三相三電平PWM整流器在煤礦應用的仿真研究

【摘要】煤礦井下傳動設備功率等級越來也大，傳統兩電平變流器已無法滿足其電壓和功率等級要求，隔爆型三電平變流器是未來發展的主導方向。本文分析了三相三電平整流器的工作原理和數學模型，建立了控制系統，并在Matlab/simulink中做了仿真實驗。結果表明三電平整流器可滿足高壓大容量的要求，具有良好的動態性能和穩態性能。

【關鍵詞】三電平；整流器；中點電壓；高電壓；大功率

Abstract：The power of transmission in coal mine has grown rapidly over the past few years，and the three-level converters have became the development trends due to their obvious advantages compare to the traditional two-level ones in high voltage and great power applications.The principle and mathematical model of the rectifier is studied in this paper，and then the control model is built in Matlab/simulink environment.Simulation results show that this rectifier can implement in great voltage and power and provides excellent performances in steady-state and dynamic load variations.

Keywords：three-level；rectifier；middle voltage；high voltage；great power

1.引言

隨著國家電力對煤炭資源的需求越來越大，對煤礦的開采量提出了更高要求，為適應目前電能現狀，提高礦井年產量、拉長原煤運輸戰線勢在必行。因此目前皮帶輸送機、刮板輸送機、提升機等大型機械設備的驅動功率和電壓等級不斷增加，3300V兆瓦級電機已在煤礦井下傳動系統中大規模使用。

在煤礦井下驅動電機的變頻器都有隔爆要求，目前以兩電平隔爆變頻器中低壓變頻器為主，但受電力電子器件電壓等級的限制，傳統兩電平變頻器驅動3300V兆瓦級電機比較困難，三電平變頻器是未來發展的主導方向之一。三相三電平PWM整流器是背靠背三電平變頻器的重要部分，它通過IGBT串聯提高了電壓等級，并且嵌位二極管實現了IGBT的動態均壓，從而使煤礦井下高壓大功率變頻調速系統更加易于實現。

本文根據三相三電平整流器的數學模型，分析了該拓補結構的矢量控制策略、中點平衡控制策略，在Matlab/simulink中建立了仿真模型，結果表明本文采用的控制策略實現了中點平衡控制、功率因數為1，可實現能量回流，整流器得到了較高的動態和穩態性能。

2.數學模型

三相三電平PWM整流器主電路如圖1所示，開關器件采用IGBT。其中網側電感為LS，網側等效電阻為RS，直流側電容為c1和c2，電容對應電壓為ud1和ud2。ua，ub，uc為理想電壓源，isa，isb，isc為輸入電流。

三電平拓撲結構共有27中的開關模式，其中有18種開關狀態會造成中點電位不等，iM不可能保持為零，理論上說，三電平直流電容電壓只能在誤差允許情況下保持相對的平衡。在保證系統運行精度的前提下，盡量減小iM的值，是保證三電平變流器中點電壓平衡的重要環節，通過矯正兩個電容的電位差就可實現中點電壓的平衡控制[2]。

根據三電平拓撲結構的數學模型可設計出其控制框圖[1][2][3]，如圖2所示。

圖2 NPC三電平PWM整流器控制框圖

3.仿真結果

仿真時間共為0.1s，在0.05s突加負載。圖3為直流母線輸出電壓波形，母線電壓迅速穩定在5000V。圖4為兩個母線電容的電壓波形，控制系統可以實現中點電壓的平衡控制。圖5為A相電壓和電流波形，在突加負載前后，整流器都可實現功率因數接近為1，在較低的開關頻率下，可得到平滑的電流波形。圖6為三相電流波形，圖7為線電壓Uab的pwm電壓波形，Uab有5個電平，具有較低的dv/dt；

圖7 線電壓Uab的pwm電壓波形

仿真表明：三電平整流器可實現快速的電壓穩定，具有較高的動態特性和穩定性，較低的dv/dt降低了電流諧波，減少了電網污染。

3300V兆瓦級大功率防爆電機已在煤礦井下大規模應用，驅動該類電機的變頻器直流母線電壓應在5000V左右，但目前傳統的兩電平防爆變頻器難以達到該電壓等級，因此為了盡快解決對大功率電機的隔爆控制，發展三電平隔爆變頻器是主導方向之一。

4.結論

本文分析了三電平PWM整流器的工作原理和該結構的的控制方法，通過Matlab/simul-ink搭建了仿真模型，仿真結果表明，該整流器具有良好的動態性能和穩態性能，實現了功率因數為1的控制，減小了電網諧波，并且可以用來驅動煤礦井下3300V的電機。

參考文獻

[1]金紅元，鄒云屏，等.三電平PWM整流器雙環控制技術及中點電壓平衡控制技術的研究[J].中國電機工程學報，2006，20：64-48.

[2]裘錦勇，宋文祥，等.基于電壓空間矢量的三電平PWM整流器的研究[J].電力系統保護與控制，2009，37：13：58-62.

[3]韋立祥.雙PWM三電平異步電機磁鏈定向調速系統研究[D].清華大學，2005.

[4]詹長江，秦荃華.三電平脈寬調制高頻整流器系統數學模型及仿真分析[J].中國電機工程學報，1999，19（7）：45-48.

作者簡介：李輝（1982—），男，河南孟州人，現供職于陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司。