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(jī)的整流裝置為研究背景，從通用性出發(fā)，重點(diǎn)針對大功率發(fā)射機(jī)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(shí)現(xiàn)雙向流動，真正實(shí)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(shí)用意義。

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

由于電力電子器件、高精度高速運(yùn)算芯片、實(shí)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(xué)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(yán)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(diǎn)，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(xué)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(jìn)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(fù)荷某些特殊的要求，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)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(jìn)步的主要標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。然而，這些非線性負(fù)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(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的危害和影響，甚至造成電力設(shè)備的損壞，干擾保護(hù)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(yán)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(shí)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(qiáng)非線性系統(tǒng)，電流之間、電壓之間存在強(qiáng)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(shí)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(jìn)行深入研究[2]。

1 三電平整流器的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

建立三電平 PWM 整流器的數(shù)學(xué)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(diǎn)箝位（NPC）三電平整流器的結(jié)構(gòu)原理和數(shù)學(xué)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(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各組成部分及功能;最后推導(dǎo)了三電平整流器在三相靜止坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)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(biāo)下三電平 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型建立 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型是深入分析PWM 整流器的工作機(jī)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(xué)模型和高頻數(shù)學(xué)模型兩種[3]。低頻數(shù)學(xué)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(jī)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(jìn)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(xué)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(xué)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(dǎo)控制器設(shè)計。首先討論低頻坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)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(xué)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(shí)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(jī)控制領(lǐng)域中的空間矢量概念，采用伏秒平衡原理進(jìn)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(diǎn)電位漂移等優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行了實(shí)驗驗證，TMS320F28335 有 12 路增強(qiáng)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(jìn)行數(shù)字化。本節(jié)將在Simulink 環(huán)境下搭建基于g-h 坐標(biāo)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(fù)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(diǎn)電位平衡分析

三電平三相二極管箝位型 PWM 變換器的中點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)電位參與能量的傳輸，導(dǎo)致了兩個電容電壓分壓不均的問題，即中點(diǎn)平衡問題。如果中點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(dǎo)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(diǎn)電位控制。本章在分析了中點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)針對大功率發(fā)射機(jī)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(shí)現(xiàn)雙向流動，真正實(shí)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(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王偉岸，雷志方，陳國棟.正負(fù)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(diǎn)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(tuán)有限公司）