基于网络结构的快速SVPWM三电平PWM整流器的研究

基于网络结构的快速SVPWM三电平PWM整流器的研究
三电平空间矢量脉宽调制PWM整流器神经网络
1引言
近年来，随着电力电子装置的广泛应用，电网中的谐波污染也日趋严重。

消除电网谐波污染和提高电网功率因数的根本措施是使变流装置实现网侧电流正弦化，并运行于单位功率因数。

具有高功率因数的三相PWM整流器通过电压、电流双闭环控制，可实现三相输入的高功率因数校正，同时能使直流侧输出电压恒定且可控，实现能量的双向流动。

而三电平PWM整流器相对于两电平整流器，每个功率器件承受的关断电压仅为直流侧电压的一半，并且在相同的开关频率下，交流侧的电压和电流谐波含量低，直流电压纹波小。

因此在高压大功率传动、高压直流输电、可再生能源的并网发电等领域，三电平PWM整流器有着广泛的应用前景[1]。

三电平PWM整流器的调制方法主要分为基于电压空间矢量的脉宽调制（SVPWM）技术和基于载波比较的脉宽调制技术。

SVPWM因具有直流电压利用率高、器件开关次数较少、易于数字化实现等优点得到了广泛应用[2]。

传统的三电平SVPWM调制方法计算量大，涉及较多的查表和三角函数，普通定点DSP难以满足要求。

为此国内外学者进行了大量的研究，提出了很多改进算法[3-6]。

文献[6]提出了一种基于网络结构形式的快速SVPWM算法，并应用到三电平电压型逆变器的过调制控制策略中。

该算法在基矢量选取及其作用时间计算方面进行了简化，节省了处理器的计算时间，从而在三电平过调制控制中取得了很好的效果。

本文将基于网络结构形式的快速SVPWM算法应用到三电平PWM整流器中，并
在 Matlab/Simulink仿真环境中对该算法进行了验证。

对于三电平PWM整流器固有的中点电位平衡问题，本文通过判断中点电流方向和电容的电压差，采用了一种易于实现的滞环控制方法。

仿真结果表明，三相PWM整流器具有较好的稳态和动态性能，从而验证了该算法的有效性。

2三电平PWM整流器SVPWM基本原理
二极管箝位型三电平PWM整流器的主电路拓扑结构如图1所示，其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，每一相桥臂有4个功率开关管、4个续流二极管、2个箝位二极管。

对于任意给定的三相基波电压瞬时值vao、vbo、vco，若考虑三相为平衡系统，则可在复平面内定义电压空间矢量为
其中，α=ej2π/3。

图2给出了三电平整流器空间电压矢量在α－β坐标系下的分布，其中含有6个模为2vdc/3
的大矢量，6个模为的中矢量以及6个模为vdc/3的小矢量，三个零矢量(PPP、NNN、000)位于坐标原点。

图1 二极管钳位型三电平PWM整流器主电路
图2 三电平PWM整流器空间电压矢量图
3基于网络结构的快速SVPWM算法
3.1 网络结构
在网络结构中，网络采用一定的竞争学习机制，完成对复杂模式的分类过程。

当网络完成对输入模式的学习之后，会将各个模式分布地记忆在网络的各个连接权值上。

当在输入层输入标幺化的矢量时，该网络的中间节点值等于输入矢量与网络权值矢量的内积，可表示为
(1)
式中，θ为U、W的夹角。

由于输入矢量和权值矢量都已标幺化，中间节点值由以上两个矢量夹角的余弦值决定。

其中最大的中间节点赢得比较，即赢得比较的矢量最靠近输入矢量，其过程如图3所示。

在SVPWM算法过程中，首先需要确定参考电压矢量vr处于确定的6个分类模式区域中的哪一个，因此属于对输入模式的学习问题，并且所有模式的权值都是已知的，不需要对网络的权值进行训练。

图2中，va,r与6个大矢量的内积分别为1，0.5，-0.5，-1，-0.5，0.5，这些值即为该
竞争网络的权值。

基于网络结构形式的SVPWM算法较传统的SVPWM简单、精确，其核心就是网络结构模块，其框图如图4所示。

参考电压矢量经过6个线性运算后，其结果被送入比较单元进行处理。

其中第k个计算单元的输出值，也等于参考电压矢量和第k个基矢量的内积，即：k=13, 14 (18)
(2)
从式(2)可以看出，和参考电压矢量vr最近的基矢量vk，其对应的计算单元输出值nk最大。

若参考电压矢量vr落在vi和vi+1组成的扇区中，相对应的ni和ni+1将大于其他各nk值。

比较单元中两个最大的输出值为
(3) 式中，θ为参考电压矢量和与之最近的基矢量之间的夹角。

由比较单元输出的两个最大值下标，可以确定参考电压矢量所在的扇区；而最大输出值ni和ni+1则为合成基矢量的作用时间计算提供了方便。

3.2 基矢量的选取
在确定参考电压矢量所在扇区之后，首要任务就是通过坐标变换把参考电压矢量规划到第Ⅰ扇区进行处理。

例如，参考电压矢量落在第Ⅱ扇区时，变换到第Ⅰ扇区为
(4)
在参考电压矢量转换到第Ⅰ扇区后，便可以通过区域判定单元进行小区判断，图5给出了第Ⅰ扇区的小区分布图。

令
C=A×B (5)
式中，C=[a b c]T；B=[3vα1/2vdc 3vβ1/2vdc 1]T，为标幺化的参考电压矢量矩阵；A为系数矩阵，由v1，v2，v7三个基矢量的顶点所在的三条直线确定，其值为
式(5)中，若a<0，则参考电压矢量落在第1小区；若b<0，则参考电压矢量落在第3小区；若c<0，则参考电压矢量落在第4小区；否则，参考电压矢量落在第2小区。

当参考电压矢量位于某小区时，根据NTV(Nearest Three Vector)原则直接由该小区的三个顶点对应的基矢量进行合成。

3.3 基矢量的作用时间
在合成基矢量确定以后，根据伏秒平衡原则，便可以求得3个基矢量的作用时间。

以参考电压矢量落在图5中第3小区为例，则vr可由v1、v7、v13合成，且
v1t0+v13t1+v7t2=vrT
t0+t1+t2=T (6)
式中，t0、t1、t2分别为矢量v1、v13、v7的作用时间，T为空间矢量调制周期。

可得
(7)
式中，m为调制度，定义。

由式(3)知，
(8)
将式(8)和m的值代入式(7)可得
(9) 由式(9)可以看出，合成基矢量的作用时间计算仅是简单的线性计算，避免了大量的三角函数，从而可节省处理器的计算时间。

3.4 直流侧中点电位控制
三电平整流器在运行中必须保证中点电位平衡，否则将导致输入电流波形畸变，损坏功率开关器
件和滤波电容，不利于整流器的安全运行[7]。

本文采用基于控制因子ρ的滞环控制方法，即通过重新安排冗余电压矢量的时间分配对中点电位进行控制。

以参考电压矢量位于图5中小区3为例，小矢量v1对应正小矢量v1p和负小矢量v1n，它们对中点电位的影响相反，其优化后的电压基矢量作用顺序为：v1p-v7-v13-v1n-v13-v7-v1p。

其中，v1p和v1n的作用时间为
t1p=t1(1+ρ)/2t1n=t1(1-ρ)/2(10)
式中，ρ为控制因子，且-1≤ρ≤1。

由于小矢量v1p和v1n的幅值和相角相同，故只要满足式(10)，则改变两个矢量的作用时间，将不会影响输出电压矢量，并可达到控制中点电位的目的。

图3 网络结构示意图
图4 基于网络结构形式的SVPWM框图
图5 第Ⅰ扇区的小区分布图
4仿真研究
本文利用Matlab/Simulink软件平台搭建了三电平PWM整流器的电压定向控制系统仿真模型，对基于网络结构形式的SVPWM算法进行仿真研究。

系统的仿真参数如下：三相输入为三相对称正弦电压，相电压幅值为220V，输入侧等值电阻为R=0.1Ω，电感为L=10mH，直流侧电容为C1=C2=2600μF，负载RL=100Ω，直流电压给定Vdc=550V，开关频率f=5kHz。

图6为整流器直流侧电压波形，可见控制系统在稳定运行时，直流侧电压为550V，与给定相符，且波形平直、波动小。

从图7和图8中可以看出，输入电流与输入电压同相位，功率因数接近为1，电流畸变率为3.33%。

图9为直流侧两电容上的电压波形，可以看出采用控制策略后，中点电位的波动得到了有效的控制。

图6 直流侧电压波形
图7 电网电压与电流(放大10倍)波形
图8 网侧电流频谱图
图9 直流侧电容两端电压波形
5结束语
本文介绍了三电平PWM整流器的拓扑结构，分析了基于网络结构形式的SVPWM算法，该算法计算简单，无需复杂的三角函数运算，有利于计算机的数字化实现。

文中将该算法应用到三电平PWM整流器中，并在Matlab仿真环境中验证了该算法。

仿真结果表明，三相PWM整流器具有较好的稳态和动态性能，从而验证了该算法的有效性，具有较高的应用价值。

陈炎
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