一种新型三电平PWM整流器的仿真研究
2020-08-23
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维普资讯 http://www.cqvip.com 西安理工大学学报Journal of Xi’an University of Technology(2D06)Vo1.22 No.4 文章编号:1006~4710(2006)04—0373—05 373 一种新型三电平PWM整流器的仿真研究 尹忠刚,钟彦儒,刘静,孙向东 (西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048) 摘要:针对一种新型的三相三电平中性点箝位开关模式PWM整流电路拓扑,详细分析了其数学 模型,并对该PWM整流器的工作模式及其控制方法进行了深入研究。仿真结果表明,该PWM整 流器不仅能够有效地抑制注入电网的谐波,减小开关管电压应力,实现单位功率因数,并且可以实 现能量双向流动。 关键词:三电平;PWM整流器;开关模式;中性点箝位 中圈分类号:TN86 文献标识码:A Research on a Novel Three-Level PWM Rectifier YIN Zhong—gang,ZH0NG Yan—ru,LIU Jing,SUN Xiang—dong (Faculty of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China) Abstract:A novel three-phase three-level neutral—point—clamped switching mode PWM rectifier iS presented。the mathematical model of the rectifier iS analyzed in details。and the working mode and the control method are studied in detail.The simulation results show that the harmonics iS suppressed effectively,the voltage stress of power switches is reduced,the unit power factor is a— chieved,and the bi—directioned flowing of the energy iS realized. Key words:three-level;PWM rectifier;switching mode;neutral—point—clamped 近年来,多电平变换器因其在抑制谐波、提高功 率因数、减小电压应力等方面的优点,正越来越多地 S 、S。、S 是桥臂a、b上的四个开关管,a、b两点分 别通过S 、S 双向开关管与中性点n相连,w相则 不通过任何开关管,直接与n相连。 受到人们的关注,并且已经广泛地应用于工业中。 目前常见的多电平变换器的种类有:级联式H一桥 多电平变换器[ 引、飞跨电容多电平变换器[3 和中性 点二极管箝位多电平变换器(NPC)[4 ]。由于上述 变换器使用了较多的功率开关元件和箝位元件,使 得成本较高,开关损耗较大,并且控制也较为复杂。 本文根据传统的单相全桥和半桥整流器的工作 原理,提出了一种新型的三相三电平中性点箝位开 关模式PWM整流器,并对该整流器的工作模式及 其控制方法进行了详细分析。通过仿真验证了该 PWM整流器及其控制方法的正确性。 图1新型PWM整流电路拓扑 Fig.1 Novel PWM rectifier circuit topology 1.2工作状态分析 1新型PWM整流器电路拓扑及工作模式 1.1 电路拓扑 假设所有元件均为理想元件。对S 、S 和S 开 关管或S 、S 和S 开关管而言,为了避免出现直 通现象,在任意时刻,只能有一个开关管导通,另外 两个开关管必须被禁止,因此可得如下约束条件: 三相中性点箝位开关模式PWM整流器主电路 如图1所示。 、 、 为三相交流输入电压,S。、 收稿日期:2006—05一i0 基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(2004E214);陕西省教育厅专项基金资助项目(04JK198)。 作者简介:尹忠刚(1982一),男,山东济南人,博士生,研究方向为交流调速及整流电源 E-mail:smart860@163.tom。 钟彦儒(1950一),男,湖北天门人,教授,博导,研究方向为交流传动与新型电力电子装置。 E-mail:zhongyr@xaut.edu.cn。 维普资讯 http://www.cqvip.com 374 s1+s3+s5:1 S2+S +S6—1 西安理工大学学报(2006)第22卷第4期 (1) 一f1,若S =1 f1,若S2—1 l 0,若S5=1 fb J 0,若S 一1 (2) I一1,若S3:1 l一1,若S =1 其中,当S 导通时,S =1;反之S 一0。这里正= 1,2,…,6。 从而得到该整流器的9种工作模式,如图2所示。 由式(1)可知,每个桥臂上的三个开关管可以看 作一组。因此,无论PWM整流器工作在整流状态 还是逆变状态,每个桥臂均有三个有效的开关状态 假设中性点n保持动态电压平衡,电容C 和 C。上的平均电压相等,即Vc 一、,,c =Vd /2,则 、 、,, 分别有三种电平一 /2,0,Vd。/2,V b有五种电 l,0,一l,且满足: 平一 ,一 /2,0, /2, ,如表1所示。 C1 C C (a)模式1 (b)模式2 (c)模式3 C (d)模式4 (e)模式5 (f)模式6 Cl (g)模式7 (h)模式8 (i)模式9 图2 PWM整流器各工作模式等效电路 Fig.2 Equivalent circuits of the working modes of the novel PWM rectifier 表1 PWM整流器的工作模式 Tab+1 Working modes of the novel PWM rectifier 维普资讯 http://www.cqvip.com 尹忠刚等:一种新型三电平PWM整流器的仿真研究 下面以整流状态为例,具体分析该PWM整流 器的工作模式(见图2): (a)模式1(fa 1,fb一1;S 、S2导通);V === Vb ===Vd /Z,V b=0,电流i 、i 减小,电流i 给电容 C 充电;由i +i +i 一0可知,i 增大。 (b)模式2( 一1,fb:0;S1、S 导通): 一 V,b—Vd /Z,Vb 一0;电流i 减小;当V >0时电流 增大,当V <0时i 减小;电流i 给电容C。充 电。 (c)模式3(, =1,^一一1;Sl、S4导通); V。 ===Vd /Z,Vb =一Vd /2,V b=Vdc;电流i 减小, i 增大;电容C 、C2均处于充电状态。 (d)模式4( 一0,fb一1;s 、s5导通):v。 = 0,Vb = /Z,V b一一Vdc/Z;当V >0时电流i 增大,当Vuw<0时i 减小;电流i 减小;电流i 给 电容C。充电。 (e)模式5( 一0,fb一0;S 、S 导通): =;= Vb ---V b=0。 (f)模式6(,^一0,fb一一1;S 、S5导通): V ;0,Vbn=一 /2,V b:Vd /Z;当V >0时电 流i 增大,当V <0时i 减小;电流i 增大;电流 i 给电容C2充电。 (g)模式7(,^一一1,fb=1;S2、S。导通): V =一Vd /2,Vb 一Vd /Z,V b=一Vd ;电流i 增 大,i 减小;电容C。、C。均处于充电状态。 (h)模式8(,^ 一1,fb=0;S 、S 导通): V =一Vd /Z,Vb :0, b===一Vd /2;电流i 增大; 当 >0时电流i 增大,当v <0时i 减小;电 流i 给电容Cz充电。 (i)模式9(,a一一1,fb===一1;S。、S 导通): 一一Vd /2,Vb =一Vd /Z,VRh=0;电流i 、i 增 大,i 减小。 2数学模型分析 根据KVL定理,对交流侧电压和电流进行分 析,得: L = £)一 f)一 )一V ); L = f)一 £)一 ∽一V ); L diw(t)-=dV (f)一 (£)--V (£) f(3) 式中, 、V 分别为交流输入侧a、b两点与12之间 的电压;i 、i 、i 为三相输入电流;r、L分别为电感 和线路的等效电阻与电感。 375 若r很小,则可以忽略r项,得出各电流的微分 表达式: di u( t)—=[V (f)一 (£)一V (£)]/L; di v( t)—:[ (£)一Vb.(£)一V (£)]/L; diw (t)—:[V (£)一V (f)]/L (4) 由式(4)可见,电感L的大小对电流变化率有 很大影响,对注入网侧的谐波也具有很大的抑制作 用。若输入三相平衡电压,则: V 。+V +V 一0 +i + :O (5) 由式(3)~式(5)可得: v :一 (6) 由式(6)可见,中性点12电压在瞬间是变化的, 即存在波动,这是该三电平电路需要改进的地方。 3控制方法 图3为新型三电平PWM整流器的控制框图。 图3新型三电平PWM整流器的控制框图 Fig.3 Block diagram of the control scheme for the novel PWM rectifier 当直流母线电压Va 低于逆变电压阈值时,电 路工作在整流状态,此时,参考电压V 与输出电压 Vd 的差值经PI调节后得到一个与输入电流相对应 的幅值信号J;当直流母线电压V 高于逆变电压阈 值时,电路工作在逆变状态,此时,参考电压V鑫与 输出电压 的差值经比例调节器K 后得到一个 与输入电流相对应的幅值信号I。 电流幅值信号工分别与电源电压同步信号相 乘,输出相应的指令电流 、 。其中,同步信号 e 、e 是与电源电压同相的单位幅值正弦信号,由锁 相环(PLL)产生[6 ]。 维普资讯 http://www.cqvip.com 376 西安理工大学学报(2006)第22卷第4期 啪。啪m 0 。 £): 式中 signcV { :: :; 其中, 为u或v。 式中, 为三相平衡输入电压的幅值。则: 一 ・P (£)=== ・sin( ̄) 4仿真和实验验证 (8) = ・P (£)= ・sin( ̄一2u/3) 使用PSIM软件对文中提出的新型PWM整流 器及其控制方法进行了仿真,仿真参数为:电源频率 一指令电流Z~u、I v与检测电流i 、i 相比较得出 50 Hz,L一3 mH,r=0.08 Q,C1=C2=2200 电流误差△ 、△ ,经过滞环比较器可以使检测电 流在幅值和相位上跟踪指令电流。该滞环比较器的 F。表2列出了新型PWM整流器从整流到逆变 输入输出关系如下: 过渡过程的相关数据。 I(△f > 表2新型PWM整流器从整流到 H H(Aiq )= ):。 (9) . 逆变过渡过程的相关数据 1 0 (Ai <^) Tab.2 Relevant data from rectifying state to 式中, 为u或v;h为滞环宽度。 regenerating state of the novel PWM rectifier 由式(1)(7)(8)(9)可得各开关管的控制信号: S1一sign(V )[1一H(Ai )]; S2=sign(V )[1一H(Ai )]; =[1--sign(Vu.)]H(Ai u )(10) s4一[1一 [1-sign(V ̄)])] H(Ai ); 图4给出了新型PWM整流器从整流状态到逆 瑚。瑚瑚。瑚枷。枷 o S5=1~S1一S3; 变状态过渡过程的仿真波形。其中,在0.3 S以前 S6=1一S2一S4 为整流状态,0.3 S以后为逆变状态。 400 380} 广——— 340 0.230 0.255 0.280 0.305 0.330 0.355 0.380 0.230 0.255 0.280 0.305 0 330 0.355 0.380 Time/s Time/s Time/s (a)三相输入电压、电流和直流电压波形 (b)直流电容电压波形 (c)交流输入端及中性点电压波形 图4新型PWM整流器从整流状态到逆变状态过渡过程的仿真波形 Fig.4 Simulation waveforms from rectifying state to regenerating state of the novel PWM rectifier 图4a表明,在整流状态时,电网电压和电流同 50 Hz,三相输入相电压有效值120 V,L=5 相位,在逆变状态时,电网电压与电流相位相反,可 mH,r;0.06 Q,C1=C2=2200 p.F,V毒一320 V, 见网侧功率因数为1;同时可见电流波形为较好的 开关频率,=5 kHz。 正弦波,表明整流器本身产生的谐波通过电感L的 图5给出了新型PWM整流器的相关实验波 作用得到很大地抑制。图4b表明,在整流状态时, 形。图5a、b表明,当PWM整流器稳定运行在整流 中性点电压存在零漂现象;在逆变状态时,由于逆变 状态时,电网电压和电流同相位,由此可见网侧功率 电压选为恒定电压值,因此不存在零漂现象。图4c 因数接近1;在逆变状态时,电网电压与电流相位相 表明,V 、V 为三电平形式,V 为五电平形式,同 反,可见网侧功率因数接近1。图5c为电容电压 时反映中性点零漂波形。 、 。及 。一Vc 的波动波形,V 。一V 波动的 以TMS32OLF24O7A DSP为内核搭建硬件电 峰一峰值约为3 V,反映出该PWM整流器中性点电 路,对系统进行了实验验证。实验参数为:电源频率 压有波动。 维普资讯 http://www.cqvip.com 尹忠刚等:一种新型三电平PWM整流器的仿真研究 377 l2 .~ : (a)系统处于整流状态时,u相 (b)系统处于逆变状态时。u相 (c)直流电压 l、 及 .一 2 输入电压和u相电流波形 输入电压和u相电流波形 的电压波动波形 图5新型PWM整流器的相关实验波形 Fig.5 Relevant experimental waveforms of the novel PWM [3]Carrere P,Meynard J,Lavieville P.4000 V-300 A eight 5 结 语 level IGBT inverter leg[A].In Conf—Rec,EPE’95, 1995:106—111. 本文对一种新型的三相三电平中性点箝位开关 [4]Nabae A,Takahashi I,Akagi H.A new neutral—point 模式PWM整流器及其控制方法进行了较为深入地 clamped PWM inverter[J].IEEE Trans on Industry 研究,在仿真和实验的基础上得出以下结论:该 Applications。1981,17(5):518—523. 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