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        T型三相三電平整流器的控制實現和仿真

        前言:

        我此前制作了使用DQ控制維也納整流器的視頻:《基于dq雙閉環控制的三相三電平Vienna整流器 Part 2》《基于dq雙閉環控制的三相三電平Vienna整流器 Part 1》,后臺收到了很多留言和問題,所以還是有很多人對這種內容感興趣的。

        加上最近我在想Vienna整流器能不能也可以做出雙向整流和逆變的功能,查了一些文獻后發現使用T型三電平這個拓撲控制就行,可見圖一它的拓撲結構和維也納類似。在以維也納模式工作就把前面六個開關管關閉,用體二極管整流器。逆變就使用三電平的控制方法,由于使用DQ控制方法,整流和逆變的控制實現其實差不多,所以本文就做T型三電平的三相整流器的控制和實現介紹。

        (圖一 T型三電平整流器)

        1.效率:作為對比二極管鉗位的三電平拓撲,T型三電平結構少了鉗位用的二極管,也少了飛跨電容的大容量功率電容。六個橫跨PN母線的開關管仍為全電壓應力,只有六個連接到電容中點的開關的電壓應力能被減半。因此T型三電平能去掉鉗位二極管的損耗,與中點連接的開關管的開關和導通損耗均有優勢,理論上應該比二極管鉗位的三電平效率高一點,這里有一個富士電機提供的損耗對比表格,可見圖二所示:

        (圖二 富士電機提供的各種拓撲損耗對比)

        2.基本的功率流向:可見圖三,先以一個單相的T型三電平來分析其功率流向。PWM控制是讓Q1/Q3互補,Q4/Q2互補。通過控制開關的時序,可以再開關上輸出P/O/N的三個狀態。

        (圖三 單相T型三電平)

        狀態:

        Sa1Sa2Sa3Sa4OutputONOFFOFFONPOFFOFFONONOOFFONONOFFN

        (表一 開關狀態)

        根據負載電流的流通路徑,T型三電平逆變器可以分為六種工作狀態。首先,定義負載電流的正方向為由 A 點流出橋臂,則六種負載電流 ILa的流通方式如下圖四所示。

        (圖四 6種開關狀態)

        3.PWM調制:使用三電平載波同向疊層調制PWM,可見圖五所示。調制波正周期與正載波比較,負周期與負向載波比較,得出兩組PWM波。其中正向PWM用來控制Q1互補產生Q3,同理負向PWM用來控制Q4和Q2,同樣是互補產生PWM。

        (圖5 雙載波同享疊層)

        PWM實現,可見圖六:

        (圖6 雙載波同享疊層PWM輸出)

        然后根據時序和邏輯分別根據上面輸出的PWM信號轉為T型三電平的4個開關的調制信號。其中Q1/Q3互補,Q4/Q2互補,PWM邏輯可見下圖七所示。下圖中的ABC是由閉環控制部分的輸出三相ABC正弦調制波。

        (圖七  T型三電平雙載波調制的實現原理)

        12路PWM和載波放在一起可以更容易的分析時序,可見圖8所示:

        (圖8 T型三電平雙載波調制的PWM輸出)

        4.閉環控制:使用dq和前饋解耦控制方法,依據鎖相環提供的角度,控制輸入電流Iq=0即可實現PFC整流器的功能,可見:

        (圖9 電壓電流雙閉環)

        5.電容電壓均壓控制:根據前不久在Vienna整流器P2里面提到了使用小矢量來調制T0和2*(1-k)*T0的時間來對電容電容進行平衡,可見可見:《基于dq雙閉環控制的三相三電平Vienna整流器 Part2》。

        流入中點電流:

        所以我直接把這套控制方法直接應用到了T型三電平上,發現依然可用,而且平衡的效果也不錯,下圖是實現原理:

        通過對調制波注入不同幅度的共模量來實現對兩個小矢量作用時間進行調制,從而實現電容電壓均壓的目的。

        電容電壓均壓效果,穩態:

          

        不平衡負載測試:分別依次改變高低端電容上并聯的負載電阻,負載功率從100% > 50%變化。通過測試來看,即使高低端負載不平衡時,依然能很快均壓。

        6.模型原理圖:

        運行:

        動態測試:

        小結:一步一步的建立了T型三電平的仿真模型,了解了基本的控制方法,有了新的理解后我會繼續更新這方面的內容,感謝觀看。

        必須要說的是本人能力有限,如果上文中有錯誤的地方還請多多包涵,希望能把錯誤之處告訴我,共同進步,謝謝。

        參考文檔:

        1. 《20 千瓦 T 型三電平光伏并網逆變器的研究》 徐紀太 2016年

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