PMSG-PWM系统中两种PWM整流拓扑的谐波分析

周野　焦振宏

摘  要：近年来，电力电子、计算机控制技术的进步，推动着船舶电力系统的发展。船舶电力系统中的永磁同步发电机具有高频率、大功率和电感小的特点。由于目前开关器件的限制，传统三相PWM整流器难以应用于高电压、大电流和高频率的特殊场合。为了减小PWM整流的脉动和电流谐波，可采用双重三相PWM整流器拓扑或中点钳位式三电平PWM整流器拓扑。用MATLAB/Simulink对两种PWM整流拓扑进行仿真，对二者的电流谐波进行对比分析。

关键词：船舶电力系统;双重三相拓扑;中点钳位式三电平拓扑;电流谐波

中图分类号：TM461 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）17-0025-03

Abstract： In recent years， the progress of electric power， electronics and computer control technology promotes the development of marine power system. Permanent magnet synchronous generator （PMSG） in marine power system has the characteristics of high frequency， high power and low inductance. Due to the limitation of current switching devices， the traditional three-phase PWM rectifier is difficult to be used in special situations with high voltage， high current and high frequency. In order to reduce the pulsation and current harmonics of PWM rectifier， dual three-phase PWM rectifier topology or neutral-point clamped three-level PWM rectifier topology can be used. Two kinds of PWM rectifier topologies are simulated by MATLAB/Simulink， and the current harmonics of the two are compared and analyzed.

Keywords： marine power system; dual three-phase topology; midpoint clamped three-level topology; current harmonics

引言

与相控整流器相比，三相PWM整流器不但功率因素接近为1，而且具有重量轻、体积小、电流畸变小、动态响应速度快的优点。但由于开关器件的制约，传统三相PWM整流器难以应用于船舶电力系统等容量大、电压高、电感小的特殊场合。本文针对大容量小电感PMSG-PWM整流系统，采用以下两种思路进行研究：

（1）采用双重三相PWM整流器拓扑，提高开关频率。

（2）采用三电平PWM整流器拓扑，增加电平数。

1 双重三相PWM整流器拓扑

双重三相PWM整流器拓扑如图1所示，在传统三相PWM整流器的基础上，将每个桥臂上的功率管用两个并联的功率管替代。

为了比较两种整流器的谐波大小，本文基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了仿真模型，并对仿真的结果进行分析。仿真过程中电机的参数如表1所示。

当永磁同步发电机采用表1仿真参数，转速给定为2200rpm，直流侧输出电压为750V时，双重三相PMSG-PWM整流系统的仿真波形如图2所示。

图2（a）是对A相电流波形进行傅里叶分析以后得到的柱状图，图2（b）是为永磁同步发电机A相电压波形，图2（c）为PMSG-PWM系统的输出电压波形，图2（d）是发电机A相电流波形。

2 三电平PWM整流器拓扑

三电平PWM整流器拓扑如图3所示，在传统三相PWM整流器的基础上，将每个桥臂上的功率管用两个串联的功率管替代，并在功率管中点位置加上钳位二极管。

当永磁同步发电机采用表1仿真参数，转速给定为2200rpm，直流側输出电压为750V时，三电平PMSG-PWM整流系统的仿真波形如图4所示。

图4（a）是对A相电流波形进行傅里叶分析以后得到的柱状图，图4（b）是三电平PWM整流器A相的电压，图4（c）为PMSG-PWM系统的输出电压波形，图4（d）是线电压波形。

3 三电平整流器与双重三相整流器的仿真结果比较

图5是等效5kHz下两种拓扑的A相电流傅里叶分析结果。

图中，两种拓扑在1kHz、2kHz、3kHz等频率附近都会产生谐波，这是由开关动作产生的，可以忽略不计。双重三相PWM整流器发电机相电流的总谐波失真（Total Harmonic Distortion，简称THD）为4.05%，三电平PWM整流器THD值为1.93%。这两个值都远小于相控整流时相电流THD值。双重三相PWM整流器从提高整流器工作频率的角度来减小谐波，而三电平PWM整流器通过增加电平数使输出电压更接近于正弦波。在相同的开关频率下， 三电平PWM整流器的谐波含量相对更小。

4 结论

双重三相和三电平PWM整流器通过改变电路结构使整流器可以用于大容量、高电压、小电感的特殊场合。双重三相PWM整流器控制相对简单，总谐波失真抑制效果较好，但它增加了功率管的数量导致成本上升。三电平PWM整流器在减少总谐波失真上效果更好，但其控制方法更加复杂，同时增加了钳位二极管和电容等其他器件，存在中点电位平衡问题，增加了电路的不稳定性。

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