三電平中點鉗位整流器控制仿真

三電平中點鉗位整流器控制仿真

1電平拓撲結(jié)構到目前為止，中國鐵路已經(jīng)在進行了五次重大改進。在2007年4月18日的第四次調(diào)整中，和諧號crh2系列的高速列車在中國的鐵路客運貨運中發(fā)揮了重要作用。電壓型PWM整流器是交流傳動系統(tǒng)的一個重要組成部分,目前國內(nèi)電力機車使用的PWM整流器普遍采用兩電平拓撲結(jié)構,存在開關器件所承受的電壓應力較大的缺點,而和諧號CRH2動車組所采用的三電平NPC結(jié)構的PWM整流器具有開關器件所承受的電壓應力低、容量大、成本低等特點,而且能產(chǎn)生5個電平的線電壓,在相同開關頻率及控制方式下,其輸出電壓和電流中的諧波含量遠小于傳統(tǒng)的兩電平變流器。本文主要以單相三電平NPC型PWM整流器為研究對象,從分析其主電路結(jié)構出發(fā),利用開關函數(shù)的概念,建立了其數(shù)學模型,將三相PWM逆變器和整流器的SVPWM控制思想引入單相三電平PWM整流器中,探討了一種適合于單相三電平整流器的SVPWM調(diào)制方法,為解決三電平整流器直流側(cè)電壓不平衡問題,引入一種電壓前饋的直流側(cè)電容電壓平衡方法,并進行了計算機仿真。2理想開關函數(shù)的等效電路單相三電平PWM整流器主電路如圖1所示。采用8個功率開關器件來構成兩組對稱的橋臂。并且這兩組橋臂帶4個鉗位二極管以防止電容C1或C2端因開關操作而發(fā)生直通。L為網(wǎng)側(cè)限流電感,R為網(wǎng)側(cè)漏電阻,其大小可以忽略。C1和C2為直流側(cè)兩個支撐電容。該整流器可以實現(xiàn)機車在牽引和再生制動兩種工況下運行,因此也稱作四象限變流器。為了便于分析,定義理想開關函數(shù)SA和SB如下由式(1)和式(2)得到主電路的等效電路如圖2所示,每組橋臂可以等效為一個開關,該開關具有1、0、-1三種等效狀態(tài),兩組橋臂有32=9種開關組合,主電路有9種工作模式。開關狀態(tài)及相應的電壓值如表1所示。根據(jù)表1中的工作狀態(tài),由基爾霍夫定律可知,網(wǎng)側(cè)輸入端電壓和直流側(cè)的電流可以表示為假設開關管為理想模型,在換相過程中沒有功率損失和能量儲存,交流側(cè)與直流側(cè)瞬時功率應當相等,則將式(6)代入式(5)中,則對圖1中的o點采用基爾霍夫電流定律,有式(9)成立根據(jù)基爾霍夫定律,該變流器的主電路數(shù)學模型可以表示為其中,RL為直流側(cè)負載電阻。3雙閉環(huán)控制策略本節(jié)給出一種基于SVPWM調(diào)制和中點電位控制的高性能單相三電平中點鉗位PWM整流器控制方法。該PWM整流器的控制原理框圖如圖3所示,采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)采用PI控制器,通過將直流側(cè)電壓udc與其給定值u*dc的偏差信號進行PI調(diào)節(jié)得到電網(wǎng)側(cè)電流的給定值si*的幅值,其相位和頻率通過鎖相環(huán)(PLL)從電網(wǎng)側(cè)電源電壓us上獲取。電流內(nèi)環(huán)采用預測電流控制。由于該整流器存在兩電容電壓不平衡問題,在控制系統(tǒng)中,加入了電容電壓補償環(huán)節(jié),兩個電容間電壓之差的變化通過電壓平衡調(diào)節(jié)系數(shù)K引至電流控制環(huán),以平衡中間電壓。3.1電流值的測量電流內(nèi)環(huán)采用預測電流控制,其工作原理為:假設電網(wǎng)側(cè)電流is(tk)經(jīng)過一個開關周期后能夠達到給定的電流值,見式(11)。由式(10)和式(11)可以得到,在一個開關周期Ts內(nèi),有式(12)成立由式(12)可以計算出調(diào)制信號u*ab作為SVPWM調(diào)制模塊的輸入。3.2等效原理的應用對于Boost型三電平結(jié)構的整流器,可以將其工作模式劃分為4個工作區(qū)域,如圖4所示,表2給出了相應區(qū)域所對應的電平。電網(wǎng)側(cè)輸入端給定電壓u*ab應為一個正弦信號,在一個開關周期Ts內(nèi),如果Ts較小,可以認為u*ab為一個恒定值。采用面積等效原理,考慮兩電容上的電壓平衡時(u1-u2=udc/2),用兩個幅值相差udc/2的兩個狀態(tài)量Vk和Vk+1來等效,如圖5所示。例如在區(qū)域2中,當us>0時,采用Vk=udc/2和Vk+1=0的PWM信號來等效ua*b。當Vk=udc/2時,電路工作在模式2和6,模式2和6的作用時間分別為狀態(tài)Vk工作時間的一半;當Vk+1=0時,電路工作在模式5,其他區(qū)域也可以根據(jù)表2進行分析。由表2和圖5可知,有如下關系式成立式中T1——狀態(tài)量Vk的作用時間T2——狀態(tài)量Vk+1的作用時間則在一個開關周期(tk,tk+Ts)內(nèi),由面積等效原理可得聯(lián)立式(16)、式(17),可以求出狀態(tài)量Vk作用的時間T1和Vk+1作用的時間T24按梯度頻率進行三電平整流器的動態(tài)特性系統(tǒng)參數(shù)設定如下:電網(wǎng)側(cè)電源電壓的有效值Us=1500V,網(wǎng)側(cè)電感L=2mH;電網(wǎng)側(cè)漏阻R=0.2?;直流側(cè)電容C1=C2=2200μF,直流側(cè)電壓給定值=Ud*c3000V;負載電阻RL=20?;開關頻率fs=1250Hz,加入LC二次濾波環(huán)節(jié),濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)為:2L′=0.84mH,2C′=3000μF。采用Matlab/Simulink進行計算機仿真。圖6所示為整流器工作在牽引工況下的波形;圖7為整流器電網(wǎng)側(cè)輸入端電壓uab的波形;圖8為整流器由空載向牽引工況切換時的波形;圖9為再生制動工況下的波形;圖10為電網(wǎng)側(cè)電流is的頻譜特性。由圖6和圖9可知,該控制算法有效地實現(xiàn)了三電平PWM整流器單位功率因數(shù)四象限運行;由圖8可知,該控制算法實現(xiàn)了整流器較好的動態(tài)性能;由圖10可知,在開關頻率為1250Hz時,電網(wǎng)側(cè)電流的總諧波畸變率僅為1.27%,滿足國際標準IEC1000