基于载波调制的三电平整流器控制

摘要：在研究多电平空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法的基础上提出了一种与SVPWM算法等效的三电平载波调制(TCPWM)算法，并给出了统一的零序分量表达式。与SVPWM相比，该算法不仅在输出畸变率、直流电压利用率等指标上与SVPWM算法完全相同，且具有运算时间短、算法简单、易于实现等特点。最后将TCPWM算法运用在三电平整流器中，实验结果验证了TCPWM算法的可行性。

关键词：整流器；三电平载波调制；零序分量

1 引言

随着节能环保与绿色能源等理念的快速发展，使用脉宽调制(PWM)技术控制的整流器已成为电力电子行业研究的热点。相对于传统的二极管不控整流而言，PWM整流器具有功率因数可调、能量双向流动、动态响应快等优点，并克服了传统整流技术功率因数低、谐波大的缺点，因此被广泛应用于新能源发电、变频调速领域。

PWM技术一般可分为正弦载波调制(SPWM)与SVPWM。SVPWM从电机整体出发，以构建磁链圆为目的进行控制，物理概念明确清晰，相对于传统的SPWM控制而言，SVPWM能获得更好的控制效果，同时在直流电压利用率、开关损耗、输出谐波率等方面也优于SPWM，但SVPWM算法仍存在一些缺点，例如在一个周期中需要先进行扇区判断、矢量选择与作用时间计算等一系列工作，且随着电平数的增多，SVPWM算法的计算量增加，从而严重影响控制性能．所以在SPWM与SVPWM之外寻找一种更好的PWM实现方法已成为当今研究的热点之一。此处提出了一种与SVPWM等效的TCPWM算法，给出了统一的零序分量表达式。

2 基于载波调制的脉宽调制技术

所谓TCPWM算法其实质就是在三相正弦调制波中加入零序分量，再与三角载波进行比较以得到与SVPWM类似的控制效果。可以将其理解为是SPWM算法的改进，同时TCPWM算法也从一个侧面反映出SPWM算法与SVPWM算法的本质联系。由文献可知，两电平中各相所加零序分量的表达式为：

当k0=0．5时，此算法实质即为SVPWM算法。相比于两电平各相零序分量而言，三电平的零序分量计算较为复杂，下面以TCPWM载波同相调制为例，通过分析TCPWM与三电平SVPWM算法近似得出TCPWM中零序分量的表达式。

假设处于(1，0，0)，(1，-l，-1)，(1，0，-1)的端点所组成的三角形之中，图1示出参考矢量在一个周期内双重载波的调制图。由图1可知：

由线电压合成公式可得：

通过对其余扇区零序分量表达式的计算，发现各扇区中零序分量表达式略有不同。下面给出如何求得零序分量的统一表达式的方法。

首先比较a，b，c三相相电压进行转换，若该项参考电压为正，则用原值进行比较；若为负，则用1加上该项参考电压转换为正值进行比较；再根据转换后的各项参考值进行比较产生大小次序后，将原值从大到小排列即得Umax，Umid，Umin的取值。确定各相大小顺序后，即可求得零序分量为：

在不同的调制度下零序分量uz、调制波ua，ub，uc及叠加零序分量后的一相调制波ut的仿真波形如图2所示。在三电平PWM中，电容中点电位控制是一大难题，在多电平SVPWM算法中一般利用调节正负小矢量的作用时间来保持电容中点电位为零，由此可知，在多电平TCPWM算法中可通过调节k0的取值来稳定中点电位。

3 三电平整流器的数学模型

图3示出三电平整流器典型拓扑结构图。

根据文献可得其在d，q坐标轴下的方程为(电网电压定向)：

为了让id，iq解耦完全，电流内环采用PI调节器，引入前馈解耦可得：

图4示出系统控制框图。

4 实验研究

为了验证上述方法在实际运用中的可行性，搭建一套DSP+FPGA的实验样机，其中DSP为TMS320F2812，FPGA为EP1K30QC208-1，电网线电压380 V，直流母线给定电压600 V，其余实验参数：电网相电压峰值为155 V，频率50 Hz，主电路中R=0．1 Ω，L=1 mH，C1=C2=4700μF。实验中，首先空载启动整流器，然后将负载先加后减。图5a为a相相电压、电流及上、下母线电压波形，图5b为有功、无功电流、电压外环输出的给定有功电流及直流母线电压波形。图中各量均为标幺值处理，电压基值为300 V，电流基值为50 A。

由图5a可知，ia正弦度较好，系统功率因数近似为1；由图5b可知，电流环解耦较为完全，有功电流跟踪效果良好，在负载发生变化时不仅能快速地实现有功电流跟踪，而且Udc波动很小。

5 结论

提出一种新型三电平载波调制算法，该算法与空间矢量脉宽调制算法有相同的直流电压利用率和输出电流畸变率，同时具备算法简单清晰、容易实现等特点。将其运用在三电平整流器中，实验结果证明了此载波调制算法的可行性与优良性。