基于載波調(diào)制的三電平整流器控制

摘要：在研究多電平空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法的基礎(chǔ)上提出了一種與SVPWM算法等效的三電平載波調(diào)制(TCPWM)算法，并給出了統(tǒng)一的零序分量表達(dá)式。與SVPWM相比，該算法不僅在輸出畸變率、直流電壓利用率等指標(biāo)上與SVPWM算法完全相同，且具有運(yùn)算時(shí)間短、算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。最后將TCPWM算法運(yùn)用在三電平整流器中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了TCPWM算法的可行性。

關(guān)鍵詞：整流器；三電平載波調(diào)制；零序分量

1 引言

隨著節(jié)能環(huán)保與綠色能源等理念的快速發(fā)展，使用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)控制的整流器已成為電力電子行業(yè)研究的熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的二極管不控整流而言，PWM整流器具有功率因數(shù)可調(diào)、能量雙向流動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，并克服了傳統(tǒng)整流技術(shù)功率因數(shù)低、諧波大的缺點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、變頻調(diào)速領(lǐng)域。

PWM技術(shù)一般可分為正弦載波調(diào)制(SPWM)與SVPWM。SVPWM從電機(jī)整體出發(fā)，以構(gòu)建磁鏈圓為目的進(jìn)行控制，物理概念明確清晰，相對(duì)于傳統(tǒng)的SPWM控制而言，SVPWM能獲得更好的控制效果，同時(shí)在直流電壓利用率、開關(guān)損耗、輸出諧波率等方面也優(yōu)于SPWM，但SVPWM算法仍存在一些缺點(diǎn)，例如在一個(gè)周期中需要先進(jìn)行扇區(qū)判斷、矢量選擇與作用時(shí)間計(jì)算等一系列工作，且隨著電平數(shù)的增多，SVPWM算法的計(jì)算量增加，從而嚴(yán)重影響控制性能．所以在SPWM與SVPWM之外尋找一種更好的PWM實(shí)現(xiàn)方法已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。此處提出了一種與SVPWM等效的TCPWM算法，給出了統(tǒng)一的零序分量表達(dá)式。

2 基于載波調(diào)制的脈寬調(diào)制技術(shù)

所謂TCPWM算法其實(shí)質(zhì)就是在三相正弦調(diào)制波中加入零序分量，再與三角載波進(jìn)行比較以得到與SVPWM類似的控制效果?？梢詫⑵淅斫鉃槭荢PWM算法的改進(jìn)，同時(shí)TCPWM算法也從一個(gè)側(cè)面反映出SPWM算法與SVPWM算法的本質(zhì)聯(lián)系。由文獻(xiàn)可知，兩電平中各相所加零序分量的表達(dá)式為：

當(dāng)k0=0．5時(shí)，此算法實(shí)質(zhì)即為SVPWM算法。相比于兩電平各相零序分量而言，三電平的零序分量計(jì)算較為復(fù)雜，下面以TCPWM載波同相調(diào)制為例，通過分析TCPWM與三電平SVPWM算法近似得出TCPWM中零序分量的表達(dá)式。

假設(shè)處于(1，0，0)，(1，-l，-1)，(1，0，-1)的端點(diǎn)所組成的三角形之中，圖1示出參考矢量在一個(gè)周期內(nèi)雙重載波的調(diào)制圖。由圖1可知：

由線電壓合成公式可得：

通過對(duì)其余扇區(qū)零序分量表達(dá)式的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)各扇區(qū)中零序分量表達(dá)式略有不同。下面給出如何求得零序分量的統(tǒng)一表達(dá)式的方法。

首先比較a，b，c三相相電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，若該項(xiàng)參考電壓為正，則用原值進(jìn)行比較；若為負(fù)，則用1加上該項(xiàng)參考電壓轉(zhuǎn)換為正值進(jìn)行比較；再根據(jù)轉(zhuǎn)換后的各項(xiàng)參考值進(jìn)行比較產(chǎn)生大小次序后，將原值從大到小排列即得Umax，Umid，Umin的取值。確定各相大小順序后，即可求得零序分量為：

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在不同的調(diào)制度下零序分量uz、調(diào)制波ua，ub，uc及疊加零序分量后的一相調(diào)制波ut的仿真波形如圖2所示。在三電平PWM中，電容中點(diǎn)電位控制是一大難題，在多電平SVPWM算法中一般利用調(diào)節(jié)正負(fù)小矢量的作用時(shí)間來保持電容中點(diǎn)電位為零，由此可知，在多電平TCPWM算法中可通過調(diào)節(jié)k0的取值來穩(wěn)定中點(diǎn)電位。

3 三電平整流器的數(shù)學(xué)模型

圖3示出三電平整流器典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)文獻(xiàn)可得其在d，q坐標(biāo)軸下的方程為(電網(wǎng)電壓定向)：

為了讓id，iq解耦完全，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，引入前饋解耦可得：

圖4示出系統(tǒng)控制框圖。

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4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證上述方法在實(shí)際運(yùn)用中的可行性，搭建一套DSP+FPGA的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其中DSP為TMS320F2812，F(xiàn)PGA為EP1K30QC208-1，電網(wǎng)線電壓380 V，直流母線給定電壓600 V，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)：電網(wǎng)相電壓峰值為155 V，頻率50 Hz，主電路中R=0．1 Ω，L=1 mH，C1=C2=4700μF。實(shí)驗(yàn)中，首先空載啟動(dòng)整流器，然后將負(fù)載先加后減。圖5a為a相相電壓、電流及上、下母線電壓波形，圖5b為有功、無功電流、電壓外環(huán)輸出的給定有功電流及直流母線電壓波形。圖中各量均為標(biāo)幺值處理，電壓基值為300 V，電流基值為50 A。

由圖5a可知，ia正弦度較好，系統(tǒng)功率因數(shù)近似為1；由圖5b可知，電流環(huán)解耦較為完全，有功電流跟蹤效果良好，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)不僅能快速地實(shí)現(xiàn)有功電流跟蹤，而且Udc波動(dòng)很小。

5 結(jié)論

提出一種新型三電平載波調(diào)制算法，該算法與空間矢量脈寬調(diào)制算法有相同的直流電壓利用率和輸出電流畸變率，同時(shí)具備算法簡(jiǎn)單清晰、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。將其運(yùn)用在三電平整流器中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此載波調(diào)制算法的可行性與優(yōu)良性。