三電平PWM整流器系統設計與仿真

戴月

摘 要：隨著改革開放的不斷深化，我國的經濟迅猛發展，科學技術水平顯著提高，在現代技術的推動下，整流器受到了越來越多的關注，被應用在多個領域。三電平PWM整流器大都采用雙閉環控制系統，即由電壓控制外環與電流控制內環組成的。電壓外環是根據直流電壓的大小來決定三電平PWM整流器的輸出功率的大小以及方向的；而電流內環主要是促使整流器實際上的輸入電流能夠在一定程度上跟蹤電流給定而將作用揮發出來的。本文主要根據三電平PWM整流器的特點，進而對其系統設計與仿真進行探究，期望通過本文的論述能夠為三電流整流器的更加完善的設計提供有效建議。

關鍵詞：三電平；PWM整流器；雙閉環

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.185

0 引言

由于經濟與技術的進步與發展，三電平整流器也在一定程度上發生了改變。較為常用的三電平整流器主要是二極管箝位PWM。這類整流器相對于傳統整流器來說有很多的優點，如其功率器件可以承受的電壓很少，是直流測電壓的二分之一，有利于使生產成本降低。而且在其輸入的電流中，諧波含量較少，有著較為科學合理的正弦度，功率因數不是一成不變的，可以對其進行調整，能量能夠在交流側與直流側之間之間自由流動。憑借自身具有的優勢，其被應用在很多領域。為了三電平整流器系統的更加完善，本文在此基礎上對其進行仿真研究，因而有著重要的現實意義。

1 三電平整流器概述

三電平整流器是能夠在高壓大功率中運行的PWM整流器，其功率因數趨近于1，并且其開關電壓的應力較兩電平來說，具有減小一半的優點。三電平整流器雖然比兩電平整流器的開關的數量要多，且控制起來較為復雜，但三電平整流器具有兩電平整流器所沒有的特點。首先，由于其電平數增加，進而使其具有更小的直流側電壓脈動以及更優質的動態性能，在開關的頻率較低時，如300～500Hz就能夠達到對電流諧波的相關要求[1]。其次，電平數增加也使得電源的側電流要更接近正弦，這與兩電平相比，是最大的不同。且電平數不斷增加，正弦性也會隨之變化，越來越好，而功率因數也會變得更高。最后，增加開關的數量也有利于將開關管上的電壓壓應力進一步降低，進而將裝置的穩定性提高，在對電壓要求較高的場合較為多用。

2 三電平PWM整流器中的工作原理

2.1 主電路拓撲

三電平PWM整流器在其主電路的每個橋臂上都有4個開關管，一般情況下是IGBT管，為促進電壓均衡，要在直流側將兩電容進行串聯，這兩電容必須具有相同的參數，以保持中性點平衡[2]。三電平的點拓撲的結構主要是指對于中性點來說，每相橋臂都可以擁有3種不一樣的輸出狀態。因此，可以推算出，所有橋臂應該具有27種的開關狀態。為了將三種電實現平輸出，每個橋臂一般都是由4個開關管與2個鉗位二極管而組成。交流側和電網之間是通過電感與電阻連接的，而對于直流側來說，是由2個電容相互串聯并同負載R3共同構成的。

2.2 PWM空間相量的控制算法

對于3個不一樣的基本電壓向量可以通過（1-1）公式計算出其在控制系統中的作用時間。在得出具體的時間數值后，以開關管對應的開關時間為依據，將信號的輸出狀態以及輸出形式確定出來。

由上述分析可知，在三電平空間中，采樣周期應該分為四步進行：首先，以參考電壓的位置為基礎，來選擇出合成電壓相量中的三個基本的相量；其次，通過上述公式來對這三個基本電壓相量的時間進行確定；再次，通過公式將基本電壓相量所對應的開關管的主要輸出形式計算出來；最后，通過上面三步的計算，對開關管的導通時間與順序進行確定。

3 三電平PWM整流器的方針與設計探討

本文對整流器進行仿真模型主要依據是Matlab中的三相PWM整流器模型，具體的仿真模型如圖1。

在圖1的仿真結構圖中，主要是按照沒有添加中點電位的控制策略、以SVPWM為基礎，在其之中的重點電位的控制策略以及以電荷為基礎的守恒中點的電位控制策略來對整流器進行仿真模擬的，并且得到了具體對應的仿真結果[3]。通過仿真模擬可以看出，如若PWM整流器并沒有加入中點電位進行控制的仿真時，三電平整流器會出現零點漂移的現象，且這種現象是顯而易見、十分明顯的，對系統以及對應的開關器件有著較大的影響，也會在一定程度上對電壓產生影響。另外，PWM整流器中的中點的位置，在采用電荷守恒中點的控制策略時有明顯的變化，得到了有效的控制，并且這中方法能夠將開關的損耗降到最小化。此外，這種方法的控制策略的計算方法較為簡單，系統具有極強的穩定性，直流側中的電壓也很平穩。

4 結束語

通過本文對三電平整流器系統的探討，在仿真模擬中對三種方法以及所取得的結果進行分析，找出最適合的模擬方法。通過模擬可以看出，基于電荷守恒中點的控制策略是最為優質的，帶來的影響最小。期望通過本文的研究，能夠為三電流系統的完善提供有效建議。

參考文獻：

[1]譚國俊，曹曉冬，王從剛.基于滿意優化的三電平PWM整流器瞬時開關頻率抑制方法[J].中國電機工程學報，2014，04（24）：4057-4067.

[2]何禮高，陳鑫兵.變電感參數三電平不可逆PWM整流器的電流PI優化控制[J].電工技術學報，2011，05（07）：203-209.

[3]劉輝.基于雙閉環控制的三相三電平PWM整流器研究[J].工礦自動化，2013，04（08）：72-75.