基于SVPWM三电平整流器的设计与研究

谭姗姗

【摘  要】以提升机的整流装置为研究背景，从通用性出发，重点针对大功率发射机功率因数低的问题，开发包括整流器在内的新型电力电子变流装置，使其在使用时既不产生谐波，也不消耗无功功率，即在整流电路工作时，使输入侧的电流正弦化，输入功率因数为1或者接近于1，能量实现双向流动，真正实现绿色电能的转换，因此研究这样一种特种电源具有重要的实用意义。

【关键词】三电平整流器;SVPWM;控制技术;中点平衡

由于电力电子器件、高精度高速运算芯片、实时仿真及控制等技术的飞速发展，各类电力电子装置正广泛地应用于交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等领域给人们带来了一系列的新问题：无功和谐波对电网的污染日益严重，环境逐渐恶化，能源也越来越匱乏。在这个背景下，随着多电平技术的发展和日趋成熟，对三电平整流器的研究近年来成为热点，提高电网的功率因数，消除电网谐波污染，已成为整流器技术发展的趋势。随着科学技术的迅猛发展，大量的非线性电力电子变流装置在现代工业、交通、国防、生活等领域得到广泛应用，如交直流换流设备、整流器以及输入端为整流电路的变频器和不间断电源等，它们完成了对电能进行变换处理的任务，使得用电设备处于比较理想的工作状态，或者满足负荷某些特殊的要求，从而获得最大的经济效益。当今，经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一[1]。然而，这些非线性负荷设备在传递、变换、吸收过程中把部分基波能量转换成谐波能量，造成交流输入电压、电流发生畸变，向系统中注入高次谐波，使输入功率因数降低，电能质量下降，对电力系统包括用户的安全、经济运行产生严重的危害和影响，甚至造成电力设备的损坏，干扰保护产生误动，引发电力系统大面积停电等事故。随着电力电子的迅猛发展，这些变流装置的应用场合和容量无疑都将日益增长，其产生的谐波和危害也日益严重，因此抑制谐波污染引起世界各国的高度重视，具有十分重要的研究意义。

尽管目前直接电流控制方法多种多样，但总体上来讲，三相电压型SVPWM整流器控制还是主要采用电压控制外环和电流控制内环的双闭环串级控制策略。只不过实现双闭环的方法不一样而已。这是由于整流器是工作在开关模式下，是一个强非线性系统，电流之间、电压之间存在强耦合，给设计控制电路带来不便。电压外环和电流内环双闭环的串级控制是常用的方法。因此PI调节器的参数的设计尤为重要。从工程应用上讲，目前自适应PID、模糊逻辑、神经网络等PI参数整定方法还不成熟并不实用，还是采用古典的线性控制，这需要对由PI调节器构成的双闭环整流器的具体设计进行深入研究[2]。

1 三电平整流器的结构及数学模型

建立三电平 PWM 整流器的数学模型是研究三电平整流器的基础。接下来本章将主要论述电压型中点箝位（NPC）三电平整流器的结构原理和数学模型，为后续整流器控制系统的设计打下基础：首先对三电平整流器的基本原理进行分析，讨论稳态下的控制方法;其次，阐述了三电平整流器的拓扑结构、各组成部分及功能;最后推导了三电平整流器在三相静止坐标系和同步旋转坐标系下的数学模型并给予其物理意义，为后续控制系统的设计打下基础。

1.1三电平整流器原理分析

从功率平衡角度考虑，忽略开关管桥路损耗，则电网输入功率与逆变输出功率平衡。ABC 坐标下三电平 PWM 整流器的数学模型建立 PWM 整流器的数学模型是深入分析PWM 整流器的工作机理及动态和静态性能的重要手段。三电平电压型 PWM 整流器的模型有多种形式，通常有低频数学模型和高频数学模型两种[3]。低频数学模型可以得出稳态时整流器的向量图，通过几何图形可以很清晰的表示出整流器的工作机理和各物理量之间的关系，并得出整流器的等效电路。因此常用于控制系统的设计，但其略去了开关过程的高频分量，因而不能进行精确的动态波形仿真。而采用开关函数描述的高频数学模型，更适合整流器的波形仿真研究，但采用开关函数描述的整流器一般数学模型由于包含了其开关过程的高频分量，因而很难用于指导控制器设计。首先讨论低频坐标系下的数学模型，由于在前面研究整流器基本原理时已经做了论述，此处只建立整流器的高频数学模型。

2 三电平整流器的控制策略研究

2.1算法的基本思路

本节将研究三电平 PWM 算法的具体实现。电力电子变换器控制的关键技术是脉宽调制的技术，从理论上来说方法有很多如等面积法、图解法、计算法、优化法、斩波法、角度法、跟踪法和次谐波法等。在这些算法中，正弦波调制（SPWM）算法和空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法是经常使用的两种方法，其中三电平 SPWM 算法采用双层载波调制技术来控制每个桥臂上的四个开关管。三电平 SVPWM 算法利用电机控制领域中的空间矢量概念，采用伏秒平衡原理进行矢量合成，与 SPWM 算法相比有电压利用率高、输出电压谐波含量低、能方便地抑制中点电位漂移等优点而被广泛地应用。

2.2 三电平SVPWM 的一般算法

本文对三电平简化 SVPWM 算法在 TMS320F28335 开发板上进行了实验验证，TMS320F28335 有 12 路增强型 PWM 输出通道，正好满足三电平 PWM 变换器的 12 路PWM 驱动的需要。在该款 DSP 上对三电平简化 SVPWM 算法进行数字化。本节将在Simulink 环境下搭建基于g-h 坐标系的三电平SVPWM 模块，用于验证该算法的正确性。采用一个三电平变换器，建立逆变系统：使用 1mH 的纯电感作负载，母线电压 2000V，参考线电压有效值 1140V、频率 50Hz，取 PWM 频率为 2kHz。

2.3三电平整流器中点电位平衡分析

三电平三相二极管箝位型 PWM 变换器的中点平衡是关键，只有直流侧两电容电压保持平衡时，每个开关管承受的电压才是直流电压的一半，才能保证系统可靠运行。由于开关器件本身特性的不一致和变换器能量转换时中点电位参与能量的传输，导致了两个电容电压分压不均的问题，即中点平衡问题。如果中点电位不平衡，在交流输入侧会产生低次谐波，降低变换器的效率，不利于高效、高功率因数的实现;另外，变换器的部分开关管承受的电压变高，降低了系统的可靠性;中点电位的波动还会降低直流电容的寿命。此外，三电平电路所固有的直流侧电容电压不平衡问题会导致网侧电压中包含偶次谐波，因此在 PWM 算法中必须考虑中点电位控制。本章在分析了中点浮动原因的基础上提出了基于无电流传感器滞环控制的中点平衡策略和基于模糊控制器的控制因子法，这两种方法均实现了直流侧两电容的均压，确保了网侧的高功率因数。

3 结论

本文从通用性出发，重点针对大功率发射机功率因数低的问题，开发包括整流器在内的新型电力电子变流装置，使其在使用时既不产生谐波，也不消耗无功功率，即在整流电路工作时，使输入侧的电流正弦化，输入功率因数为1或者接近于1，能量实现双向流动，真正实现绿色电能的转换，因此研究这样一种特种电源具有重要的实用意义。

参考文献：

[1]王伟岸，雷志方，陈国栋.正负序提取在三相电流不平衡治理中的应用[J].上海电气技术，2018，11（04）：36-40.

[2]张留宛.三相PWM整流器右半平面零点问题研究[J].电子世界，2018（24）：8-10.

[3]宋鹏，金雪峰，袁媛，杨雨菲，刘华.三电平整流器特定谐波抑制方法研究[J].电气传动，2018，48（12）：11-15.

（作者单位：山东正恒电力集团有限公司）