三电平整流器中点电位平衡的研究
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变流技术
Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ 《电气自动化）２０１１年第３３卷第４期
三电平整流器中点电位平衡的研究
杨新华 王佰川
（１．兰州理工大学电气工程与信息工程学院。甘肃兰州７３００５０；２．甘肃省工业过程先进控制重点实验室。甘肃兰州７３００５０）
摘要：介绍了一种新的中点电压平衡控制策略，得出ＳＶＰＷＭ简化算法（传统的三电平ＳＶＰＷＭ算法很复杂，涉及很多的三角函数和
查表）。在ｄ，ｑ坐标系下建立三电平中点箝位电压型整流器高频数学模型，采用电压外环和电流内环的双闭环控制实现了三
电平整流器的高性能特性。最后在ＭＡＴＬＡＢ仿真环境中建立仿真模型，对印。坐标系ＳＶＰＷＭ算法进行仿真，结果验证了该算
法具有保持中点电位平衡和抗大负载扰动的优点。
关键词：ＰＷＭ整流器双闭环控制 中点电位控制６０。坐标系
［中图分类号］ＴＭ４６１ ［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１１）０４—００６５—０３
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＮｅｕｔｒａＩ Ｐｏｉｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅＩ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ
Ｙａｎｇ Ｘｉｎｈｕａ ， Ｗａｎｇ Ｂａｉｃｈｕａｎ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＧａｎｓｕ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ ＳＶＰＷＭ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｒｅｌａｔｉｎｇ ｔｏ ｍａｎｙ ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｏｋ—ｕｐ ｔａｂｌｅ．Ｉｎ
ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄ ＳＶＰＷＭ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｅｌｉｃｉｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｎｅｗ ｎｅｕｔｒａｌ ｂａｌａｎｃｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ・￣ｅｑｕｅｎｃｙ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ ｎｅｕｔｒａｌ—ｐｏｉｎｔ－ｃｌａｍｐｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄ，ｑ ｆｒａｍｅｓ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｕａｌ
ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｅｒ ｌｏｏｐ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｎｅｒ ｌｏｏｐ－ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ｋｅｅｐｉｎｇ
ｎｅｕｔｒａｌ ｐｏｉｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｌａｒｇｅ ｌｏａｄ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｄｕａｌ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｎｅｕｔｒａｌ ｐｏｉｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ６０。ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｓｙｓｔｅｍ
０ 引 言
三电平二极管箝位型整流器也叫中点箝位整流器 ，由于每
个开关管只承受一个输出电容电压，电压应力比同功率两电平
ＰＷＭ整流器小一半，控制相对方便。三电平ＰＷＭ整流器两个输
出电容电压不平衡，直接影响到整流器的工作性能。
目前，对二极管箝位型整流器 ｌ３ 的控制分为空间矢量控制
和载波调制控制Ｈ Ｊ，现有的研究大部分集中于载波调制控制，
载波调制控制概念清晰，脉冲产生方便，但在解决直流输出中点
平衡问题上没有空间矢量法灵活。拟解决中点平衡问题，本文采
用空间矢量控制，通过选择适当的矢量，改变矢量的作用顺序和
时间合成参考矢量，实现中点平衡。
鉴于三电平基本空间矢量之间的角度均为６０。的倍数，本文
应用一种新的基于６０。坐标系的改进算法。
本文将基于ｇ—ｈ坐标系的空间矢量调制算法应用到三电平
二极管箝位型整流器中，并基于ＭＡＴＬＡＢ仿真环境实现了该算
法，仿真结果验证了该算法的有效性。
１ 电压和电流双闭环控制
本文采用基于ｄ—ｑ旋转坐标系下电压和电流双闭环解耦控
制，电压和电流双闭环控制原理 如图１所示
三相整流器ｄ－ｑ轴电流分量ｉ ，ｉ。相互耦合，对于电流控制器
的设计不利。所以本文引入ｉ ，ｉｑ的前馈解耦控制 ，且ｉ ，ｉ。电
流环均采用ＰＩ调节控制。同步旋转ｄｑ坐标系下的电压指令为
收稿日期：２０１０—１１—２５ 图１ 电压和电流双闭环ｊ空制
＝（ ＋争）（ 一ｉｑ）一础 ＋Ｕｑ
＝（ ＋争）（ ）一 Ｕａ
式中， 、 为交流侧指令电压； 为电流环比例控制参
数；Ｋｕ为电流环积分控制参数。
需跟踪的指令电流为与发电机侧电动势同频率的三相对称
Ｅｌｅｃｔｆｌｅａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉ
ｏｎ ６５ 《电气自动化）２０１１年第３３卷第４期 变流技术
ＣｏｎｖｅｒｔｅｒＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
正弦波电流 在同步由坐标系下均为直流量，因而采用Ｐｌ
调节器可实现ｉ ，ｉ 的无静差调节。最后，当 、 由三相整流
器电流环调节运算确定后，其电流跟踪控制的指令电压矢量Ｕ
即被确定。
２ ６０。坐标变换算法
本文分析的三电平整流器ＳＶＰＷＭ简化算法的主要原理是
采用６０。坐标变换来实现空间电压矢量的表示简单化，并使得合 成参考空间电压矢量及其开关状态的选择过程变得简单。
直流侧电容在一个周期内出入的电流不同，造成某些电容总在
放电，另一些总在充电，导致输出电平不准确。图２可知，Ｐ，Ｎ电平
对中点电位无影响；图２ｃ中，电流流入中点电位，中点电位升高，图
２ｄ中电流方向相反，中点电位下降。选择合适的开关状态，可使中点
的充放电大致平衡。对于三电平三相电路，其长矢量和零矢量对中
点电位没有影响，中矢量对中点电位的影响不能消除，是个不控量．
因此，只能从短矢量的冗余开关状态中进行优化选择。
Ｃｌ
ｃ２ Ｃ１
Ｃ２ 蓊 Ｌ
（ａ）Ｐ电平 Ｃｏ）Ｎ电平 （ｃ）０电平 （ｄ）０电平
图２开关状态对中点电位的影响
本文的电压矢量脉宽调制策略采用６Ｏ度坐标系ＳＶＰＷＭ算
法，提高三电平整流器直流侧中点电位的平衡度。 ２．１空间矢量调制
用参考矢量邻近的三个空间电压矢量来合成参考矢量，即参
考电压矢量所在小等边三角形的三个顶点对应的三个矢量合成
法，此方法可用伏秒平衡原则表示为：
耐＝（ｄ１×Ｖ１＋ｄ２× ＋ｄ３× ） （１） 其中， ， ， 成为邻近的三个空间电压矢量，ｄ ，ｄ２，ｄ 为对应 的时间权重系数。
如果将空间电压矢量坐标系进行变换，转换到正六边形坐标
系，计算的时间将大为缩短，解决了传统算法计算时间长的难题。
２．２坐标变换
因为 ＋ ＋ 。＝０，所以这三个电压矢量处于同一个平
面上，则可将其转换到一个二维的平面坐标系中。为了充分利用
六边形结构上的对称性，可以选择一组非对称的独立向量作为基
准向量来表示空间电压矢量和参考矢量。因此选择这样一组向
量作为基准向量
ｃ ， ， 。 ， ｃ 。 ， ， ＝＝｛［蔓］，［— ｉ ］） ｃ：
这个坐标系统不仅将空间电压矢量表示的极其简单，而且在
将二维坐标反变换成三维坐标系统时，开关状态求取非常方便
×［ －２ ：１］× ｓ
６６ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ２．３合成参考电压矢量
根据以上的坐标变换可以得到空间三维电压矢量转换而来
的空间电压矢量和参考矢量在两维坐标系中的表示情况，如图３
所示。 离参考矢量最近的四个空间状态矢量的坐标可以很容易由
参考矢量的坐标向上取整和向下取整后组合可得，即
＿２１０
０，－２ １Ｉ．２ ２，－２ ｇ （４）
图３ 一卢坐标系下三电平整流器空间电压矢量图
矢量 和矢量 始终是离参考矢量最近的三矢量中的两
个，另一个最近矢量应该和参考矢量都位于 和 连线的同一
侧，则第三个矢量就可以由式（５）结果的正负号来决定：
． ＋ 一（ ＋ ） （５）
结果为正，则 为第三个最近的矢量。否则， 是第三个最
近的矢量。 ２．４计算作用时间
一旦确定了最近的三个电压矢量，那么每个空间状态时间系
数就可以确定了，这可以通过解式（１）的方程而得到， ＝ ，
＝Ｖｚ ， ＝Ｖｚ 或者 ＝ 。由于所有的空间状态矢量的坐标都
是整数，可以由 ＝ 的坐标的小数部分得到（４）式的解
当 ＝ 时， ｄ ｔ＝ 一 （６）
ｄ１ ＝ 一 ｍ （７）
ｄｎ＝１一ｄ 一ｄ （８）
当 ＝ 时，
ｄ ＝ 一
ｄｍ＝ 一
ｄ ＝１一ｄ 一ｄ （９）
（１０）
（１１）
２．５确定开关信号
最后从二维坐标系统变换到三维坐标系统。首先需要由空
间状态矢量确定其所对应的所有开关状态，如二维系统中的一个
空间矢量 ＝［ｇ，ｈ］ 出于前面所选坐标系统的特点，其所对应 龟 ｍ ．ｇ 一 ｒ●●●●●Ｌ ｒ●●●●Ｌ ＝ ＝ 一 一 一 ＝
＝ 变流技术
Ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
的所有开关状态可以由式（１２）的得到
童］
ｍ，ｍ—ｇ，ｍ—ｇ—ｈ∈［Ｏ，ｎ一１］。
３算例仿真分析
本文采用基于ｄ—ｑ旋转坐标系下电压和电流双闭环解耦控
制，利用Ｍａｔｌａｂ７．１软件对二极管箝位型三电平整流电路进行
仿真。
参数设置：相电压幅值Ｖｍ＝３５０ Ｖ，等值电阻 ＝０．１ Ｑ，电感
三＝７ ｍＨ，电容为ｃ＝２２００ Ｆ，Ｒ１为２００ ＫＷ的电阻， 为３００ ＫＷ
的电阻。直流给定 ＝５００ Ｖ，开关频率，：５ ｋＨｚ。断路器时间
设置０．３ ｓ。电压调节器参数： ＝１．１，Ｋ＝１１０；电流调节器参
数： ：１６．７，Ｋｆ＝１３９。
应用重新安排冗余电压矢量的时间方法对中点电压进行控
制。当参考电压矢量仍然位于图３所示的位置时，开关的作用顺
（ｏ Ｎ）一（Ｐ Ｎｒ２ Ｎ）一（Ｐ ｏ Ｎ）一（Ｐ Ｏ Ｏ）
， ， 和 为相应电压矢量的作用时间，调整 ，和 的
值，达到控制中点电压的目的。
＋ 』ｖ： 。Ⅳ＝ × ：
Ｐ＝ × （一１≤，≤１）
仿真结果如图４，图５所示：
图４示出控制系统稳态运行时输出直流电压 为５００ Ｖ，与
给定相符，且波动小，在０．３ Ｓ加一个干扰负载，直流电压也能在
短时间内恢复。
５５Ｏ
５００
４５０
４００
３５０
３０Ｏ
２５Ｏ
２００ 弓 ，
高 可 ３ ．口 ３ 帅 斜 娜
０ ０．１ Ｏ．２ ｔ／ｓ
图４直流侧电压的波形比较 《电气自动化）２０１１年第３３卷第４期
ｓ 图５相电压和相电流的波形比较
图５示出整流器输入相电压 和输入相电流ｉ。的稳态仿真波
形。通过对其进行谐波分析可知，输入电流的总畸变率为２．５％，基
