无电网电压传感器三电平PWM整流器研究

摘要：在大功率三电平整流器应用中，为降低成本、提高性能，研究了一种无电网电压传感器三电平PWM整流器。在分析其数学模型的基础上，采用三电平SVPWM简化算法，将传统两电平电压空间矢量控制算法应用于三电平，并结合一种新颖的虚拟磁链观测器，提出了基于虚拟电网磁链定向的三电平PWM整流器矢量控制策略，在双三电平变频器系统中对其进行实验研究。实验结果表明，该三电平PWM整流器可较好地稳定直流母线电压，提高整流器功率因数，并具有良好的动静态特性。
关键词：整流器；无传感器；虚拟磁链

1 引言
    PWM整流器因其具有输入电流正弦、功率因数可控、能量双向流动等优点获得广泛应用。三电平PWM整流器能在相对较低的开关频率下产生较好波形，并显著提高开关器件耐压等级，在大功率应用场合已逐步取代两电平。为降低复杂度，提高可靠性，基于虚拟电网磁链定向的PWM整流器无电网电压传感器矢量控制成为研究热点。此处采用三电平SVPWM简化算法，并结合一种新颖的虚拟磁链观测器，实现对三电平PWM整流器基于虚拟磁链定向的无电网电压传感器矢量控制，并通过实验验证了该方案的可行性。

2 三电平PWM整流器数学模型
    图1示出二极管中点箝位型三电平PWM整流器主电路。三电平整流器每相桥臂均由4个功率开关管和2个箝位二极管组成，其本质是通过控制VSi1-VSi4(i=a，b，c)的开通和关断，使得交流侧三相输入电流ia，ib，ic正弦化，功率因数接近1，同时维持直流侧输出电压Udc平衡。

    由于三电平PWM整流器相似于逆变器供电的交流电机定子电路，故可采用类似于交流电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网磁链矢量，作为三电平PWM整流器矢量控制中的定向矢量，从而实现取消电网侧电压传感器、降低成本的目的。即可将整流器电网侧视作一台无限大由逆变器供电、以同步转速恒速运行、定子电阻和漏感分别为Rs和Ls的虚拟电机，其中电网电压相当于虚拟电机的气隙磁场在定子绕组中产生的感应电势。
    在此直接给出虚拟电网磁链定向d，q旋转坐标系下三电平整流器数学模型：

    经坐标变换后，对称的三相正弦变量可变换为d，q轴上的恒定直流量，更加便于三电平整流器的研究与控制。
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3 简化三电平SVPWM算法
    此处对三电平整流器采用新颖的SVPWM简化控制算法，该方法是将三电平空间矢量图分解为6个相互重叠的小六边形(用S=1～6标志)，如图2a所示：每个小六边形即代表传统的二电平空间矢量图，再利用两电平算法进行实现，这对三电平而言更加简单方便。

    在三电平向两电平平面过渡时，需对参考电压矢量进行修正。图2b为S=1时的参考电压矢量修正示意图。Uref为原参考电压矢量，按照最近三矢量法则，该参考矢量可由电压矢量U1，U13，U7共同合成。各矢量减去小六边形原点U1后，参考矢量和相邻矢量转化到该小六边形三角形区域内，其中分别为Uref，U1，U13，U7修正后的两电平中电压矢量，以U1为原点，且U1’为零矢量。通过转化后，三电平SVPWM算法即可采用常规的二电平SVPWM算法实现。
    针对三电平整流器中点电位波动的问题，此处采用基于检测直流侧电容电压改变小矢量作用时间的方法来抑制中点电位波动。即结合整流器运行状态，在获得中点电位偏差的情况下，针对偏差的不同情况，动态改变正、反组小矢量的作用时间即可对中点电位波动进行抑制。

4 虚拟电网磁链位置角的观测
    准确观测虚拟电网磁链矢量的位置角θ是三电平PWM整流器虚拟电网磁链定向无电压传感器控制的关键。可根据三电平PWM整流器在α，β坐标系中的电压平衡方程，通过对网侧电压积分即可估计出电网虚拟磁链：
   
    式中：um为整流器交流侧输出三相电压α，β分量；ψm为电网虚拟磁链的α，β分量。
    令，按虚拟磁链定向时，定向角可为θ=tan-1(ψβ／ψα)，据此进行坐标变换，得到d轴虚拟磁链定向的同步旋转坐标系统，从而实现无电网电压传感器的矢量控制，其坐标变换关系如图3所示。

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    在估计磁链时采用纯积分环节，积分初值问题将会造成观测磁链的偏差，从而影响电流反馈的真实性和电压空间矢量施加的准确性。因此在计算虚拟磁链时，采用三个一阶低通滤波器代替纯积分环节，以消除积分直流偏置影响，虚拟磁链观测器原理如图4所示。

5 三电平PWM整流器控制系统
    此处采用基于电网虚拟磁链定向矢量控制策略，辅以整流器前馈解耦，采取电压外环、电流内环的双闭环控制，并利用两相电流和桥臂开关信号估计出虚拟磁链矢量位置角θ，据此进行坐标变换，实现无电网电压传感器的矢量控制，图5示出控制框图。系统控制目标为：维持直流母线电压恒定且有良好的动态响应，确保网侧输入电流正弦，功率因数为1。

    在控制系统中，由于磁链定向角滞后电压定向角π／2，所以q轴电流分量iq为有功电流，d轴电流分量id为无功电流；外环为直流电压闭环，输出有功电流给定，在功率因数为1的要求下，令d轴电流给定分别与对应的反馈值id，iq比较后，经PI调节与前馈解耦补偿后，即可获得交流侧的指令电压，由此再经α，β坐标变换后进行SVPWM，产生驱动信号实现对网侧三电平整流器的控制。
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6 实验研究
    采用上述控制策略，以TMS320F2812型DSP为主控制器，搭建了容量为1．5 MW的双三电平变频调速平台，以双馈绕线电机作为逆变器负载，模拟有源及无源负载效应，对基于虚拟磁链定向的三电平整流器系统进行实验研究。整流器交流侧电源线电压为660V，进线电抗为0．6 mH，直流母线电容为7 mH，开关频率为2 kHz。图6示出系统硬件结构示意图。

    图7a示出三电平整流器运行在负载突变状态时的波形，即电网相电压ua，相电流ia，Uup，Udn及中性点电压Um；图7b，c示出三电平整流器运行在整流与逆变状态时的波形。测试结果采用标幺值处理，电压基值为540V，电流基值为350。

    该系统控制运行在单位功率因数下，由图7可知，系统运行时的功率因数较高，交流侧a相电压及电流的正弦度较好，在负载跃变时跟随性较好，具有较强的抗扰动能力，且谐波畸变率较低，并对直流母线电压具有良好的控制效果。

7 结论
    分析了三电平PWM整流器原理及其数学模型，采用三电平SVPWM简化算法，将传统两电平电压空间矢量控制算法应用于三电平中，并结合一种新颖的虚拟磁链观测器，对三电平PWM整流器基于虚拟磁链定向的无电网电压传感器矢量控制策略进行实验研究。由实验可知，该整流器在省去电网电压传感器的情况下，系统可很好的稳定直流母线电压，提高整流器功率因数，并具有较好的动静态控制特性，其在双三电平控制系统中取得良好的运行效果，具有很好的应有前景。