無電網電壓傳感器三電平PWM整流器研究

摘要：在大功率三電平整流器應用中，為降低成本、提高性能，研究了一種無電網電壓傳感器三電平PWM整流器。在分析其數學模型的基礎上，采用三電平SVPWM簡化算法，將傳統(tǒng)兩電平電壓空間矢量控制算法應用于三電平，并結合一種新穎的虛擬磁鏈觀測器，提出了基于虛擬電網磁鏈定向的三電平PWM整流器矢量控制策略，在雙三電平變頻器系統(tǒng)中對其進行實驗研究。實驗結果表明，該三電平PWM整流器可較好地穩(wěn)定直流母線電壓，提高整流器功率因數，并具有良好的動靜態(tài)特性。
關鍵詞：整流器；無傳感器；虛擬磁鏈

1 引言
PWM整流器因其具有輸入電流正弦、功率因數可控、能量雙向流動等優(yōu)點獲得廣泛應用。三電平PWM整流器能在相對較低的開關頻率下產生較好波形，并顯著提高開關器件耐壓等級，在大功率應用場合已逐步取代兩電平。為降低復雜度，提高可靠性，基于虛擬電網磁鏈定向的PWM整流器無電網電壓傳感器矢量控制成為研究熱點。此處采用三電平SVPWM簡化算法，并結合一種新穎的虛擬磁鏈觀測器，實現(xiàn)對三電平PWM整流器基于虛擬磁鏈定向的無電網電壓傳感器矢量控制，并通過實驗驗證了該方案的可行性。

2 三電平PWM整流器數學模型
圖1示出二極管中點箝位型三電平PWM整流器主電路。三電平整流器每相橋臂均由4個功率開關管和2個箝位二極管組成，其本質是通過控制VSi1-VSi4(i=a，b，c)的開通和關斷，使得交流側三相輸入電流ia，ib，ic正弦化，功率因數接近1，同時維持直流側輸出電壓Udc平衡。

由于三電平PWM整流器相似于逆變器供電的交流電機定子電路，故可采用類似于交流電機磁鏈觀測的方法構造出虛擬的電網磁鏈矢量，作為三電平PWM整流器矢量控制中的定向矢量，從而實現(xiàn)取消電網側電壓傳感器、降低成本的目的。即可將整流器電網側視作一臺無限大由逆變器供電、以同步轉速恒速運行、定子電阻和漏感分別為Rs和Ls的虛擬電機，其中電網電壓相當于虛擬電機的氣隙磁場在定子繞組中產生的感應電勢。
在此直接給出虛擬電網磁鏈定向d，q旋轉坐標系下三電平整流器數學模型：

經坐標變換后，對稱的三相正弦變量可變換為d，q軸上的恒定直流量，更加便于三電平整流器的研究與控制。