T型三相三电平整流器的控制实现和仿真

前言:

我此前制作了使用DQ控制维也纳整流器的视频:《基于dq双闭环控制的三相三电平Vienna整流器 Part 2》《基于dq双闭环控制的三相三电平Vienna整流器 Part 1》,后台收到了很多留言和问题,所以还是有很多人对这种内容感兴趣的。

加上最近我在想Vienna整流器能不能也可以做出双向整流和逆变的功能,查了一些文献后发现使用T型三电平这个拓扑控制就行,可见图一它的拓扑结构和维也纳类似。在以维也纳模式工作就把前面六个开关管关闭,用体二极管整流器。逆变就使用三电平的控制方法,由于使用DQ控制方法,整流和逆变的控制实现其实差不多,所以本文就做T型三电平的三相整流器的控制和实现介绍。

(图一 T型三电平整流器)

1.效率:作为对比二极管钳位的三电平拓扑,T型三电平结构少了钳位用的二极管,也少了飞跨电容的大容量功率电容。六个横跨PN母线的开关管仍为全电压应力,只有六个连接到电容中点的开关的电压应力能被减半。因此T型三电平能去掉钳位二极管的损耗,与中点连接的开关管的开关和导通损耗均有优势,理论上应该比二极管钳位的三电平效率高一点,这里有一个富士电机提供的损耗对比表格,可见图二所示:

(图二 富士电机提供的各种拓扑损耗对比)

2.基本的功率流向:可见图三,先以一个单相的T型三电平来分析其功率流向。PWM控制是让Q1/Q3互补,Q4/Q2互补。通过控制开关的时序,可以再开关上输出P/O/N的三个状态。

(图三 单相T型三电平)

状态:

Sa1Sa2Sa3Sa4OutputONOFFOFFONPOFFOFFONONOOFFONONOFFN

(表一 开关状态)

根据负载电流的流通路径,T型三电平逆变器可以分为六种工作状态。首先,定义负载电流的正方向为由 A 点流出桥臂,则六种负载电流 ILa的流通方式如下图四所示。

(图四 6种开关状态)

3.PWM调制:使用三电平载波同向叠层调制PWM,可见图五所示。调制波正周期与正载波比较,负周期与负向载波比较,得出两组PWM波。其中正向PWM用来控制Q1互补产生Q3,同理负向PWM用来控制Q4和Q2,同样是互补产生PWM。

(图5 双载波同享叠层)

PWM实现,可见图六:

(图6 双载波同享叠层PWM输出)

然后根据时序和逻辑分别根据上面输出的PWM信号转为T型三电平的4个开关的调制信号。其中Q1/Q3互补,Q4/Q2互补,PWM逻辑可见下图七所示。下图中的ABC是由闭环控制部分的输出三相ABC正弦调制波。

(图七  T型三电平双载波调制的实现原理)

12路PWM和载波放在一起可以更容易的分析时序,可见图8所示:

(图8 T型三电平双载波调制的PWM输出)

4.闭环控制:使用dq和前馈解耦控制方法,依据锁相环提供的角度,控制输入电流Iq=0即可实现PFC整流器的功能,可见:

(图9 电压电流双闭环)

5.电容电压均压控制:根据前不久在Vienna整流器P2里面提到了使用小矢量来调制T0和2*(1-k)*T0的时间来对电容电容进行平衡,可见可见:《基于dq双闭环控制的三相三电平Vienna整流器 Part2》。

流入中点电流:

所以我直接把这套控制方法直接应用到了T型三电平上,发现依然可用,而且平衡的效果也不错,下图是实现原理:

通过对调制波注入不同幅度的共模量来实现对两个小矢量作用时间进行调制,从而实现电容电压均压的目的。

电容电压均压效果,稳态:

  

不平衡负载测试:分别依次改变高低端电容上并联的负载电阻,负载功率从100% > 50%变化。通过测试来看,即使高低端负载不平衡时,依然能很快均压。

6.模型原理图:

运行:

动态测试:

小结:一步一步的建立了T型三电平的仿真模型,了解了基本的控制方法,有了新的理解后我会继续更新这方面的内容,感谢观看。

必须要说的是本人能力有限,如果上文中有错误的地方还请多多包涵,希望能把错误之处告诉我,共同进步,谢谢。

参考文档:

1. 《20 千瓦 T 型三电平光伏并网逆变器的研究》 徐纪太 2016年

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