深入解析两电平电压源换流器的工作原理与开关函数模型

设u_sx为三相交流电网x相电压，i_x为三相交流电网x相电流，u_cx.n为换流器交流侧x相桥臂中点相对于交流电源中点（n点）的电压，u_cx.o为换流器交流侧x相桥臂中点相对于直流电源中点（o点）的电压，R和L为串联电阻和电感，x＝a、b、c。

对于图2-1所示的三相两电平电压源换流器，每相的上桥臂和下桥臂上的两个功率开关器件可看作理想的单刀双掷开关，故可得相应的等效开关电路如图2-6所示。首先定义开关函数如下：

图2-6 两电平变换器等效开关结构图

（1）交直流电压电流的变换关系

假设直流电压恒定，根据开关电路，可得换流器交流侧相对于直流中点o的电压与直流电压、换流器交流电流与直流电流的变换关系：

于是，换流器交流侧相对于交流电源中点n的电压可表示如下：

图2-7给出了开关函数与换流器交直流电压电流的波形示例。

图2-7 两电平换流器的开关函数与电流波形

（2）交流电路方程(www.xing528.com)

由图2-6可得电压源换流器交流侧的三相电路方程：

在三相三线制系统中，始终存在如下关系：

u_sa＋u_sb＋u_sc＝0 （2-6）

i_a＋i_b＋i_c＝0 （2-7）

于是，由式（2-5）中的三个方程相加可得

将式（2-8）代入式（2-4）和式（2-5），可得两电平电压源换流器交流电路的开关函数模型为

（3）直流电路方程

根据VSC的直流等效电路，可得

式（2-10）和式（2-11）构成了一组完整的两电平VSC的开关函数模型。显然，通过改变换流器功率开关器件的通断状态（即开关函数），便可改变每个时刻的电路拓扑，达到调整换流器交流电压u_c和电流i的目的。