无电网电压传感器三电平PWM整流器研究

摘要：在大功率三电平整流器应用中，为降低成本、提高性能，研究了一种无电网电压传感器三电平PWM整流器。在分析其数学模型的基础上，采用三电平SVPWM简化算法，将传统两电平电压空间矢量控制算法应用于三电平，并结合一种新颖的虚拟磁链观测器，提出了基于虚拟电网磁链定向的三电平PWM整流器矢量控制策略，在双三电平变频器系统中对其进行实验研究。实验结果表明，该三电平PWM整流器可较好地稳定直流母线电压，提高整流器功率因数，并具有良好的动静态特性。
关键词：整流器；无传感器；虚拟磁链

1 引言
PWM整流器因其具有输入电流正弦、功率因数可控、能量双向流动等优点获得广泛应用。三电平PWM整流器能在相对较低的开关频率下产生较好波形，并显著提高开关器件耐压等级，在大功率应用场合已逐步取代两电平。为降低复杂度，提高可靠性，基于虚拟电网磁链定向的PWM整流器无电网电压传感器矢量控制成为研究热点。此处采用三电平SVPWM简化算法，并结合一种新颖的虚拟磁链观测器，实现对三电平PWM整流器基于虚拟磁链定向的无电网电压传感器矢量控制，并通过实验验证了该方案的可行性。

2 三电平PWM整流器数学模型
图1示出二极管中点箝位型三电平PWM整流器主电路。三电平整流器每相桥臂均由4个功率开关管和2个箝位二极管组成，其本质是通过控制VSi1-VSi4(i=a，b，c)的开通和关断，使得交流侧三相输入电流ia，ib，ic正弦化，功率因数接近1，同时维持直流侧输出电压Udc平衡。

由于三电平PWM整流器相似于逆变器供电的交流电机定子电路，故可采用类似于交流电机磁链观测的方法构造出虚拟的电网磁链矢量，作为三电平PWM整流器矢量控制中的定向矢量，从而实现取消电网侧电压传感器、降低成本的目的。即可将整流器电网侧视作一台无限大由逆变器供电、以同步转速恒速运行、定子电阻和漏感分别为Rs和Ls的虚拟电机，其中电网电压相当于虚拟电机的气隙磁场在定子绕组中产生的感应电势。
在此直接给出虚拟电网磁链定向d，q旋转坐标系下三电平整流器数学模型：

经坐标变换后，对称的三相正弦变量可变换为d，q轴上的恒定直流量，更加便于三电平整流器的研究与控制。