单相三电平PWM整流器控制策略研究

摘要

作为交流传动系统重要组成部分的三电平PWM整流器，既要实现中间直流环电压的稳定，还要实现供电接触网或牵引变压器一次侧的功率因数校正。当三电平PWM整流器工作在再生制动工况时，整流器充当逆变器功能，使网侧输入电流与输入电压反相位，将再生能量回馈到电网，从而实现变流器能量的双向流动。三电平PWM整流器控制策略的选择，对于提高电网功率因数、降低网侧电流谐波含量、稳定中间直流电压以及保证中点电压平衡有着重要的影响。
　　本论文分析了单相三电平NPC PWM整流器的工作原理，根据开关函数建立了数学模型；详细推导了该整流器基于dq坐标系的状态空间模型。分析了瞬态直接电流控制、预测电流控制和基于dq坐标系电流控制这三种直接电流控制方法的原理和特点，在此基础上提出了一种基于dq坐标系的电流解耦控制。该方法采用比例控制器，对输入电流有功无功分量进行解耦控制，控制精度高、稳态性能好、实现较简单。计算机仿真表明，瞬态直接电流控制和预测电流控制具有良好的动静态特性，而基于dq坐标系的电流解耦控制的输入电流静态特性更优，功率因数接近1。
　　针对单相三电平NPC PWM整流器，分析了不同工作状态对中点电压偏移的影响。推导了单相三电平NPC PWM整流器的SPWM和SVPWM之间的数学关系，并在此基础上把基于SPWM的功率流向中点电压平衡算法推广至SVPWM。计算机仿真结果表明该算法直接通过修正小矢量作用时间来实现中点电压平衡，具有稳定性好、抗干扰能力强和简单易实现的特点。
　　基于理论分析进行了单相三电平NPC整流器系统的硬件和软件设计，包括信号调理电路、直流电压采样电路、硬件锁相环电路、驱动电路、保护电路等；给出了软件控制流程，对主程序、A/D中断子程序、软件锁相环、数字PI调节器的设计进行了详细的阐述。
　　最后，搭建了单相三电平NPC PWM整流器实验平台。对瞬态直接电流控制、预测电流控制和基于SVPWM的功率流向中点电压平衡方法进行了实验研究。实验结果验证了上述控制策略及其改进控制策略的正确性。