基于双环控制的单相三电平整流器SVPWM控制策略研究

武 浩，李 森

（1．青岛大学 电气工程学院，山东 青岛266071；2．国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安271000）

0 引 言

目前市场上的整流器主要采用二极管不可控、晶闸管相控和PWM整流方式，随着国内外电力电子技术的发展，不可控和相控整流方式因谐波含量高、损耗比较大、功率因数比较低等缺点已不能满足很多中高压功率场合。采用高频开关模式、高功率因数和低谐波的PWM整流器逐渐应用于各种场合。尤其是三电平甚至多电平PWM整流器在高压大功率场合得到广泛应用。本文将围绕单相三电平PWM整流器进行控制策略的研究。

1 主电路及原理分析

图1所示为单相三电平PWM整流器的主电路图，电路由两个桥臂组成，每个桥臂有4个IGBT，两个箝位二极管和4个反并联二极管组成，可以使每个开关器件承受的关断电压为直流侧电压的一半，提高器件的耐压水平。

当整流器正常工作时，每个桥臂有三种开关状态，两个桥臂共有32＝9种工作状态，设桥臂a的开关函数为

同理可以得出桥臂b的开关函数，假设整流器直流侧两支撑电容相等，则单相三电平PWM整流器的9种开关状态如表1所示。

图1 单相三电平PWM整流器主电路

表1 整流器的九种工作状态

2 双闭环控制系统

双闭环控制系统分为电流内环控制和电压外环控制，因其结构简单、物理意义清晰、能够实现电流快速跟踪并有效的限制电流等优点被广泛应用于各种控制领域中。

图2 电流内环控制器结构图

电流内环控制结构图如图2所示，为提高电流的跟踪速度，可以合并小惯性环节再降阶处理并忽略干扰量，可以得到简化的电流内环开环传递函数：

电压外环控制系统结构图如图3所示。

图3 电压外环控制器的结构图

略去扰动量的前馈负载电流可得到简化的电压外环控制的开环传递函数为：

3 SVPWM控制方法分析

SVPWM概念来自于交流电机，是利用整流器不同的开关状态所产生的实际磁链去逼近理想圆形轨迹，形成PWM脉冲。主要优点是电压利用率高、电流纹波小、噪声低、易于数字控制。

如图4所示，根据整流器9种工作状态对应的大矢量、中矢量和小矢量，可以划分为4个区域：

图4中Uref为参考电压，当Uref位于工作区域I中时，采用小矢量U4、U6和大矢量U8合成Uref。并设U0＝Udc，U1＝Udc／2，根据伏秒平衡原理可得：

图4 SVPWM调制空间矢量图

4 中点电压平衡

当二极管中点箝位型整流器出现直流侧两电容分压不均的现象时，会造成部分开关管受压不均，影响整流器的性能和安全，不利于整流器的长期运行，因此直流侧电容的中点平衡控制成为了三电平整流器研究的重点问题。

通过分析9种开关状态矢量，可以得出小矢量参与合成Uref时对中点电压影响较大，因此选择合适的小矢量来合成参考电压对保证中点电压平衡有非常重要的作用。引入中点电压控制函数：

图5 双环控制系统框图

MATLAB／Simulink软件进行仿真进一步验证所采用的控制算法实用性。实验参数如表2所示。

图6 仿真结果

表2 实验参数

5 结 论

本文以单相三电平PWM整流器作为研究对象，对整流器的双环控制、SVPWM调制方法以及中点电压平衡控制等问题进行了研究和实验验证。实验结果证明本文采用的控制策略具有较好的实用性，能够有效保障中点电压平衡并取得比较理想的整流效果。