三电平电压源换流器的工作原理与开关函数模型详解

对于三电平换流器，参数u_sx、i_x、u_cx.n、u_cx.o、R和L的含义与两电平换流器电路一致，不再赘述。

图2-8 二极管箝位三电平换流器等效开关结构

对于图2-2a所示的三相二极管箝位三电平电压源换流器，每相的上桥臂和下桥臂的四个功率开关器件可看作理想的单刀三掷开关，故可得相应的等效开关电路结构，如图2-8所示。首先定义开关函数如下：

（1）交直流电压电流的变换关系

假设直流电压恒定、直流中点电位平衡，根据开关电路，可得换流器交流侧相对于直流中点o和交流中点n的电压与直流电压的变换关系：

设i_dc1、i_dc2和i_o分别表示三电平换流器直流侧的正极电流、负极电流和中线电流，则有

对于三相三线制系统，将式（2-8）代入上式，直流中线电流可改写为

图2-9给出了三电平换流器的开关函数与直流和交流电流的波形示例。

（2）交流电路方程

由图2-8可得三电平电压源换流器交流侧的三相电路方程为(www.xing528.com)

在三相三线制系统中，存在式（2-7）和式（2-8）的关系。于是，由上式中的三个方程相加可得

于是，可得三电平电压源换流器交流电路的开关函数模型为

图2-9 三电平换流器的开关函数与电流波形

（3）直流电路方程

根据三电平电压源换流器的直流等效电路，可得如下一组方程：

将式（2-13）、式（2-14）和式（2-15）代入上式，整理可得：

上两式直观地反映了开关函数对换流器直流电压和直流中点电压（即两电容电压差）的影响。

综上所述，式（2-17）～式（2-19）构成了一组完整的三电平电压源换流器的开关函数模型。显然，通过改变换流器功率开关器件的通断状态，即可改变每个时刻的电路拓扑，达到调整换流器交流电压和电流的目的。由于三电平换流器每相的开关函数有3种取值，其开关状态比两电平多，控制的自由度多，控制准确度也更高；同时，从开关函数模型可以看出，三电平换流器的直流侧中点电压对其交流电压、交流电流和直流电压等都有影响，因此，三电平换流器需要加设直流侧中点电位平衡控制。

假设通过他励等方式可以保障直流中点电位平衡，此时Δu_dc＝0，则三电平换流器的基频交直流方程在形式上与两电平换流器完全相同。因此，在控制系统设计中，基于两电平电压源换流器基频模型所做的分析同样适用于三电平换流器。