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摘 要：目前，在高压大功率领域中，由于二极管钳位型三电平 PWM 整流器可以提供正弦化、低谐波的输入电流，可控功率因素，以及能量可以双向流动，因此得到越来越广泛的应用。本文主要对二极管钳位型三电平整流器的控制系统进行研究。依据三电平 PWM 整流器在不同时刻开关函数的拓扑连接关系，在将负载处理为扰动量的基础上，本文建立了三电平 PWM 整流器在三相静止 ABC 坐标系下的数学模型，并通过坐标变换，得到同步旋转 dq 坐标系下的数学模型，使三相交流量转化为两相直流量，简化了该数学模型，并为以后的控制器设计和稳定性分析提供了理论依据。
关键词：三电平变流器；调制；策略
1PWM
1.1 中小型 PWM 高频整流器
能量可回馈型的 PWM 整流器均采用全控型半导体开关器件，它比 PFC 电路具有更快的响应和更好的输入电流波形。由于最初的半导体器件(SCR，GTO)都是单向导通的，所以电流型整流器出现的时间要早一些。而实际应用中，电压型的 PWM 整流器占绝大多数，特别是在中小功率领域。 抛开整流器的输入电感，整流器的主电路和逆变器是一样的。稳态时工作时，输出直流电压不变，开关管按正弦规律脉宽调制，整流器交流侧的输出电压和逆变器相同。忽略整流器输出交流电压的谐波，变换器可以看作是可控正弦三相电压源。它和正弦的电网电压共同作用于输入电感，产生正弦电流波形。适当控制整流器输出电压的幅值和相位，就可以获得所需大小和相位的输入电流。
1.2.2 大容量 PWM高频整流器的拓扑结构
由于功率开关的限制，采用以上拓扑结构对于高电压、大电流、大容量系统可能不适用，这就出现了高电压和大电流的拓扑结构。 高电压拓扑结构一般分为无变压器拓扑结构和有变压器拓扑结构，其中，无变压器拓扑现在应用最多的是三电平 PWM 高频整流器，有变压器拓扑结构一般指多个模块通过变压器串联。
采用变压器进行串联的拓扑形式性能好，开关频率低，但是需要一个很大的变压器。 以上的拓扑结构适合于大容量中电压等级高的情况。当大容量系统的电压等级不是很高，但电流等级高的时候，以上拓扑结构将不再适用，需要采用多个 PWM 整流器并联。 三相 PWM 整流器系统的并联一般分两种情况：有变压器并联与无变压器并联。
2多电平变换器的调制策略简述
2.1多电平变换器的调制策略
大致有三种：（(1)正弦PWM调制(SPWM)；(2)选择谐波消除PWM调制(SHEPWM)；(3)空间矢量PWM调制(SVPWM)。多电平的SPWM调制策略是对两电平的SPWM调制策略的一种扩展。对于N电平逆变器，在每个相中有n-1个三角载波，N-1个三角载波和正弦波调制相比，逆变器的波形。特定消谐PWM调制方法的傅里叶变换的正弦波输出，得到最低的谐波应该淘汰的，通过一定的算法专用开关位置角的计算，从而消除最低谐波。计算选择性谐波消除的PWM方法比较大，需要离线计算，而在DSP或微处理器中存储大量的形式，所以波形质量要求不是很高的地方一般不采用这种调制策略。空间矢量PWM调制方法是用旋转电压矢量代替abc坐标系中的三相正弦交流电压。每个扇区的旋转矢量可以由三个相邻的固定电压矢量组成。控制三个矢量的时间等于控制旋转电压矢量的长度和方向。在这三种调制方式中，由于空间矢量PWM调制方法的调制范围大，母线电压利用率相对较高，因此得到了广泛的应用。在本文中，控制系统也是SVPWM。
2.2电压型PWM整流器的控制
数学模型的建立是整流器有效控制的基础。一般认为半导体器件是一种理想的开关，根据不同开关方式的电路拓扑关系，得到原整流器模型。原来的模型只能用于仿真计算，难以用于系统分析。采用状态空间平均法消除模型的不连续性，采用坐标变换法将稳态交流变量作为直流变量。控制目标是输入电流，输出电压为2。输入电流控制是整流系统控制的关键。因为使用PWM整流器的目的是使输入电流波形正弦。其次，有效控制输入电流的实质是有效控制变流器的能量流和输出电压的控制。根据这一观点，整流器可分为两类：间接电流控制和直流控制。间接电流控制又称为幅相控制，它通过调节整流器交流侧电压的幅值和相位来控制输入电流。电流控制是基于整流器的空间矢量图或相量图。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆间接控制的静态特性很好。由于电流传感器不需要，成本相对较低。但到目前为止，间接控制应用的例子是罕见的。这是因为间接控制法是基于稳态视图。系统的暂态过程是根据其自然特性完成的，整流器的固有特性非常差。因此，在间接电流控制过程中，电流超过100%，电流振荡严重，系统稳定性差，响应速度慢。在本文中，输入电流反馈的控制方法被称为直接电流控制。直流控制具有很好的动态性能。根据系统控制器的结构可将直流控制分为三种类型。
2.2.1电压电流双闭环控制方式
这是目前应用最广泛、最实用的控制方式。它们的共同特点是：输入电流和输出电压分别控制。电压外环的输出用作电流指令，电流内环控制输入电流，以便快速跟踪当前指令。电流内环不仅是控制电流，而且对控制对象的改善起着重要作用。由于电流内环的存在，只要限制电流指令达到过流保护的目的，这就是双环控制的优点。从当前控制器的实现来看，有以下几种形式。电流滞后调节器首次出现。使用新型具有电流控制速度快，对参数变化适应性强的特点。滞环控制的缺点是开关频率不固定，开关应力大。目前的解耦控制方法被广泛使用，以取代滞后控制器和电流状态反馈被用来取代滞后控制器。当不考虑直流电压时，整流器的输入电流模型为线性时不变系统。因此，状态反馈方法被用来配置的闭环极点的电流响应，这是基本上相同的电流控制系统的比例电流调节器。如果将极点置于离散电流模型中，电流跟随采样点的拍或拍，则采用预测电流控制或无差拍电流控制。跟踪电流指令的最优控制，在最短的时间也适用。
2.2.2直接电流控制模式
基于小信号线性化状态空间模型。电压和电流控制不分离，但闭环极点配置的整个系统或最佳的两型稳压器的设计。控制方法需要预先计算每个静态工作点的状态空间模型和相应的反馈矩阵。工作时，检测负载电流或等效负载电阻以确定当前工作点。这样，控制效果好，但对静态工作点的划分要求很细，占用了很大的存储空间，离线计算量比较大，复杂。
2.2.3非线性控制方法
由于整流器的非线性，非线性控制方法更适合。整流器控制Lyapunov方法具有良好的控制效果，更重要的是它可以使整流系统的绝对稳定性。从整流器模型来看，它属于非线性仿射系统。这种系统可以通过非线性状态反馈解耦。理论分析表明，除了空载状态，PWM整流器可以线性化和解耦的非线性状态反馈。仿真结果表明，该控制效果优于双闭环系统。在电力电子领域，将非线性反馈解耦理论应用于交流异步电机控制。
3.三电平PWM整流器数学模型及空间矢量脉宽调制策略
建立了三电平PWM整流器的数学模型，这是研究三电平PWM整流器的基础。基于整流器开关方式的数学模型，在系统分析中很难使用。通过使用坐标变换方法，该模型可以简化，和交流分量相当于两部分。建立完整的数学模型是控制器设计的基础，并进一步分析了系统的稳定性。采用电压空间矢量PWM控制的三电平变换器。与SPWM控制相比，直流电压利用率较高，在调节输出电压时，大小也可以减小输出电压的谐波。并且通过选择器开关状态合理的顺序可以降低开关频率转换器的状态过渡态过渡时，因此在输出电压波形质量相同的情况下，开关频率也可以降低。
4结论
分析了一种新型快速SVPWM算法。通过选择合适的坐标系．方便地识别出合成参考矢量所需的矢量并直接计算各矢量作用的占空比．而无需复杂的扇区判断和占空比的计算．而在传统的SVPWM算法中．这常常涉及到大量的三角函数／查表运算．是算法中最复杂的部分。文中给出算法的推导过程，并基于DSP硬件平台实现了该算法。仿真和实验结果都证明了该算法的有效性。该方法从矢量合成的角度发展而来，可推广到任何电平的三相变换器。
参考文献
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论文作者:刘成华
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第5期
论文发表时间:2017/7/17
标签：电流论文; 整流器论文; 电压论文; 电平论文; 拓扑论文; 矢量论文; 正弦论文; 《电力设备管理》2017年第5期论文;