三电平PWM整流器系统设计与仿真

戴月

摘 要：随着改革开放的不断深化，我国的经济迅猛发展，科学技术水平显著提高，在现代技术的推动下，整流器受到了越来越多的关注，被应用在多个领域。三电平PWM整流器大都采用双闭环控制系统，即由电压控制外环与电流控制内环组成的。电压外环是根据直流电压的大小来决定三电平PWM整流器的输出功率的大小以及方向的；而电流内环主要是促使整流器实际上的输入电流能够在一定程度上跟踪电流给定而将作用挥发出来的。本文主要根据三电平PWM整流器的特点，进而对其系统设计与仿真进行探究，期望通过本文的论述能够为三电流整流器的更加完善的设计提供有效建议。

关键词：三电平；PWM整流器；双闭环

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

0 引言

由于经济与技术的进步与发展，三电平整流器也在一定程度上发生了改变。较为常用的三电平整流器主要是二极管箝位PWM。这类整流器相对于传统整流器来说有很多的优点，如其功率器件可以承受的电压很少，是直流测电压的二分之一，有利于使生产成本降低。而且在其输入的电流中，谐波含量较少，有着较为科学合理的正弦度，功率因数不是一成不变的，可以对其进行调整，能量能够在交流侧与直流侧之间之间自由流动。凭借自身具有的优势，其被应用在很多领域。为了三电平整流器系统的更加完善，本文在此基础上对其进行仿真研究，因而有着重要的现实意义。

1 三电平整流器概述

三电平整流器是能够在高压大功率中运行的PWM整流器，其功率因数趋近于1，并且其开关电压的应力较两电平来说，具有减小一半的优点。三电平整流器虽然比两电平整流器的开关的数量要多，且控制起来较为复杂，但三电平整流器具有两电平整流器所没有的特点。首先，由于其电平数增加，进而使其具有更小的直流侧电压脉动以及更优质的动态性能，在开关的频率较低时，如300～500Hz就能够达到对电流谐波的相关要求[1]。其次，电平数增加也使得电源的侧电流要更接近正弦，这与两电平相比，是最大的不同。且电平数不断增加，正弦性也会随之变化，越来越好，而功率因数也会变得更高。最后，增加开关的数量也有利于将开关管上的电压压应力进一步降低，进而将装置的稳定性提高，在对电压要求较高的场合较为多用。

2 三电平PWM整流器中的工作原理

2.1 主电路拓扑

三电平PWM整流器在其主电路的每个桥臂上都有4个开关管，一般情况下是IGBT管，为促进电压均衡，要在直流侧将两电容进行串联，这两电容必须具有相同的参数，以保持中性点平衡[2]。三电平的点拓扑的结构主要是指对于中性点来说，每相桥臂都可以拥有3种不一样的输出状态。因此，可以推算出，所有桥臂应该具有27种的开关状态。为了将三种电实现平输出，每个桥臂一般都是由4个开关管与2个钳位二极管而组成。交流侧和电网之间是通过电感与电阻连接的，而对于直流侧来说，是由2个电容相互串联并同负载R3共同构成的。

2.2 PWM空间相量的控制算法

对于3个不一样的基本电压向量可以通过（1-1）公式计算出其在控制系统中的作用时间。在得出具体的时间数值后，以开关管对应的开关时间为依据，将信号的输出状态以及输出形式确定出来。

由上述分析可知，在三电平空间中，采样周期应该分为四步进行：首先，以参考电压的位置为基础，来选择出合成电压相量中的三个基本的相量；其次，通过上述公式来对这三个基本电压相量的时间进行确定；再次，通过公式将基本电压相量所对应的开关管的主要输出形式计算出来；最后，通过上面三步的计算，对开关管的导通时间与顺序进行确定。

3 三电平PWM整流器的方针与设计探讨

本文对整流器进行仿真模型主要依据是Matlab中的三相PWM整流器模型，具体的仿真模型如图1。

在图1的仿真结构图中，主要是按照没有添加中点电位的控制策略、以SVPWM为基础，在其之中的重点电位的控制策略以及以电荷为基础的守恒中点的电位控制策略来对整流器进行仿真模拟的，并且得到了具体对应的仿真结果[3]。通过仿真模拟可以看出，如若PWM整流器并没有加入中点电位进行控制的仿真时，三电平整流器会出现零点漂移的现象，且这种现象是显而易见、十分明显的，对系统以及对应的开关器件有着较大的影响，也会在一定程度上对电压产生影响。另外，PWM整流器中的中点的位置，在采用電荷守恒中点的控制策略时有明显的变化，得到了有效的控制，并且这中方法能够将开关的损耗降到最小化。此外，这种方法的控制策略的计算方法较为简单，系统具有极强的稳定性，直流侧中的电压也很平稳。

4 结束语

通过本文对三电平整流器系统的探讨，在仿真模拟中对三种方法以及所取得的结果进行分析，找出最适合的模拟方法。通过模拟可以看出，基于电荷守恒中点的控制策略是最为优质的，带来的影响最小。期望通过本文的研究，能够为三电流系统的完善提供有效建议。

参考文献：

[1]谭国俊，曹晓冬，王从刚.基于满意优化的三电平PWM整流器瞬时开关频率抑制方法[J].中国电机工程学报，2014，04（24）：4057-4067.

[2]何礼高，陈鑫兵.变电感参数三电平不可逆PWM整流器的电流PI优化控制[J].电工技术学报，2011，05（07）：203-209.

[3]刘辉.基于双闭环控制的三相三电平PWM整流器研究[J].工矿自动化，2013，04（08）：72-75.