三電平NPC整流器控制研究

李興　劉永超

摘 要：二極管中點鉗，位三電平脈寬調(diào)制整流器是目前研究運行比較多的一種拓撲結(jié)構(gòu)，通過解析其基本拓撲，從空間矢量開關(guān)函數(shù)的角度上搭建了中點鉗位整流器之數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系后采取前饋解耦的方式建立了系統(tǒng)的電壓與電流之雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制整流系統(tǒng)的有功與無功功率解耦傳輸，進而達到控制功率因數(shù)的效果。

關(guān)鍵詞：中點鉗位三電平整流器；數(shù)學(xué)模型；解耦；空間矢量調(diào)制

引言

隨著電力電子相關(guān)技術(shù)的快速變革，變流裝置在電氣應(yīng)用各個方面扮演了愈來愈關(guān)鍵的角色。相對于傳統(tǒng)兩電平整流器，除了可以調(diào)整輸出直流電壓、高功率因數(shù)傳輸、以及可以達到能量雙向流動和大功率傳輸?shù)群锰幫猓O管中點鉗位型整流器[1]具有輸出電壓和電流諧波小、開關(guān)器件承擔電壓低以及等效開關(guān)頻率低等優(yōu)點。因而，三電平鉗位型整流器之控制策略一直是國內(nèi)外研究者們的關(guān)注焦點。

對于三電平NPC整流器，文章從SVPWM的角度出發(fā)，建立了三電平中點鉗位整流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標，系內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，然后依據(jù)數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)進行了前饋解耦，建立了三電平脈寬調(diào)制整流器系統(tǒng)的電壓與電流之雙閉環(huán)控制系統(tǒng)[2]，達到了直流側(cè)母線電壓跟功率因數(shù)的設(shè)想效果。最后采取仿真的方式確認了整個控制模型的正確性與可行性。

1 三電平鉗位脈寬調(diào)制整流器數(shù)學(xué)模型與控制解耦

1.1 三電平鉗位脈寬調(diào)制整流器之數(shù)學(xué)模型

中點鉗位三電平脈寬調(diào)制整流器主要拓撲較多文獻已有介紹，這里由于篇幅原因不再闡述。電路交流側(cè)輸入為三相對稱交流電壓， Ls與Rs分別表征交流側(cè)阻感，直流側(cè)則串入兩個相等值電容C1與C2。理想情況時C1與C2（其值為Cd）完全相同，故Vdc1=Vdc2=Vdc/2。裝置交流側(cè)每相輸出電壓都有三種狀態(tài)：Vdc/2、0、-Vdc/2。

根據(jù)基爾霍夫定律，從空間電壓矢量開關(guān)函數(shù)的角度出發(fā)，可以得到三電平中點鉗位整流器在abc坐標系內(nèi)數(shù)學(xué)模型，但是abc坐標系內(nèi)電壓與電流量都是隨時間變化的交流變量，妨礙控制模塊的考慮，故將系統(tǒng)在abc坐標系內(nèi)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)（dq）坐標系內(nèi)。在dq系中，穩(wěn)態(tài)時，d、q軸分量為直流之變量，便于控制模塊設(shè)計。

1.2 三電平鉗位脈寬調(diào)制整流器控制解耦

根據(jù)系統(tǒng)在dq坐標系內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，對電壓與電流都采用閉環(huán)控制，以設(shè)計三電平中點鉗位整流器的控制模塊，確定直流方面母線電壓穩(wěn)定及調(diào)整輸入方面之PF。式Ls×did/dt=usd-Vd-Rs×id+ wLsiq與Ls×diq/dt=usq-Vq-Rs×iq-wLsid展示出三電平中點鉗位脈寬調(diào)制整流器電壓與電流之輸入公式。式中，Vd=Sd1×Vdc1-Sd2×Vdc2，Vq=Sq1×Vdc1-Sq2×Vdc2，為三電平中點鉗位脈寬調(diào)制整流器dq坐標系內(nèi)交流側(cè)之電壓。

由前式可知，d、q軸電流不僅與電網(wǎng)輸入電壓usd、usq有關(guān)，還受到Vd、Vq以及擾動量wLiq、wLid的影響，即d、q軸尚沒有達到徹底的解耦。為此，對系統(tǒng)進行前饋之解耦。將Vd、Vq寫為Vd=usd+wLsiq-Vd*，Vq=usq-wLsid-Vq*，而穩(wěn)態(tài)時交流側(cè)電壓可以寫為Vd*=Rs×id+Ls×did/dt，Vq*=Rs×iq+Ls×diq/dt，對系統(tǒng)進行PI調(diào)節(jié)時，則可以得到公式Vd*=-（Kp+Ki/s）×（id*-id）+usd+wLsiq與Vq*=-（Kp+Ki/s）×（iq*-iq）+usq-wLsid，即可發(fā)現(xiàn)整流器電流的d、q軸分量達成解耦。最后采用電網(wǎng)電壓之矢量定向的方式，得到功率計算公式分別為P=1.5usid，Q=-1.5usiq，容易看出，輸入端電流d、q軸分量的大小和方向直接決定了電網(wǎng)、整流器之間能量流動之大小和方向，即可以實現(xiàn)任意功率因數(shù)控制。

2 仿真驗證

為驗證三電平NPC控制模型，在MATLAB中搭建了仿真模型，控制算法采用簡化兩電平SVPWM算法[3-5]，因有大量文章已介紹過，便不再占用篇幅。模型參數(shù)為：交流側(cè)電壓取380V，Ls=20mH，Rs=0.01歐，直流母線的電壓則取Vdc=500V，C1=C2=4500uF。

圖1給出了仿真驗證之波形，其中從上到下分別是功率波形圖、交流側(cè)A相之電壓與電流圖、直流母線之電壓波形圖。容易看出，有功功率基本保持200kW，無功功率基本為0，則PF則基本為1；交流側(cè)A相電壓和電流波形，兩者基本同相位，可以看到電壓諧波較低，THD在0.47%左右，而電流諧波較小，THD達到了10%，功率因數(shù)則基本為1。直流母線電壓則穩(wěn)定在500V左右。由此，三電平NPC整流器運行正常，直流側(cè)電壓穩(wěn)定，功率因數(shù)受到控制，接近于1。

3 結(jié)束語

文中對二極管中點鉗位三電平脈寬調(diào)制整流器拓撲與控制算法進行了研究，并進行了仿真驗證。首先從空間矢量開關(guān)函數(shù)的角度建立了三電平系統(tǒng)的abc坐標系數(shù)學(xué)模型，再轉(zhuǎn)化至同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，在這個基礎(chǔ)上構(gòu)建了對三電平鉗位脈寬調(diào)制整流器之外環(huán)電壓控制與內(nèi)環(huán)電流控制模型，達到了有功功率與無功功率之解耦的效果、高功率因數(shù)運行以及直流電壓穩(wěn)定性能。

參考文獻

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作者簡介：李興（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為三電平整流器中點電位控制策略。

劉永超（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為三電平逆變器中點電位控制策略。