基于SVPWM三電平整流器的設計與研究

譚姍姍

【摘? 要】以提升機的整流裝置為研究背景，從通用性出發，重點針對大功率發射機功率因數低的問題，開發包括整流器在內的新型電力電子變流裝置，使其在使用時既不產生諧波，也不消耗無功功率，即在整流電路工作時，使輸入側的電流正弦化，輸入功率因數為1或者接近于1，能量實現雙向流動，真正實現綠色電能的轉換，因此研究這樣一種特種電源具有重要的實用意義。

【關鍵詞】三電平整流器;SVPWM;控制技術;中點平衡

由于電力電子器件、高精度高速運算芯片、實時仿真及控制等技術的飛速發展，各類電力電子裝置正廣泛地應用于交直流可調電源、電力供電系統、電氣傳動控制與電化學生產等領域給人們帶來了一系列的新問題：無功和諧波對電網的污染日益嚴重，環境逐漸惡化，能源也越來越匱乏。在這個背景下，隨著多電平技術的發展和日趨成熟，對三電平整流器的研究近年來成為熱點，提高電網的功率因數，消除電網諧波污染，已成為整流器技術發展的趨勢。隨著科學技術的迅猛發展，大量的非線性電力電子變流裝置在現代工業、交通、國防、生活等領域得到廣泛應用，如交直流換流設備、整流器以及輸入端為整流電路的變頻器和不間斷電源等，它們完成了對電能進行變換處理的任務，使得用電設備處于比較理想的工作狀態，或者滿足負荷某些特殊的要求，從而獲得最大的經濟效益。當今，經過變換處理后再供用戶使用的電能在全國總發電量中所占的百分比，已經成為衡量一個國家技術進步的主要標準之一[1]。然而，這些非線性負荷設備在傳遞、變換、吸收過程中把部分基波能量轉換成諧波能量，造成交流輸入電壓、電流發生畸變，向系統中注入高次諧波，使輸入功率因數降低，電能質量下降，對電力系統包括用戶的安全、經濟運行產生嚴重的危害和影響，甚至造成電力設備的損壞，干擾保護產生誤動，引發電力系統大面積停電等事故。隨著電力電子的迅猛發展，這些變流裝置的應用場合和容量無疑都將日益增長，其產生的諧波和危害也日益嚴重，因此抑制諧波污染引起世界各國的高度重視，具有十分重要的研究意義。

盡管目前直接電流控制方法多種多樣，但總體上來講，三相電壓型SVPWM整流器控制還是主要采用電壓控制外環和電流控制內環的雙閉環串級控制策略。只不過實現雙閉環的方法不一樣而已。這是由于整流器是工作在開關模式下，是一個強非線性系統，電流之間、電壓之間存在強耦合，給設計控制電路帶來不便。電壓外環和電流內環雙閉環的串級控制是常用的方法。因此PI調節器的參數的設計尤為重要。從工程應用上講，目前自適應PID、模糊邏輯、神經網絡等PI參數整定方法還不成熟并不實用，還是采用古典的線性控制，這需要對由PI調節器構成的雙閉環整流器的具體設計進行深入研究[2]。

1 三電平整流器的結構及數學模型

建立三電平 PWM 整流器的數學模型是研究三電平整流器的基礎。接下來本章將主要論述電壓型中點箝位（NPC）三電平整流器的結構原理和數學模型，為后續整流器控制系統的設計打下基礎：首先對三電平整流器的基本原理進行分析，討論穩態下的控制方法;其次，闡述了三電平整流器的拓撲結構、各組成部分及功能;最后推導了三電平整流器在三相靜止坐標系和同步旋轉坐標系下的數學模型并給予其物理意義，為后續控制系統的設計打下基礎。

1.1三電平整流器原理分析

從功率平衡角度考慮，忽略開關管橋路損耗，則電網輸入功率與逆變輸出功率平衡。ABC 坐標下三電平 PWM 整流器的數學模型建立 PWM 整流器的數學模型是深入分析PWM 整流器的工作機理及動態和靜態性能的重要手段。三電平電壓型 PWM 整流器的模型有多種形式，通常有低頻數學模型和高頻數學模型兩種[3]。低頻數學模型可以得出穩態時整流器的向量圖，通過幾何圖形可以很清晰的表示出整流器的工作機理和各物理量之間的關系，并得出整流器的等效電路。因此常用于控制系統的設計，但其略去了開關過程的高頻分量，因而不能進行精確的動態波形仿真。而采用開關函數描述的高頻數學模型，更適合整流器的波形仿真研究，但采用開關函數描述的整流器一般數學模型由于包含了其開關過程的高頻分量，因而很難用于指導控制器設計。首先討論低頻坐標系下的數學模型，由于在前面研究整流器基本原理時已經做了論述，此處只建立整流器的高頻數學模型。

2 三電平整流器的控制策略研究

2.1算法的基本思路

本節將研究三電平 PWM 算法的具體實現。電力電子變換器控制的關鍵技術是脈寬調制的技術，從理論上來說方法有很多如等面積法、圖解法、計算法、優化法、斬波法、角度法、跟蹤法和次諧波法等。在這些算法中，正弦波調制（SPWM）算法和空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法是經常使用的兩種方法，其中三電平 SPWM 算法采用雙層載波調制技術來控制每個橋臂上的四個開關管。三電平 SVPWM 算法利用電機控制領域中的空間矢量概念，采用伏秒平衡原理進行矢量合成，與 SPWM 算法相比有電壓利用率高、輸出電壓諧波含量低、能方便地抑制中點電位漂移等優點而被廣泛地應用。

2.2 三電平SVPWM 的一般算法

本文對三電平簡化 SVPWM 算法在 TMS320F28335 開發板上進行了實驗驗證，TMS320F28335 有 12 路增強型 PWM 輸出通道，正好滿足三電平 PWM 變換器的 12 路PWM 驅動的需要。在該款 DSP 上對三電平簡化 SVPWM 算法進行數字化。本節將在Simulink 環境下搭建基于g-h 坐標系的三電平SVPWM 模塊，用于驗證該算法的正確性。采用一個三電平變換器，建立逆變系統：使用 1mH 的純電感作負載，母線電壓 2000V，參考線電壓有效值 1140V、頻率 50Hz，取 PWM 頻率為 2kHz。

2.3三電平整流器中點電位平衡分析

三電平三相二極管箝位型 PWM 變換器的中點平衡是關鍵，只有直流側兩電容電壓保持平衡時，每個開關管承受的電壓才是直流電壓的一半，才能保證系統可靠運行。由于開關器件本身特性的不一致和變換器能量轉換時中點電位參與能量的傳輸，導致了兩個電容電壓分壓不均的問題，即中點平衡問題。如果中點電位不平衡，在交流輸入側會產生低次諧波，降低變換器的效率，不利于高效、高功率因數的實現;另外，變換器的部分開關管承受的電壓變高，降低了系統的可靠性;中點電位的波動還會降低直流電容的壽命。此外，三電平電路所固有的直流側電容電壓不平衡問題會導致網側電壓中包含偶次諧波，因此在 PWM 算法中必須考慮中點電位控制。本章在分析了中點浮動原因的基礎上提出了基于無電流傳感器滯環控制的中點平衡策略和基于模糊控制器的控制因子法，這兩種方法均實現了直流側兩電容的均壓，確保了網側的高功率因數。

3 結論

本文從通用性出發，重點針對大功率發射機功率因數低的問題，開發包括整流器在內的新型電力電子變流裝置，使其在使用時既不產生諧波，也不消耗無功功率，即在整流電路工作時，使輸入側的電流正弦化，輸入功率因數為1或者接近于1，能量實現雙向流動，真正實現綠色電能的轉換，因此研究這樣一種特種電源具有重要的實用意義。

參考文獻：

[1]王偉岸，雷志方，陳國棟.正負序提取在三相電流不平衡治理中的應用[J].上海電氣技術，2018，11（04）：36-40.

[2]張留宛.三相PWM整流器右半平面零點問題研究[J].電子世界，2018（24）：8-10.

[3]宋鵬，金雪峰，袁媛，楊雨菲，劉華.三電平整流器特定諧波抑制方法研究[J].電氣傳動，2018，48（12）：11-15.

（作者單位：山東正恒電力集團有限公司）