢量進行優(yōu)化。以扇區(qū)為例。每個采樣周期內采用段對稱式信號來觸發(fā)三電平整流器，這樣可以減一一“一幻魚。量。臥臥局為瞄喀第卷第期年月電力電子技術仃少電壓的諧波含量：同時為了避免在不同區(qū)域間切換時電壓的突變選擇型小矢量作為每個小區(qū)域的起始矢量，可有效減少開關器件的動作次數和幅度，其矢量作用順序如表所示。表小三角形區(qū)域的判斷不三角形區(qū)域條件成立蚰、叫砜鄺，、叩營一，如以上條件不成立，且、了以上條件不成立表各小區(qū)域矢量作用順序伽÷吣卻廣“斗啼節(jié)中點電流波動的抑制由于三電平整流器的拓

8、撲結構，中點電流的問題變得不可避免調制時中矢量的引入會帶來中點電流一般的做法是通過調節(jié)小矢量的作用時間來減少中點電流的影響，文獻】分別介紹了用相鄰兩個大矢量或相鄰兩個小矢量來代替中矢量的方法，不失為一種很好的思路。系統(tǒng)驗證在，環(huán)境下對上述系統(tǒng)進行仿真分析，主要參數：直流電壓期望值為，電源電壓為。網側濾波電感為，直流側穩(wěn)壓電容為肛，負載為，開關頻率為。仿真波形如圖所示。拒（）相到菹漉側中點。的相電壓（）相到電源側中點的相電壓圖仿真波形圖為相橋臂對直流側中點的相電壓?？梢娪泻?#177;共個電平。圖為相橋臂對電源側中點的相電壓。根據。一可知，有，±，±，±，±

9、;共個電平。與兩電平相比，其輸出電壓更接近正弦。在仿真驗證基礎上對整流器系統(tǒng)進行了實驗分析，三相橋臂采用模塊組合而成，控制板使用評估板。實驗中采用內外兩個中斷，其中外中斷用逐次逼近的方法來實現(xiàn)網側相電壓過零點的捕獲；內中斷是定時器下溢中斷，采樣頻率為。在采樣周期內完成調制信號的計算，并生成波驅動。圖為實驗所得的直流側電壓波形以及屯源側相電壓電流波形。三電平整流器實現(xiàn)了網側電流的正弦化，且網側電壓、電流波形同相位。：蝰、：整、圖實驗波形結論通過理論分析及仿真和實驗驗證可知三電平整流器很好地實現(xiàn)了網側電壓、電流的同相位以及直流側電壓的穩(wěn)定。當其作為交流到直流變換時，可以大大減輕對電網的污染。并能夠

10、為后續(xù)負載提供穩(wěn)定的直流電源：當作為直流到交流變換時，可以很好地完成直流源電能向電網的輸送。參考文獻【】王兆安，楊君，劉進軍，等諧波抑制和無功功率補償【】北京：機械工業(yè)出版社，【】張崇巍，張興整流器及其控制【】北京：機械工業(yè)出版社，【】王清靈，孫風香，馬支波基于矢量控制技術的整流器理論與仿真】安徽理工大學學報（自然科學版），：一【】李永東，肖曦，高躍大容量多電平變換器【】北京：科學出版社。【】李海山基于的中壓大容量三電平逆變器技術和緩沖電路的研究】北京：中科院電工所【】伍文俊，鐘彥儒，伍超，等基于合成中矢量的三電平整流器中點平衡新方法】電氣傳動，（）：【】伍文俊，鐘彥儒，楊慧，等，、矢量合成虛擬矢量的三電平整流器脈寬調制【】電氣傳動，（）： 三電平PWM整流器幾個關鍵問題的分析作者：朱一凡， 王清靈， 徐鐸， 張志， ZHU Yi-fan， WANG Qing-Ling， XU Duo， ZHANG Zhi作者單位：朱一凡,王清靈,ZHU Yi-fan,WANG Qing-Ling(安徽