-单相三电平整流器的SVPWM与中点电位控制方法

1、西 南 交 通 大 学 学报第卷第 期V 年 月章编号:-() - ./-. . M与, 西南交通大学电气工程学院 , 四川 成都)摘要通过分析单相电压型三电平 中点钳位(N整流器的工作原理传统单相三电平空间电压矢量调制M)和中点电位控制方法的缺点 , 提出了一种改进的 M算法和中点电位控制 方法, 并进行了计 算机仿真和小功率实验样机试验 理论分析计算机仿真和试验结果表明 在保证开关频率恒定的情 况下, 该 M算法开关损耗小 , 输出 脉冲具有对称性 , 可使交流侧电流的高次谐波 分布在 倍开关频率附近,且易于用D数字化处理器 实现无论负载是否变化 ,该中点电位控制方法均能有效解决中点电 位

2、不平衡的问题, 具有较强的抗干扰能力 , 且易于实现 .关键词整流器三电平中点电位控制 M中图分类号 : . 献标识码 :AM MVCPTLR U , CAMmaM a a a MM W m ec Kw mMm速是铁路现代化的重要标志在时速 公里的和谐号)系列动车组,并通过引进消化吸收再创新,建立了我国的高速铁路装备技术牵引传动技术作为动车组和机车的核心技术,一直是我国铁路交流传动机车高速工程化的难关 ,而年 月日的第 次提速中,我国拥有了从不同国家引入的收稿日期 :基金项目 国家科技支撑计划资助项目 (作者简介 冯晓云(- - B - )-女, 教授, 博士生导师 , 主要研究方向为交流传动

3、及其控制 列车自动控制和列车自动驾驶 ,E-m通讯作者 宋文胜(-男, 博士研究生 , 研究方向为电力牵引交流传动及其控制 , E-m 西 南 交 通 大 学 学 报第卷电压型脉冲整流器是交流传动系统的重要组成部分 目前,国内外交流传动机车和动车组中采用的单相脉冲整流器主要有两电平拓扑 和三电平二极管箝位 拓扑结构 ,两电平拓扑整流器存在开关 器件所承受的电压应力较大的缺点,三电平拓扑整流器具有开关器件所承受的电压应力低 容量大 成本低等特点,能产生五个电平的线电压 ,在相同开关频率及控制方式下 ,其输出电压和电流中的谐波含量远小于两电平整流器,但三电平拓扑整流器需要设计中点电位控制 ,且控制

4、复杂. 目前,国内外学者研究的三电平 整流器和逆变器的中点电位控制策略主要针对三相系统 ,而单相三电平系统的中点电位控制策略研究相对较少近十年来 ,针对单相系统 , 等提出采用直流侧中性点电压前馈的方法,但该控制方法不能够精确控制中性点电位 ;等提出改变死区时间的中性点, 电位控制方法,该控制方法不利于数字化实现和存在损坏开管器件的风险 ;和 等提出了单相三电平空间矢量调制算法,该算法虽然具备了中性点电位平衡的功能 ,但这些中点电位方法破坏了输出的脉冲信号的对称性 ,使得交流侧电流的高次谐波主要分布在开关频率附近,且该调制算法不易于数字化处理器实现.为了解决上述问题,本文首先分析单相三电平 整

5、流器的工作原理 ,给出了其相应的控制原理示意图,提出了一种新型的自带中性点电位控制 调制方法 该方法不但能够有效地平衡中性点电位 ,易于 实现,而且使得交流侧电流的高次谐波主要分布在 倍开关频率附近 ,能够有效地减小交流侧滤波器的体积和容量. 相三电平 整流器主电路如图 所示和 分别为牵引变压器的牵引绕组侧漏阻抗和感抗 ,C和 C为直流侧两个支撑电容为了便于分析,定义理想开关函数 S和 S如下 : AB, S和 S 导通, S和 S导通,aabbS =, S和 S导通, S和 S 导通,ABaabb- , S和 S 导通;- , S和 S 导通.aabb将每组桥臂等效为 个开关,两组桥臂有式都

6、定义 个与之相应的状态量 开关状态及相应的电压值和状态量如表 所示.= 种开关组合 ,主电路有 种工作模式 ,每种工作模表 该整流器的工作状态与相应的状态量SSuuu工作模式状态量ABuuuuVuVVV- uuVVu-u VV图 三电平 整流器的拓扑结构N V节给出一种基于 M调制和中点电位控制的高性能单相三电平中性点钳位 整流器控制方法.总体控制思想制系统采用以电压为外环调节和电流内环调节的双闭环控制 ,电压外环采用直流侧输出电压的实际值 U与给定值 U的误差信号进行 调节,用于保证直流侧输出电压稳定 , 调节器输出为指令电流第 期冯晓云等单相三电平整流器的 M与中点电位控制方法i的幅值 I

7、,锁相环 检测网侧电源电压得到的相位和频率作为 i的相位和频率 ,与电源电压同频sds同相的 i是电流内环的输入信号,电流内环主要使实际的网侧电流 跟踪给定的 其输出为调制信号sss的指令值 u电流内环的控制策略主要有滞环电流控制 可变相位角控制瞬态电流控制和预测 , , 电流控制等方法 本文中采用电力牵引传动系统中常用的瞬态电流控制,详见文献 整个控制系统, 的框图如图 所示.图 系统闭环控制框图图 中 :为中心频率采样误差;为截止频率误差和 D采样误差.调制原理的数字带通滤波器 ,用于消除交流侧电压和电流传感器误差和 的数字低通滤波器,用于消除直流侧电压的的纹波传感器于 B型三电平 整流器

8、,将图 中的指令调制信号 定义为指令状态量 V ,则可以将其工作模式划分为以下 个工作区域:(区域 / U ;(区域 : U / ;(区域 :-U / ;(区域:-U V -U / .在开关周期 内 ,对于指令状态量 V ,可以在其所在区域内选择两个基本状态量 和 V合成表sab给出了每个区域对应的基本状态量 V和 的定义 ,且满足abUV - V = .()ab个区域中 V均有两个冗余状态量 V 和 V ,且 V 对应的工作模式均满足 S -S= 对应的aAB工作模式均满足 S -S=- 通过合理的选择冗余状态量 ,可以有效地平衡直流侧中性点电压 ,其原理AB将在下一节中详细介绍.在开关周期

9、 内 ,若 较小, V可等效为一恒定值,则根据伏秒平衡原理,有式(成立:ss =V a ab b s()()T abs其中 分别为 相应的作用时间 ,解此方程组可得:ababT = basabT =T - bsa西 南 交 通 大 学 学 报第卷表 工作区域相应的基本状 态量区域状态量V, ), )V(-, ), )VaVV(, - )V(, - )V(, - ), )V(, )V(, )V(, )V, )b.中点电位控制器设计图 和表 可知,有 + + ) =()()AABBs - - ) = AABBs假设直流侧两电容大小相等,对图 中的 点采用基尔霍夫电流定律,可得到 时刻的流入中位点的

10、电流如下: ,()()()do其中 由图 可知,有式()成立:d= -SoBAs联立式 ()和 ()可得 C -SdABs了消除中点电位不平衡问题,可以假设经过 个开关周期 )后,两电容上的电压差能够达s到给定值 u 则有式(成立:dsdu = - + ,()dCdssb其中 和 T 分别为 V 和 V 的作用时间 ,满足式( T ( )a联立式 ()和 ( 可得T u dT =+,( )( )adsT u T =-.adds在开关周期 内 ,两电容误差的变化量可定义为s =u ( )( )ddd为了保证系统的稳定性,两电容误差的变化量必须满足以下控制率 :u .dd于 (与交流侧电流的方向和

11、大小存在一定的关系 ,在本文中 ,两电容上的误差的指令值定d义为iu =-u ( )( )dsIdd将式( 分别代入式( 和 ( 中 ,可得T T = ,a-dsId第 期冯晓云等单相三电平整流器的 M与中点电位控制方法T T =a+ds,( )( )Id, ;其中:=ss- , .s出现电压不平衡时 ,通过调整 V中的两个冗余状态量的作用时间就可以平衡两电容上的电压 为a了防止因传感器和 D采样输出的 和 u 信号出现丢失或错误导致 T 或 T 大于 做如下修正:sda当 T T时,取 T =T, T = ;aa当 T T时,取 T = , T =aa.状态量的作用顺序每个开关周期 内 ,文

12、献 中 M调制的状态量作用顺序为 V VV 或 V sb 相应的状态量作用时间为 T 或 T bbb以区域 为例在开关周期 )内 ,当采用 V (, - (, - 时 , 桥臂 SsbA为 ,相应状态的作用时间分别为 T ,则输出的 脉冲不具有对称性 且在下一个开关b周期, 的初始时刻 ,状态量由 V (, - 切换为 V (, 桥臂与 桥臂都同时发生开ss关切换 ,增加了开关损耗该顺序对应的输入端电压 为 当交流侧电流 时 ,则其电流s的变化为增大减小增大,也即交流侧电流高次谐波分布在开关频率附近 .本文在上述原则基础上,为了消除上述缺点,提出一种优化的状态量作用顺序在开关周期 )s内 ,状

13、态量的作用顺序为 V 或 V VV 其相应的状态量作用时bbbb间为 T / T/ T T/ T / 或 T / T/ T T/ T / bbbb同样以区域 为例 在开关周期 )内 ,当采用 V (, , - (, - sbV(, - )V (, 时, 桥臂 S为 ,相应状态 的作用时间分 别为 T bAb , 桥臂也类似,则输出的 具有对称性 在下一个开关周期 , 的初始时bss刻 , 和 桥臂都不会发生开关切换,有效地减小了开关损耗该顺序对应的输入端电压 为 当交流侧电流 时 ,则其电流的变化为增大 减小 增大减小 增大,也即交流侧电s流高次谐波将分布在 倍开关频率附近,更容易滤除.统参数

14、设定如下 网侧电源电压的有效值 U = 网侧电感 直流侧 电容 C =s. 直流侧电压给定值 U =负载电阻 R =开关频率 . 采用 MLs进行计算机仿真 ,并进行了相应的样机实验测试.图 为交流侧电压与电流的仿真波形,在 . 进行了减小负载操作 ,图 给出了相应的直流侧两电容上的电压仿真波形 .西 南 交 通 大 学 学 报第卷图 可知,电流 与电压 的相位基本相同,电流的相位比电压相位略有超前原因在于输出功率ss较小,当整流器输出功率较小时,功率因数会偏低 由图 可知,当负载切换时 ,直流侧电压能够迅速达 到平衡 ,动态响应较好.实验样机中交流侧电压传感器的变比为 交流侧电流传感器的变比

15、为图 为传感器测得交流侧电压与电流的实验波形 由图 可知,电压 波形存在一定的脉动 ,原因在于该样机是由一个自耦s变压器供电 ,自耦变压器内部存在漏感抗而引起,所以在图 所示的控制系统中 ,给交流电压信号设计了一个数字带通滤波器图 为交流侧电流 的实验数据的 谐波分析图 由图 可知,交s流侧电流的高次谐波主要分布在 z左右,也即 倍开关频率附近 ,验证了上述理论的正确性 图 为三电平 整流器输入端电压 u的实验波形.为直流侧两电容的电压实验波形 ,其中为未加入中点电位控制器时 ,额定负载下两电容的电压波形;为加入中点电位控制器时 ,额定负载下两电容的电压波形 为加入中点电位控制器时 ,空载向额

16、定负载切换时的两电容电压波形 由图 和(可知,未加中点电位控制器时 ,两电容电压误差百分比为 .%(./ 加入中点电位控制器时 ,两电容电压误差百分比为 . %(. / 由图 (可知,在负载切换时,该中点电位控制器具备优越的动态平衡性能 .4结论文在分析单相三电平 整流器工作原理的基础上 ,分析了现有的自带中点电位控制的单相三电平 M的优缺点,提出了一种新型单相三电平 M算法和中点电位控制方法 在固定开关频率的情况下 ,这种 M算法具有如下特点开关损耗小,输出 信号具有对称性 ,交流侧电流的高次谐波分布在 倍开关频率附近,且易于滤除 该中点电位控制器嵌入在 M内部,具有稳定性好 动态性能优异和抗干扰能力强的特点 ,有效地解决了单相 拓扑结构中点电位的波动问题 ,且实现简单 ,易于数字化处理器实现通过系统的仿真和实验,验证了该控制方法的正确性和有效性 该 M算法和中点电位控制方法也适用于单相三电平 逆变器 .第 期冯晓云等单相三电平整流器的 M与中点电位控制方法参考文献: 黄济荣电力牵引交流传动与控制 北京机械工业出版社 ,. 李伟, 张黎交直交传动系统网侧变流器预测电流控制方法的计算机仿