無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器三電平PWM整流器研究

摘要：在大功率三電平整流器應(yīng)用中，為降低成本、提高性能，研究了一種無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器三電平PWM整流器。在分析其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用三電平SVPWM簡(jiǎn)化算法，將傳統(tǒng)兩電平電壓空間矢量控制算法應(yīng)用于三電平，并結(jié)合一種新穎的虛擬磁鏈觀測(cè)器，提出了基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的三電平PWM整流器矢量控制策略，在雙三電平變頻器系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該三電平PWM整流器可較好地穩(wěn)定直流母線電壓，提高整流器功率因數(shù)，并具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。
關(guān)鍵詞：整流器；無(wú)傳感器；虛擬磁鏈

1 引言
    PWM整流器因其具有輸入電流正弦、功率因數(shù)可控、能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛應(yīng)用。三電平PWM整流器能在相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率下產(chǎn)生較好波形，并顯著提高開(kāi)關(guān)器件耐壓等級(jí)，在大功率應(yīng)用場(chǎng)合已逐步取代兩電平。為降低復(fù)雜度，提高可靠性，基于虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的PWM整流器無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器矢量控制成為研究熱點(diǎn)。此處采用三電平SVPWM簡(jiǎn)化算法，并結(jié)合一種新穎的虛擬磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)三電平PWM整流器基于虛擬磁鏈定向的無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器矢量控制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

2 三電平PWM整流器數(shù)學(xué)模型
    圖1示出二極管中點(diǎn)箝位型三電平PWM整流器主電路。三電平整流器每相橋臂均由4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和2個(gè)箝位二極管組成，其本質(zhì)是通過(guò)控制VSi1-VSi4(i=a，b，c)的開(kāi)通和關(guān)斷，使得交流側(cè)三相輸入電流ia，ib，ic正弦化，功率因數(shù)接近1，同時(shí)維持直流側(cè)輸出電壓Udc平衡。

    由于三電平PWM整流器相似于逆變器供電的交流電機(jī)定子電路，故可采用類(lèi)似于交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法構(gòu)造出虛擬的電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶?，作為三電平PWM整流器矢量控制中的定向矢量，從而實(shí)現(xiàn)取消電網(wǎng)側(cè)電壓傳感器、降低成本的目的。即可將整流器電網(wǎng)側(cè)視作一臺(tái)無(wú)限大由逆變器供電、以同步轉(zhuǎn)速恒速運(yùn)行、定子電阻和漏感分別為Rs和Ls的虛擬電機(jī)，其中電網(wǎng)電壓相當(dāng)于虛擬電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)。
    在此直接給出虛擬電網(wǎng)磁鏈定向d，q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三電平整流器數(shù)學(xué)模型：

    經(jīng)坐標(biāo)變換后，對(duì)稱(chēng)的三相正弦變量可變換為d，q軸上的恒定直流量，更加便于三電平整流器的研究與控制。
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3 簡(jiǎn)化三電平SVPWM算法
    此處對(duì)三電平整流器采用新穎的SVPWM簡(jiǎn)化控制算法，該方法是將三電平空間矢量圖分解為6個(gè)相互重疊的小六邊形(用S=1～6標(biāo)志)，如圖2a所示：每個(gè)小六邊形即代表傳統(tǒng)的二電平空間矢量圖，再利用兩電平算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這對(duì)三電平而言更加簡(jiǎn)單方便。

    在三電平向兩電平平面過(guò)渡時(shí)，需對(duì)參考電壓矢量進(jìn)行修正。圖2b為S=1時(shí)的參考電壓矢量修正示意圖。Uref為原參考電壓矢量，按照最近三矢量法則，該參考矢量可由電壓矢量U1，U13，U7共同合成。各矢量減去小六邊形原點(diǎn)U1后，參考矢量和相鄰矢量轉(zhuǎn)化到該小六邊形三角形區(qū)域內(nèi)，其中分別為Uref，U1，U13，U7修正后的兩電平中電壓矢量，以U1為原點(diǎn)，且U1’為零矢量。通過(guò)轉(zhuǎn)化后，三電平SVPWM算法即可采用常規(guī)的二電平SVPWM算法實(shí)現(xiàn)。
    針對(duì)三電平整流器中點(diǎn)電位波動(dòng)的問(wèn)題，此處采用基于檢測(cè)直流側(cè)電容電壓改變小矢量作用時(shí)間的方法來(lái)抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)。即結(jié)合整流器運(yùn)行狀態(tài)，在獲得中點(diǎn)電位偏差的情況下，針對(duì)偏差的不同情況，動(dòng)態(tài)改變正、反組小矢量的作用時(shí)間即可對(duì)中點(diǎn)電位波動(dòng)進(jìn)行抑制。

4 虛擬電網(wǎng)磁鏈位置角的觀測(cè)
    準(zhǔn)確觀測(cè)虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶康奈恢媒?theta;是三電平PWM整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向無(wú)電壓傳感器控制的關(guān)鍵?？筛鶕?jù)三電平PWM整流器在α，β坐標(biāo)系中的電壓平衡方程，通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓積分即可估計(jì)出電網(wǎng)虛擬磁鏈：
   
    式中：um為整流器交流側(cè)輸出三相電壓α，β分量；ψm為電網(wǎng)虛擬磁鏈的α，β分量。
    令，按虛擬磁鏈定向時(shí)，定向角可為θ=tan-1(ψβ／ψα)，據(jù)此進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到d軸虛擬磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的矢量控制，其坐標(biāo)變換關(guān)系如圖3所示。

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    在估計(jì)磁鏈時(shí)采用純積分環(huán)節(jié)，積分初值問(wèn)題將會(huì)造成觀測(cè)磁鏈的偏差，從而影響電流反饋的真實(shí)性和電壓空間矢量施加的準(zhǔn)確性。因此在計(jì)算虛擬磁鏈時(shí)，采用三個(gè)一階低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)，以消除積分直流偏置影響，虛擬磁鏈觀測(cè)器原理如圖4所示。

5 三電平PWM整流器控制系統(tǒng)
    此處采用基于電網(wǎng)虛擬磁鏈定向矢量控制策略，輔以整流器前饋解耦，采取電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，并利用兩相電流和橋臂開(kāi)關(guān)信號(hào)估計(jì)出虛擬磁鏈?zhǔn)噶课恢媒?theta;，據(jù)此進(jìn)行坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的矢量控制，圖5示出控制框圖。系統(tǒng)控制目標(biāo)為：維持直流母線電壓恒定且有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，確保網(wǎng)側(cè)輸入電流正弦，功率因數(shù)為1。

    在控制系統(tǒng)中，由于磁鏈定向角滯后電壓定向角π／2，所以q軸電流分量iq為有功電流，d軸電流分量id為無(wú)功電流；外環(huán)為直流電壓閉環(huán)，輸出有功電流給定，在功率因數(shù)為1的要求下，令d軸電流給定分別與對(duì)應(yīng)的反饋值id，iq比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)與前饋解耦補(bǔ)償后，即可獲得交流側(cè)的指令電壓，由此再經(jīng)α，β坐標(biāo)變換后進(jìn)行SVPWM，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)三電平整流器的控制。
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6 實(shí)驗(yàn)研究
    采用上述控制策略，以TMS320F2812型DSP為主控制器，搭建了容量為1．5 MW的雙三電平變頻調(diào)速平臺(tái)，以雙饋繞線電機(jī)作為逆變器負(fù)載，模擬有源及無(wú)源負(fù)載效應(yīng)，對(duì)基于虛擬磁鏈定向的三電平整流器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。整流器交流側(cè)電源線電壓為660V，進(jìn)線電抗為0．6 mH，直流母線電容為7 mH，開(kāi)關(guān)頻率為2 kHz。圖6示出系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

    圖7a示出三電平整流器運(yùn)行在負(fù)載突變狀態(tài)時(shí)的波形，即電網(wǎng)相電壓ua，相電流ia，Uup，Udn及中性點(diǎn)電壓Um；圖7b，c示出三電平整流器運(yùn)行在整流與逆變狀態(tài)時(shí)的波形。測(cè)試結(jié)果采用標(biāo)幺值處理，電壓基值為540V，電流基值為350。

    該系統(tǒng)控制運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，由圖7可知，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)較高，交流側(cè)a相電壓及電流的正弦度較好，在負(fù)載躍變時(shí)跟隨性較好，具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，且諧波畸變率較低，并對(duì)直流母線電壓具有良好的控制效果。

7 結(jié)論
    分析了三電平PWM整流器原理及其數(shù)學(xué)模型，采用三電平SVPWM簡(jiǎn)化算法，將傳統(tǒng)兩電平電壓空間矢量控制算法應(yīng)用于三電平中，并結(jié)合一種新穎的虛擬磁鏈觀測(cè)器，對(duì)三電平PWM整流器基于虛擬磁鏈定向的無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器矢量控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。由實(shí)驗(yàn)可知，該整流器在省去電網(wǎng)電壓傳感器的情況下，系統(tǒng)可很好的穩(wěn)定直流母線電壓，提高整流器功率因數(shù)，并具有較好的動(dòng)靜態(tài)控制特性，其在雙三電平控制系統(tǒng)中取得良好的運(yùn)行效果，具有很好的應(yīng)有前景。