徐東文

（山西省萬(wàn)家寨引黃工程管理局, 太原 030012）

0 引言

目前，以脈寬調(diào)制控制為基礎(chǔ)的各類變流裝置在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。這些變流裝置大部分都需要整流環(huán)節(jié)，從工業(yè)上常用的交流電來(lái)獲取直流電壓。常規(guī)的整流環(huán)節(jié)是采用二極管不控整流或者晶閘管相控整流電路。這兩種整流方法存在著諸如網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低下、整流電路諧波含量大和交流側(cè)電網(wǎng)電壓波形畸變等問(wèn)題。這直接導(dǎo)致了電網(wǎng)的污染。治理這種污染最根本的措施就要求變流裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，運(yùn)行于單位功率因數(shù)。本文所介紹的三電平整流器可以將電流總畸變率控制在5%以下，各次諧波畸變率小于3%,額定輸入功率因數(shù)大于0.98，另外可以向電網(wǎng)輸出超前無(wú)功，校正電網(wǎng)功率因數(shù)，適合四象限運(yùn)行及動(dòng)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合。

1 三電平PWM整流器拓?fù)浼皵?shù)學(xué)模型

1.1 三電平PWM整流器拓?fù)?/h3>

三電平PWM整流器主要有四種電路結(jié)構(gòu)：飛跨電容三電平電路，具有獨(dú)立直流電源級(jí)聯(lián)型，混合級(jí)聯(lián)型，二極管中點(diǎn)箝位型。這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)，本文介紹的是常用的二極管箝位型三電平電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

由圖可見，三電平PWM整流器的工作原理的本質(zhì)在于通過(guò)VT1～VT12的優(yōu)化，使得交流側(cè)電流ia、ib、ic正弦化，功率因數(shù)接近于1。同時(shí)保證直流側(cè)輸出電壓保持衡定，并且系統(tǒng)能夠工作在再生狀態(tài)，即將能量從直流側(cè)反饋到電網(wǎng)中去。在控制過(guò)程中非常重要的一點(diǎn)是控制好 C1和C2的中點(diǎn)電位，使得VPO=VON=VPN/2，那么變流器橋臂中點(diǎn)相電壓幅值為±VPN/2的單極性調(diào)制波。

1.2 三電平整流器數(shù)學(xué)模型

三電平主電路方程為：

式中RS為交流側(cè)等效電阻，i=a, b, c。

根據(jù)整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，省去復(fù)雜的中間推導(dǎo)過(guò)程，給出三電平整流器在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

從數(shù)學(xué)模型可以看出，d、q軸電流分量相互耦合，給電流控制器帶來(lái)設(shè)計(jì)上的不便。因此，可以引入 id、iq的前饋解耦控制，且 id和 iq均采取PI控制。三相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q下三相VSR電流控制時(shí)的電壓給定為：

式中，Kip、KiI是電流環(huán)的比例和積分增益，id*、iq*分別為id、iq的電流給定值,化簡(jiǎn)得：

2 電壓空間矢量PWM調(diào)制原理和中點(diǎn)平衡問(wèn)題研究

2.1 三電平SVPWM調(diào)制原理

SVPWM調(diào)制通過(guò)選擇合適的矢量和合理分配矢量作用時(shí)間合成絕對(duì)值沿圓軌跡勻速旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，最大可以沿正六邊形內(nèi)接圓旋轉(zhuǎn)，當(dāng)沿正六邊形內(nèi)接圓軌跡旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出相電壓峰值為下式。相對(duì)于SPWM輸出相電壓峰值VD/2 提高了2/√3倍，提高了直流母線電壓利用率。

2.2 直流母線中點(diǎn)平衡

當(dāng)系統(tǒng)工作在整流狀態(tài)，假設(shè)功率因數(shù)為1，還以第1扇區(qū)為例，若選擇開關(guān)矢量[100],電路等效圖如圖3。此時(shí)，直流側(cè)C1充電，而C2放電，造成了母線正電壓上升同時(shí)負(fù)電壓下降。若選擇開關(guān)矢量[0-1-1],此時(shí)，直流側(cè) C1放電，而 C2充電，造成母線正電壓下降同時(shí)負(fù)電壓上升。可見，盡管在不控整流狀態(tài)時(shí) VPO=VON=VPN/2，上述兩矢量對(duì)母線的中點(diǎn)電位的作用效果是不同的，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，中點(diǎn)電位發(fā)生變化。當(dāng)系統(tǒng)工作在再生狀態(tài)時(shí)，情況和整流狀態(tài)相反。

通過(guò)上面的分析可知，開關(guān)矢量的選擇和作用時(shí)間不同的工作狀態(tài)都會(huì)造成中點(diǎn)電位的波動(dòng)。因此無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)的三電平拓?fù)?，都要解決中點(diǎn)電位平穩(wěn)問(wèn)題。采用空間矢量調(diào)制的二極管箝位型電路，可以利用冗余小矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡。它們可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，可以工作在PWM整流+PWM逆變模式，可以較容易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，做到THD很小，PF接近等于 1，在同樣的開關(guān)頻率及控制方式下，它的諧波電流總畸變率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩電平整流器。

3 仿真和試驗(yàn)結(jié)果

在Matlab/Simulink上建模仿真，測(cè)試結(jié)果如圖4。仿真模型中采用雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)為電壓環(huán)、內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。中點(diǎn)電位平衡因子為_IQ（0.5）(不考慮中點(diǎn)電位平衡調(diào)節(jié))。

根據(jù)上述的主回路設(shè)計(jì)和電壓空間矢量調(diào)制方式，本文在進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)后完成了一臺(tái)500 kW三電平背靠背式的變頻器，主要參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)額定電壓1140 VAC，直流母線額定1860 VDC。此種結(jié)構(gòu)可以提高輸出電壓的波形質(zhì)量，同時(shí)降低所使用開關(guān)器件電壓等級(jí)。

圖5為逆變器輸出線電壓波形，圖6為交流側(cè)輸入線電壓Uab和相電流Ia，由圖看出Ia滯后Uab1.64 ms，即（1.64/20）×360=29.52 ≈ 30°。因此Ia和Uab基本重合，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文介紹的這種三電平整流器，通過(guò)對(duì)有功和無(wú)功電流的控制，可以使得網(wǎng)側(cè)電流波形諧波含量很低，且單位功率因數(shù)達(dá)到1。基于SVPWM的調(diào)制方式和中點(diǎn)電位補(bǔ)償控制，可以使得正負(fù)母線電壓平衡，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)異。同時(shí)整流器還能運(yùn)行于逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)回饋能量，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。此整流器還可以推廣到更多電平的變頻應(yīng)用中去。

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[1]A.Nasiri, A. Emadi. Digital control of a three-phase series-parallel uninterruptible power supply/active filter. Proc. IEEE PESC, 2004:4115-4120.

[2]姚為正. PWM整流技術(shù)及其應(yīng)用研究[博士后論文].西安：西安交通大學(xué)，2001.

[3]張興. PWM整流器及其控制策略的研究[博士學(xué)位論文]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

[4]Sato, M., Ohmori,Y. Various control methods by conduction ratio to a middle phase in matrix converter based on direct AC/DC conversion. Proc. IEEE PCCON, 2007:1056-1063.

[5]詹長(zhǎng)江，韓郁，趙良炳，韓英鐸. 基于電壓空間矢量 PWM脈寬調(diào)制方式的新型三電平高頻整流器研究. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1999，14（2）：60-64.