基于雙環控制的單相三電平整流器SVPWM控制策略研究

武 浩，李 森

（1．青島大學 電氣工程學院，山東 青島266071；2．國網山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安271000）

0 引 言

目前市場上的整流器主要采用二極管不可控、晶閘管相控和PWM整流方式，隨著國內外電力電子技術的發展，不可控和相控整流方式因諧波含量高、損耗比較大、功率因數比較低等缺點已不能滿足很多中高壓功率場合。采用高頻開關模式、高功率因數和低諧波的PWM整流器逐漸應用于各種場合。尤其是三電平甚至多電平PWM整流器在高壓大功率場合得到廣泛應用。本文將圍繞單相三電平PWM整流器進行控制策略的研究。

1 主電路及原理分析

圖1所示為單相三電平PWM整流器的主電路圖，電路由兩個橋臂組成，每個橋臂有4個IGBT，兩個箝位二極管和4個反并聯二極管組成，可以使每個開關器件承受的關斷電壓為直流側電壓的一半，提高器件的耐壓水平。

當整流器正常工作時，每個橋臂有三種開關狀態，兩個橋臂共有32＝9種工作狀態，設橋臂a的開關函數為

同理可以得出橋臂b的開關函數，假設整流器直流側兩支撐電容相等，則單相三電平PWM整流器的9種開關狀態如表1所示。

圖1 單相三電平PWM整流器主電路

表1 整流器的九種工作狀態

2 雙閉環控制系統

雙閉環控制系統分為電流內環控制和電壓外環控制，因其結構簡單、物理意義清晰、能夠實現電流快速跟蹤并有效的限制電流等優點被廣泛應用于各種控制領域中。

圖2 電流內環控制器結構圖

電流內環控制結構圖如圖2所示，為提高電流的跟蹤速度，可以合并小慣性環節再降階處理并忽略干擾量，可以得到簡化的電流內環開環傳遞函數：

電壓外環控制系統結構圖如圖3所示。

圖3 電壓外環控制器的結構圖

略去擾動量的前饋負載電流可得到簡化的電壓外環控制的開環傳遞函數為：

3 SVPWM控制方法分析

SVPWM概念來自于交流電機，是利用整流器不同的開關狀態所產生的實際磁鏈去逼近理想圓形軌跡，形成PWM脈沖。主要優點是電壓利用率高、電流紋波小、噪聲低、易于數字控制。

如圖4所示，根據整流器9種工作狀態對應的大矢量、中矢量和小矢量，可以劃分為4個區域：

圖4中Uref為參考電壓，當Uref位于工作區域I中時，采用小矢量U4、U6和大矢量U8合成Uref。并設U0＝Udc，U1＝Udc／2，根據伏秒平衡原理可得：

圖4 SVPWM調制空間矢量圖

4 中點電壓平衡

當二極管中點箝位型整流器出現直流側兩電容分壓不均的現象時，會造成部分開關管受壓不均，影響整流器的性能和安全，不利于整流器的長期運行，因此直流側電容的中點平衡控制成為了三電平整流器研究的重點問題。

通過分析9種開關狀態矢量，可以得出小矢量參與合成Uref時對中點電壓影響較大，因此選擇合適的小矢量來合成參考電壓對保證中點電壓平衡有非常重要的作用。引入中點電壓控制函數：

圖5 雙環控制系統框圖

MATLAB／Simulink軟件進行仿真進一步驗證所采用的控制算法實用性。實驗參數如表2所示。

圖6 仿真結果

表2 實驗參數

5 結 論

本文以單相三電平PWM整流器作為研究對象，對整流器的雙環控制、SVPWM調制方法以及中點電壓平衡控制等問題進行了研究和實驗驗證。實驗結果證明本文采用的控制策略具有較好的實用性，能夠有效保障中點電壓平衡并取得比較理想的整流效果。