大功率三电平PWM整流器优化控制和电网不平衡运行研究

项目针对三电平PWM整流器的优化控制及其在电网不平衡下的控制进行了深入研究，提出了一系列原创性成果。针对传统的单矢量DPC应用于PWM整流器时存在的功率脉动大、电流谐波高和开关频率不固定等问题，先后提出了功率脉动最小、功率无差拍和新型简单占空比控制等方法来对DPC选出的矢量时间进行优化，在维持传统DPC动态性能的基础上显著改善系统的稳态性能，简单容易实现，显著提高了DPC的工程实用价值。针对传统模型预测功率控制存在的稳态性能差、开关频率不固定和计算量等缺点，首先提出了基于有功无功误差最小的二矢量MPC，该方法可以显著改善稳态性能而不影响动态效果，具有较大的实用价值；其次针对PWM整流器采用MPC进行优选矢量时存在的计算量大的问题，以复功率共轭的负值为控制变量，在同步旋转坐标系上对矢量选择进行分析和推导，得出一种只需一次预测和比较即可得到最佳电压矢量的低复杂度MPC；进一步将该方法用于二矢量MPC，得到了矢量计算时间的简化表达式，大大简化了算法的复杂度。针对电网不平衡下的PWM整流器控制，基于传统瞬时功率理论和扩展瞬时功率理论提出了一系列创新思想并和DPC、MPC等先进控制方法相结合，无需旋转坐标变换和正负序分解，为非理想电网下PWM整流器控制提供了新型解决方案。

大功率三电平PWM整流器需要同时解决低开关损耗、低电流谐波和高动态性能几个相互矛盾的问题。在较低的开关频率下，同步优化调制可以获得较小的电流谐波但动态性能差，而模型预测控制(MPC)可以获得快速的动态响应。结合二者优点，本项目采用基于MPC的同步优化脉冲调制来解决上述难题。首先研究基于单个控制周期的MPC及其优化，重点解决多步长MPC中的计算量大和预测精度问题，进一步将单矢量MPC扩展为多矢量MPC以提高稳态性能并降低开关频率。其次研究基于MPC的闭环优化调制技术，在解决同步优化调制在线求解的基础上实现完全基于MPC的在线高性能闭环控制策略。最后，研究不依赖于电感参数的控制补偿指令生成方法，无需改变平衡电网下控制方法的结构而拓展其电网不平衡时的故障穿越能力。本项目提出的控制方法将同时具备MPC的快速响应和同步优化调制的优异稳态性能，且可以在线实现，为大功率整流器优化控制提供了新型解决方案。

三电平逆变器自产生以来很快就得到了广泛应用,改善它的输出波形一直是国内外学者研究的主要方向,而电压源型逆变器的输出特性与逆变器所采用器件的开关频率有关,其中脉宽调制PWM技术就可以改变开关频率获得很好的正弦输出波形,PWM调制技术输出开关频率恒定,输出的电流谐波小,限定的谐波电流频谱特性等优点,可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。在近二十年中,人们对二电平逆变器研究出了多种WPM调制控制方案。PWM技术不仅适应于常规的两电平逆变器,对三电平而言,仍然行之有效。本文的重点内容是研究三电平逆变器的调制策略。目前,三电平逆变器的P翎控制技术概括起来主要有两类:一是基于开环控制的三电平逆变器WPM控制技术,其中应用广泛的有正弦SP翎、空间矢tSVP双开环控制等 。

基于开环控制的三电平逆变器PWM调制策略

由于开环PWM调制具有很多优点:开关频率恒定、限定的谐波频谱、优化的开关模式、实用化的直流环节等,可以同时实现变频变压反抑制谐波等作用,因此三电平逆变器使用开环控制的WPM调制策略比较普遍,如正弦SPWM、空间矢量SVPWM开环控制 。

正弦波PWM是最通俗易懂的一种调制方式,又称为相电压控制法,给定的标准正弦信号波U’和三角载波玲进行比较,在两波形相交时进行脉宽切换,经过正弦SwPM开环调制后,产生一定频率且具有一定脉宽的开关信号(S。、.bss。),再驱动三电平逆变器的开关器件,产生输出信号。该方法具有简单,直观等优点,此外,由于输出波形由方波改进为PWM波,减少了低次谐波,从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题,也降低了电动机的谐波损耗和噪声 。

和三电平逆变器的正弦SwPM调制方法不一样的是,空间矢量SvWPM(又叫磁链跟踪wPM)调制策略是从电机的角度出发,把逆变器和电动机视为一体,以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准,用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢t来跟踪基准磁链园,由跟踪结果决定逆变器的开关模式,形成P双波基于开环控制的三电平逆变器的空间矢量SPy烈控制器结构图。空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用 。

基于电流闭环的三电平逆变器WM控制结构

交流电机的控制性能主要取决于转矩或者电流的控制质量(在磁通恒定的条件下,为了满足电机控制良好的动态响应,并在极低转速下亦能平稳运转这一要求,经常采用电流的闭环控制,即基于电流闭环的三电平逆变器wPM控制策略,以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度,同时也一定程度上求得电流波形的改善。它具有的特点:控制方式简单、动态响应快、具有内在的电流限制能力以及电压利用率高。可以说它同时具有电压和电流控制型逆变器的优点。目前实现电流闭环PWM调制的方法很多,大致有滞环电流PWM控制、线性电流PWM控制、预测电流PWM控制几种 。

滞环电流控制器的主要任务是控制负载端的实际电流,让它能以最小的误差跟踪参考电流指令信号。设滞环比较器的环宽为h2。滞环控制方案是基于三电平滞环比较器的非线性、闭环控制方法。当输入到滞环比较器的信号超过了规定的滞环环宽时,直接产生变换器开关的动作信号。由于该控制器结构简单、算法简单、实现简单,特别重要的一点是它对负载参数的鲁棒性好,不需要知道参数的任何信息,因此,它是最常见、也是应用最为广泛的一种电流控制方法。滞环电流控制经常在逆变器、无功补偿装置等需要控制电流的场合中应用 。

三电平逆变器线性电流PWM控制器可以分离成误差补偿和PWM调制两大部分。在线性电流PWM控制器中,斜波比较器是最基本、最常见的一种控制结构。这种控制器采用的是线性、闭环控制方法 。

控制器中有3个独立的补偿电流误差的PI调节器,电流误差通过PI控制器产生电压控制信号。经wPM调制器处理后得到驱动开关动作的开关信号。在该方案中输出电流的脉动经反馈回到了输入端,并对开关的后续驱动信号产生直接的影响。PI调节器的比例参数凡的增大可以减小电流脉动,而积分参数石的改变能控制输出电流的低频特性。P份M调制算法可采用SPWM、SVPWM等调制方法。若采用的是SPWM方法,加入载波信号的斜率一定不能小于PI调节器的输出信号的斜率,这时开关频率即为恒定的载频 。

控制技术是整流器技术的关键问题，全面综述性介绍了三相电压型PWM整流器的各种控制策略，并按控制理论发展规律对这些方法进行了科学分类，还分析了这些方法的原理及特点。尽管PWM整流器控制研究已经取得了很大的成绩，但一些问题还没有得到满意的解决，展望了三相PWM整流器控制技术的发展趋势。PWM控制技术是一项应用广泛的实用化技术，随着研究的不断深入，必将对国民经济的发展做出重要的贡献。对三相电压型PWM整流器控制方法的研究与选择有一定参考指导价值。2100433B

三电平NPC逆变器的DC侧电流纹波分析与损耗的计算，都是根据逆变器所采用的特定的调制方法来进行的。因此，对三电平NPC逆变器调制方法原理的分析及仿真，是进行DC侧电流纹波分析与损耗计算的前提。

自多电平逆变器诞生以来，其相应的PWM控制技术就一直是其研究的重点内容。传统两电平逆变器的PWM控制方法经过几十年的发展，已经较为成熟，而多电平逆变器因其拓扑结构较为复杂、元器件较多等特点的限制，在控制方法上也更为复杂。

多电平PWM控制方法的研究主要是围绕着两个核心问题展开的：

一是输出电压波形的控制，即逆变器输出电压脉冲与调制波等效；

二是逆变器自身运行状态的控制，包括中点电压平衡，输出电压、电流谐波的控制，功率开关器件的损耗分配控制等。设计合理的PWM控制方法，对于三电平NPC逆变器抑制中点电压不平衡问题尤为重要 。

较为常见的多电平PWM控制方法分为：基于载波的PWM控制方法和空间矢量PWM控制方法。

（1）正弦脉宽调制方法（SPWM）

多电平逆变器的基于载波PWM控制方法一般采用载波层叠的形式。多电平载波层叠PWM控制方法与传统两电平PWM控制方式类似。对于m电平逆变器来说，采用（m-1）层相同幅值和频率的三角形载波，分为上下两层，与调制波进行比较，产生开关序列，控制功率开关器件的导通和关断，从而输出想要得到的波形。

对于三电平NPC逆变器来说，可以采用两层载波。按照上下两层载波的相位关系，可以分为反相载波层叠法和同相载波层叠法。

（2）反相载波层叠法

反相载波层叠法中，上下两层载波相位相差180°，如图4所示。图4中，蓝色正弦波为正弦调制波，与上下两组载波进行比较；黑色脉冲序列为交流输出端（以A相为例）与DC侧中点之间的电压u_az 。

（3）同相载波层叠法

与反相载波层叠法相对应，同相载波层叠法的上下两组载波的相位完全相同，如图5所示。

（4）三次谐波注入脉宽调制方法

对于没有中线的三相对称负载的逆变器系统，在输出电压中注入三的倍数次谐波或直流分量时候，对负载电压波形不会产生影响。因此，可以对正弦调制波注入合适的零序分量，从而达到相应的目的。为了提高直流母线电压利用率，可以采用三次谐波注入PWM控制方法，如图6所示 。2100433B