三电平NPC整流器控制研究

三电平NPC整流器控制研究

二极管中点钳，位三电平脉宽调制整流器是目前研究运行比较多的一种拓扑结构，通过解析其基本拓扑，从空间矢量开关函数的角度上搭建了中点钳位整流器之数学模型，转换到同步旋转坐标系后采取前馈解耦的方式建立了系统的电压与电流之双闭环控制系统，控制整流系统的有功与无功功率解耦传输，进而达到控制功率因数的效果。

标签：中点钳位三电平整流器；数学模型；解耦；空间矢量调制

引言

随着电力电子相关技术的快速变革，变流装置在电气应用各个方面扮演了愈来愈关键的角色。相对于传统两电平整流器，除了可以调整输出直流电压、高功率因数传输、以及可以达到能量双向流动和大功率传输等好处外，二极管中点钳位型整流器[1]具有输出电压和电流谐波小、开关器件承担电压低以及等效开关频率低等优点。因而，三电平钳位型整流器之控制策略一直是国内外研究者們的关注焦点。

对于三电平NPC整流器，文章从SVPWM的角度出发，建立了三电平中点钳位整流器在同步旋转坐标，系内的数学模型，然后依据数学模型，对系统进行了前馈解耦，建立了三电平脉宽调制整流器系统的电压与电流之双闭环控制系统[2]，达到了直流侧母线电压跟功率因数的设想效果。最后采取仿真的方式确认了整个控制模型的正确性与可行性。

1 三电平钳位脉宽调制整流器数学模型与控制解耦

1.1 三电平钳位脉宽调制整流器之数学模型

中点钳位三电平脉宽调制整流器主要拓扑较多文献已有介绍，这里由于篇幅原因不再阐述。电路交流侧输入为三相对称交流电压，Ls与Rs分别表征交流侧阻感，直流侧则串入两个相等值电容C1与C2。理想情况时C1与C2（其值为Cd）完全相同，故Vdc1=Vdc2=Vdc/2。装置交流侧每相输出电压都有三种状态：Vdc/2、0、-Vdc/2。

根据基尔霍夫定律，从空间电压矢量开关函数的角度出发，可以得到三电平中点钳位整流器在abc坐标系内数学模型，但是abc坐标系内电压与电流量都是随时间变化的交流变量，妨碍控制模块的考虑，故将系统在abc坐标系内的数学模型转化成同步旋转（dq）坐标系内。在dq系中，稳态时，d、q轴分量为直流之变量，便于控制模块设计。

1.2 三电平钳位脉宽调制整流器控制解耦

根据系统在dq坐标系内的数学模型，对电压与电流都采用闭环控制，以设计三电平中点钳位整流器的控制模块，确定直流方面母线电压稳定及调整输入方面之PF。式Ls×did/dt=usd-Vd-Rs×id+ wLsiq与Ls×diq/dt=usq-Vq-Rs×iq-wLsid展示出三电平中点钳位脉宽调制整流器电压与电流之输入公式。式中，Vd=Sd1×Vdc1-Sd2×Vdc2，Vq=Sq1×Vdc1-Sq2×Vdc2，为三电平中点钳位脉宽调制整流器dq坐标系内交流侧之电压。

由前式可知，d、q轴电流不仅与电网输入电压usd、usq有关，还受到Vd、Vq以及扰动量wLiq、wLid的影响，即d、q轴尚没有达到彻底的解耦。为此，对系统进行前馈之解耦。将Vd、Vq写为Vd=usd+wLsiq-Vd*，Vq=usq-wLsid-Vq*，而稳态时交流侧电压可以写为Vd*=Rs×id+Ls×did/dt，Vq*=Rs×iq+Ls×diq/dt，对系统进行PI调节时，则可以得到公式Vd*=-（Kp+Ki/s）×（id*-id）+usd+wLsiq 与Vq*=-（Kp+Ki/s）×（iq*-iq）+usq-wLsid，即可发现整流器电流的d、q轴分量达成解耦。最后采用电网电压之矢量定向的方式，得到功率计算公式分别为P=1.5usid，Q=-1.5usiq，容易看出，输入端电流d、q轴分量的大小和方向直接决定了电网、整流器之间能量流动之大小和方向，即可以实现任意功率因数控制。

2 仿真验证

为验证三电平NPC控制模型，在MATLAB中搭建了仿真模型，控制算法采用简化两电平SVPWM算法[3-5]，因有大量文章已介绍过，便不再占用篇幅。模型参数为：交流侧电压取380V，Ls=20mH，Rs=0.01欧，直流母线的电压则取Vdc=500V，C1=C2=4500uF。

图1给出了仿真验证之波形，其中从上到下分别是功率波形图、交流侧A 相之电压与电流图、直流母线之电压波形图。容易看出，有功功率基本保持200kW，无功功率基本为0，则PF则基本为1；交流侧A相电压和电流波形，两者基本同相位，可以看到电压谐波较低，THD在0.47%左右，而电流谐波较小，THD达到了10%，功率因数则基本为1。直流母线电压则稳定在500V左右。由此，三电平NPC整流器运行正常，直流侧电压稳定，功率因数受到控制，接近于1。

3 结束语

文中对二极管中点钳位三电平脉宽调制整流器拓扑与控制算法进行了研究，并进行了仿真验证。首先从空间矢量开关函数的角度建立了三电平系统的abc坐标系数学模型，再转化至同步旋转坐标系中，在这个基础上构建了对三电平钳位脉宽调制整流器之外环电压控制与内环电流控制模型，达到了有功功率与无功功率之解耦的效果、高功率因数运行以及直流电压稳定性能。

参考文献

[1]窦真兰，张同庄，凌禹.三电平NPC整流器空间矢量脉宽调制及中点电位平衡控制[J].电力自动化设备，2008，2：65-69+79.

[2]郭卫农，陈坚.基于状态观测器的逆变器数字双环控制技术研究[J].中国电机工程学报，2002，22（9）：64-68.

[3]伍小杰，董瑶，周娟，等.三电平逆变器基于参考电压分解的SVPWM算法[J].系统仿真学报，2009，19：6216-6220.

[4]苑春明.三电平变换器SVPWM关键技术研究[D].合肥工业大学，2008.

[5]周京华，贾斌，章小卫，等.混合式三电平中点电位平衡控制策略[J].中国电机工程学报，2013，24：82-89+13.

刘永超（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为三电平逆变器中点电位控制策略。