大功率三電平PWM整流器優(yōu)化控制和電網(wǎng)不平衡運(yùn)行研究

項(xiàng)目針對(duì)三電平PWM整流器的優(yōu)化控制及其在電網(wǎng)不平衡下的控制進(jìn)行了深入研究，提出了一系列原創(chuàng)性成果。針對(duì)傳統(tǒng)的單矢量DPC應(yīng)用于PWM整流器時(shí)存在的功率脈動(dòng)大、電流諧波高和開關(guān)頻率不固定等問題，先后提出了功率脈動(dòng)最小、功率無差拍和新型簡單占空比控制等方法來對(duì)DPC選出的矢量時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，在維持傳統(tǒng)DPC動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上顯著改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，簡單容易實(shí)現(xiàn)，顯著提高了DPC的工程實(shí)用價(jià)值。針對(duì)傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)功率控制存在的穩(wěn)態(tài)性能差、開關(guān)頻率不固定和計(jì)算量等缺點(diǎn)，首先提出了基于有功無功誤差最小的二矢量MPC，該方法可以顯著改善穩(wěn)態(tài)性能而不影響動(dòng)態(tài)效果，具有較大的實(shí)用價(jià)值；其次針對(duì)PWM整流器采用MPC進(jìn)行優(yōu)選矢量時(shí)存在的計(jì)算量大的問題，以復(fù)功率共軛的負(fù)值為控制變量，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上對(duì)矢量選擇進(jìn)行分析和推導(dǎo)，得出一種只需一次預(yù)測(cè)和比較即可得到最佳電壓矢量的低復(fù)雜度MPC；進(jìn)一步將該方法用于二矢量MPC，得到了矢量計(jì)算時(shí)間的簡化表達(dá)式，大大簡化了算法的復(fù)雜度。針對(duì)電網(wǎng)不平衡下的PWM整流器控制，基于傳統(tǒng)瞬時(shí)功率理論和擴(kuò)展瞬時(shí)功率理論提出了一系列創(chuàng)新思想并和DPC、MPC等先進(jìn)控制方法相結(jié)合，無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和正負(fù)序分解，為非理想電網(wǎng)下PWM整流器控制提供了新型解決方案。

大功率三電平PWM整流器需要同時(shí)解決低開關(guān)損耗、低電流諧波和高動(dòng)態(tài)性能幾個(gè)相互矛盾的問題。在較低的開關(guān)頻率下，同步優(yōu)化調(diào)制可以獲得較小的電流諧波但動(dòng)態(tài)性能差，而模型預(yù)測(cè)控制(MPC)可以獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目采用基于MPC的同步優(yōu)化脈沖調(diào)制來解決上述難題。首先研究基于單個(gè)控制周期的MPC及其優(yōu)化，重點(diǎn)解決多步長MPC中的計(jì)算量大和預(yù)測(cè)精度問題，進(jìn)一步將單矢量MPC擴(kuò)展為多矢量MPC以提高穩(wěn)態(tài)性能并降低開關(guān)頻率。其次研究基于MPC的閉環(huán)優(yōu)化調(diào)制技術(shù)，在解決同步優(yōu)化調(diào)制在線求解的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)完全基于MPC的在線高性能閉環(huán)控制策略。最后，研究不依賴于電感參數(shù)的控制補(bǔ)償指令生成方法，無需改變平衡電網(wǎng)下控制方法的結(jié)構(gòu)而拓展其電網(wǎng)不平衡時(shí)的故障穿越能力。本項(xiàng)目提出的控制方法將同時(shí)具備MPC的快速響應(yīng)和同步優(yōu)化調(diào)制的優(yōu)異穩(wěn)態(tài)性能，且可以在線實(shí)現(xiàn)，為大功率整流器優(yōu)化控制提供了新型解決方案。

三電平逆變器自產(chǎn)生以來很快就得到了廣泛應(yīng)用,改善它的輸出波形一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向,而電壓源型逆變器的輸出特性與逆變器所采用器件的開關(guān)頻率有關(guān),其中脈寬調(diào)制PWM技術(shù)就可以改變開關(guān)頻率獲得很好的正弦輸出波形,PWM調(diào)制技術(shù)輸出開關(guān)頻率恒定,輸出的電流諧波小,限定的諧波電流頻譜特性等優(yōu)點(diǎn),可以說直到目前為止,PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點(diǎn)。在近二十年中,人們對(duì)二電平逆變器研究出了多種WPM調(diào)制控制方案。PWM技術(shù)不僅適應(yīng)于常規(guī)的兩電平逆變器,對(duì)三電平而言,仍然行之有效。本文的重點(diǎn)內(nèi)容是研究三電平逆變器的調(diào)制策略。目前,三電平逆變器的P翎控制技術(shù)概括起來主要有兩類:一是基于開環(huán)控制的三電平逆變器WPM控制技術(shù),其中應(yīng)用廣泛的有正弦SP翎、空間矢tSVP雙開環(huán)控制等 。

基于開環(huán)控制的三電平逆變器PWM調(diào)制策略

由于開環(huán)PWM調(diào)制具有很多優(yōu)點(diǎn):開關(guān)頻率恒定、限定的諧波頻譜、優(yōu)化的開關(guān)模式、實(shí)用化的直流環(huán)節(jié)等,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波等作用,因此三電平逆變器使用開環(huán)控制的WPM調(diào)制策略比較普遍,如正弦SPWM、空間矢量SVPWM開環(huán)控制 。

正弦波PWM是最通俗易懂的一種調(diào)制方式,又稱為相電壓控制法,給定的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)波U’和三角載波玲進(jìn)行比較,在兩波形相交時(shí)進(jìn)行脈寬切換,經(jīng)過正弦SwPM開環(huán)調(diào)制后,產(chǎn)生一定頻率且具有一定脈寬的開關(guān)信號(hào)(S。、.bss。),再驅(qū)動(dòng)三電平逆變器的開關(guān)器件,產(chǎn)生輸出信號(hào)。該方法具有簡單,直觀等優(yōu)點(diǎn),此外,由于輸出波形由方波改進(jìn)為PWM波,減少了低次諧波,從而解決了電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題,也降低了電動(dòng)機(jī)的諧波損耗和噪聲 。

和三電平逆變器的正弦SwPM調(diào)制方法不一樣的是,空間矢量SvWPM(又叫磁鏈跟蹤wPM)調(diào)制策略是從電機(jī)的角度出發(fā),把逆變器和電動(dòng)機(jī)視為一體,以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)理想的圓形磁場(chǎng)為基準(zhǔn),用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)竧來跟蹤基準(zhǔn)磁鏈園,由跟蹤結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式,形成P雙波基于開環(huán)控制的三電平逆變器的空間矢量SPy烈控制器結(jié)構(gòu)圖。空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用 。

基于電流閉環(huán)的三電平逆變器WM控制結(jié)構(gòu)

交流電機(jī)的控制性能主要取決于轉(zhuǎn)矩或者電流的控制質(zhì)量(在磁通恒定的條件下,為了滿足電機(jī)控制良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并在極低轉(zhuǎn)速下亦能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)這一要求,經(jīng)常采用電流的閉環(huán)控制,即基于電流閉環(huán)的三電平逆變器wPM控制策略,以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度,同時(shí)也一定程度上求得電流波形的改善。它具有的特點(diǎn):控制方式簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、具有內(nèi)在的電流限制能力以及電壓利用率高?？梢哉f它同時(shí)具有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)PWM調(diào)制的方法很多,大致有滯環(huán)電流PWM控制、線性電流PWM控制、預(yù)測(cè)電流PWM控制幾種 。

滯環(huán)電流控制器的主要任務(wù)是控制負(fù)載端的實(shí)際電流,讓它能以最小的誤差跟蹤參考電流指令信號(hào)。設(shè)滯環(huán)比較器的環(huán)寬為h2。滯環(huán)控制方案是基于三電平滯環(huán)比較器的非線性、閉環(huán)控制方法。當(dāng)輸入到滯環(huán)比較器的信號(hào)超過了規(guī)定的滯環(huán)環(huán)寬時(shí),直接產(chǎn)生變換器開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)。由于該控制器結(jié)構(gòu)簡單、算法簡單、實(shí)現(xiàn)簡單,特別重要的一點(diǎn)是它對(duì)負(fù)載參數(shù)的魯棒性好,不需要知道參數(shù)的任何信息,因此,它是最常見、也是應(yīng)用最為廣泛的一種電流控制方法。滯環(huán)電流控制經(jīng)常在逆變器、無功補(bǔ)償裝置等需要控制電流的場(chǎng)合中應(yīng)用 。

三電平逆變器線性電流PWM控制器可以分離成誤差補(bǔ)償和PWM調(diào)制兩大部分。在線性電流PWM控制器中,斜波比較器是最基本、最常見的一種控制結(jié)構(gòu)。這種控制器采用的是線性、閉環(huán)控制方法 。

控制器中有3個(gè)獨(dú)立的補(bǔ)償電流誤差的PI調(diào)節(jié)器,電流誤差通過PI控制器產(chǎn)生電壓控制信號(hào)。經(jīng)wPM調(diào)制器處理后得到驅(qū)動(dòng)開關(guān)動(dòng)作的開關(guān)信號(hào)。在該方案中輸出電流的脈動(dòng)經(jīng)反饋回到了輸入端,并對(duì)開關(guān)的后續(xù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生直接的影響。PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)凡的增大可以減小電流脈動(dòng),而積分參數(shù)石的改變能控制輸出電流的低頻特性。P份M調(diào)制算法可采用SPWM、SVPWM等調(diào)制方法。若采用的是SPWM方法,加入載波信號(hào)的斜率一定不能小于PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的斜率,這時(shí)開關(guān)頻率即為恒定的載頻 。

控制技術(shù)是整流器技術(shù)的關(guān)鍵問題，全面綜述性介紹了三相電壓型PWM整流器的各種控制策略，并按控制理論發(fā)展規(guī)律對(duì)這些方法進(jìn)行了科學(xué)分類，還分析了這些方法的原理及特點(diǎn)。盡管PWM整流器控制研究已經(jīng)取得了很大的成績，但一些問題還沒有得到滿意的解決，展望了三相PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。PWM控制技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的實(shí)用化技術(shù)，隨著研究的不斷深入，必將對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。對(duì)三相電壓型PWM整流器控制方法的研究與選擇有一定參考指導(dǎo)價(jià)值。2100433B

三電平NPC逆變器的DC側(cè)電流紋波分析與損耗的計(jì)算，都是根據(jù)逆變器所采用的特定的調(diào)制方法來進(jìn)行的。因此，對(duì)三電平NPC逆變器調(diào)制方法原理的分析及仿真，是進(jìn)行DC側(cè)電流紋波分析與損耗計(jì)算的前提。

自多電平逆變器誕生以來，其相應(yīng)的PWM控制技術(shù)就一直是其研究的重點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)兩電平逆變器的PWM控制方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)較為成熟，而多電平逆變器因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、元器件較多等特點(diǎn)的限制，在控制方法上也更為復(fù)雜。

多電平PWM控制方法的研究主要是圍繞著兩個(gè)核心問題展開的：

一是輸出電壓波形的控制，即逆變器輸出電壓脈沖與調(diào)制波等效；

二是逆變器自身運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括中點(diǎn)電壓平衡，輸出電壓、電流諧波的控制，功率開關(guān)器件的損耗分配控制等。設(shè)計(jì)合理的PWM控制方法，對(duì)于三電平NPC逆變器抑制中點(diǎn)電壓不平衡問題尤為重要 。

較為常見的多電平PWM控制方法分為：基于載波的PWM控制方法和空間矢量PWM控制方法。

（1）正弦脈寬調(diào)制方法（SPWM）

多電平逆變器的基于載波PWM控制方法一般采用載波層疊的形式。多電平載波層疊PWM控制方法與傳統(tǒng)兩電平PWM控制方式類似。對(duì)于m電平逆變器來說，采用（m-1）層相同幅值和頻率的三角形載波，分為上下兩層，與調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生開關(guān)序列，控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而輸出想要得到的波形。

對(duì)于三電平NPC逆變器來說，可以采用兩層載波。按照上下兩層載波的相位關(guān)系，可以分為反相載波層疊法和同相載波層疊法。

（2）反相載波層疊法

反相載波層疊法中，上下兩層載波相位相差180°，如圖4所示。圖4中，藍(lán)色正弦波為正弦調(diào)制波，與上下兩組載波進(jìn)行比較；黑色脈沖序列為交流輸出端（以A相為例）與DC側(cè)中點(diǎn)之間的電壓u_az 。

（3）同相載波層疊法

與反相載波層疊法相對(duì)應(yīng)，同相載波層疊法的上下兩組載波的相位完全相同，如圖5所示。

（4）三次諧波注入脈寬調(diào)制方法

對(duì)于沒有中線的三相對(duì)稱負(fù)載的逆變器系統(tǒng)，在輸出電壓中注入三的倍數(shù)次諧波或直流分量時(shí)候，對(duì)負(fù)載電壓波形不會(huì)產(chǎn)生影響。因此，可以對(duì)正弦調(diào)制波注入合適的零序分量，從而達(dá)到相應(yīng)的目的。為了提高直流母線電壓利用率，可以采用三次諧波注入PWM控制方法，如圖6所示 。2100433B