【正文】 摘要隨著電力電子器件、高精度高速運算芯片、實時仿真及控制等技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電力電子裝置正廣泛地應用于交直流可調(diào)電源、電力供電系統(tǒng)、電氣傳動控制與電化學生產(chǎn)等領域，然而大多數(shù)的電力電子裝置都是通過變流器與電網(wǎng)相連，總存在網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低以及輸入電流諧波成分高的問題。為了減小諧波干擾對電網(wǎng)質(zhì)量的危害，以及可能因此而引發(fā)的事故，1994年3月國家技術(shù)監(jiān)督局頒布了國標GB/T 145491993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》。抑制電力諧波提高功率因數(shù)的方法主要有兩種，一種是裝設專用的諧波補償裝置，該方法相應地帶來了成本增加的問題；另一種是采用新型的高功率因數(shù)變流器。PWM整流器作為高功率因數(shù)變流器的一個重要方向，在各種工業(yè)生產(chǎn)領域扮演著重要角色。它不僅要求中間直流環(huán)節(jié)的電壓保持恒定，交流側(cè)功率因數(shù)為1，還要求盡量減少電流諧波。然而相對于兩電平PWM整流電路，三電平PWM整流器的功率開關管所承受的關斷電壓為直流側(cè)電壓的一半，減少了功率開關管的電壓強度，同時電平數(shù)的增加使入端電流更接近正弦波，在同樣的的開關頻率及控制方式下，其電流諧波總畸變率（THD）要遠小于兩電平PWM整流器。因此，本畢業(yè)設計以單相三電平PWM整流器為研究對象, 首先介紹了課題的產(chǎn)生背景、研究概況及意義，闡述了PWM整流器的工作原理，并對其開關工作模態(tài)以及拓撲結(jié)構(gòu)進行了分析；其次，在此基礎上，建立了三電平整流器的系統(tǒng)數(shù)學模型，并對PWM控制技術(shù)進行總結(jié)，采用電壓電流雙閉環(huán)控制，利用MATLAB/Simulink進行了仿真實驗。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的工作情況與理論分析相符合，該系統(tǒng)不僅能使直流電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，而且使整流器交流側(cè)電流諧波降低，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行。關鍵詞：三電平整流 功率因數(shù)校正 MATLAB仿真ABSTRACT With the rapid development of power electronic devices, highprecision highspeed puting chip, realtime simulation and control technology, various types of power electronic devices are widely used in ACDC adjustable power supply, power supply systems, electrical transmission control and electrochemical production etc, but most power electronic devices connected to the grid through the converter, there is always the low power factor and high harmonics problem of the input current. In order to reduce the harm of gridquality by the harmonicinterference, and the accident may resulted form it, the State Bureau of Technical Supervision issued a national standard GB/T 145491993 harmonic power quality utility in March 1994. There are two methods to improve power factor and inhibit power harmonic, one is the installation of a dedicated harmonic pensation devices, the method has brought a corresponding increase problem in the cost 。 the other is using the new high power factor converter . PWM rectifier ,as an important direction of high power factor converters, plays an important role in the various areas of industrial production. It not only requires the constant of middle dc voltage, AC power factor is 1, also required to minimize the current harmonics. However, in related to the twolevel PWM rectifier, the DC side power switch turnoff voltages of threelevel PWM rectifier are the half, so it reduce the power voltage strength, and the increase of the level’s numbers makes the inputside current closer to the sine wave, and at the same switching frequency and control mode, the total current harmonic distortion (THD) is much smaller than the twolevel rectifier. Therefore, this graduatingdesign choose the singlephase threelevel PWM rectifier as research object. First this paper introduces the background, research survey and significance of this research subject, explains the working principle of the PWM rectifier and analyzes its switching modes and topology。 Secondly, on this basis, a system mathematical model of the threelevel rectifier is built, then begin a MATLAB/simulink simulation experiment with the summary of PWM control techniques and the use of voltage and current double closed loop control. Simulation results show that the work of the system consistent with the theoretical analysis, this system not only enables the DC voltage is adjustable within a certain range, but also reduce the rectifier AC side current harmonics to achieve the unity power factor operation.
Key words: threelevel power factor correction MATLAB simulation 主要符號說明 輸入交流電源電壓 網(wǎng)側(cè)電流 交流側(cè)調(diào)制電壓 直流側(cè)輸出電壓 直流側(cè)輸出負載電流 中點箝位電流 直流側(cè)電容C1兩端電壓 直流側(cè)電容C2兩端電壓/ 三電平整流器左/右半橋臂四個開關管/ 三電平整流器8個反并聯(lián)二極管/ 直流側(cè)上下兩個支撐電容 入端電阻 入端電感 直流側(cè)輸出負載電阻 三電平整流電路簡化模型的A相開關 三電平整流電路簡化模型的B相開關目錄摘要 IABSTRACT II主要符號說明 III目錄 IV第一章 緒論 1 三電平整流器的產(chǎn)生背景 1 三電平變換技術(shù)的研究概況及意義 2 三電平PWM整流器的研究方向 3 本畢業(yè)設計主要研究內(nèi)容 4第二章 單相三電平整流器的工作原理及系統(tǒng)分析 5 PWM整流器的工作原理 5 二極管箝位整流器系統(tǒng)拓撲分析 8 開關工作模態(tài)分析 8 主電路拓撲工作分析 13 三電平PWM整流器的數(shù)學建模 15 性能指標 17 17 交流側(cè)性能指標 18第三章 三電平PWM整流器的控制技術(shù) 19 PWM整流器的直流電壓控制 20 PWM整流器的交流電流控制 21 滯環(huán)電流控制 21 定時瞬時值電流控制 22 瞬態(tài)電流控制 23 SPWM控制原理及實現(xiàn) 24 SPWM控制基本原理 24 SPWM的單片機實現(xiàn) 26 PID基本原理及數(shù)字化實現(xiàn) 27第四章 中點電位平衡控制策略 29 中點電位問題的產(chǎn)生原因 29 中點電位平衡控制策略 31第五章 三電平PWM整流器的系統(tǒng)設計及仿真分析 33 MATLAB/simulink仿真系統(tǒng)的設計 33 三電平整流器仿真模型的建立 33 PI控制器設計 35 穩(wěn)態(tài)情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 35 動態(tài)情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 35 負載突增情況 35 負載突減情況 35總結(jié) 35致謝 35參考文獻 35第一章 緒論 三電平整流器的產(chǎn)生背景電力電子技術(shù)自20世紀50年代誕生以來，經(jīng)過半個世紀的飛速發(fā)展，至今已被廣泛應用于需要電能變換的各個領域。正是由于它的飛速發(fā)展，各類電力電子裝置作為重要的電器設備廣泛地應用于各個領域，如：交直流可調(diào)電源、電力供電系統(tǒng)、電氣傳動控制與電化學生產(chǎn)等，而大多數(shù)的電力電子裝置都是通過變流器與電網(wǎng)相連，傳統(tǒng)的相控變流器因其具有電路結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、價格低廉等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場有著廣泛應用。但也存在一些，如：①網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低；②輸入電流諧波成分高的問題。諧波電流在線路上形成的諧波電壓會使電網(wǎng)電壓畸變，影響電壓質(zhì)量，還會使電力系統(tǒng)加大功耗，效率降低，由于渦流和集膚效應，對電機、變壓器、電容器等電器設備也有損害；電網(wǎng)中使用了大量的電感電容，按照設計一般不可能發(fā)生諧振問題，但有可能諧波電流頻率剛好為某個電感電容支路的諧振頻率，這樣會使諧波放大引起連鎖反應，對電網(wǎng)造成巨大的危害。但是在電力電子設備大量在人們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)之前，諧波危害并沒有明確的表現(xiàn)出來，所以我們對諧波的危害也沒有進行過深入的探討。直到20 世紀70年代，電力電子裝置在人們的生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，由諧波引發(fā)的各種事故也越來越多，人們才注意到電力電子裝置不僅帶來了便利，同時也帶來了危害。為有效地控制電網(wǎng)諧波干擾，在1994年3月國家技術(shù)監(jiān)督局頒布了國標GB/T 145491993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，對電力用戶做出了明確的規(guī)定。新的國家標準對傳統(tǒng)的相控變流器提出了更高的要求。而抑制電力諧波的方法主要有兩種，一種是裝設專用的諧波補償裝置，該方法相應地帶來了成本增加的問題；另一種是采用新型的高功率因數(shù)變流器，這是為廣大用戶所普遍接受的。而且隨著工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和人們生活水平的不斷提高，電能供需矛盾日益突出，節(jié)約電量的呼聲日益高漲。因此，研究電機及其所拖動負載的節(jié)能具有特別重要的社會意義和經(jīng)濟效益。電機及其負載節(jié)電的途徑主要有兩大類：一是提高電機或負載的運行效率，如風機、水泵調(diào)速是以提高負載運行效率為目標的節(jié)能措施；二是將負載上的機械能反變換成電能回送電網(wǎng)，使電機和負載在單位時間內(nèi)消耗的電網(wǎng)電能下降，從而達到節(jié)電的目的。針對以上這些問題，本畢業(yè)設計研究的電壓型PWM整流器具有網(wǎng)側(cè)交流電流低諧波、單位功率因數(shù)、直流側(cè)電壓恒定控制以及能量雙向流動等優(yōu)點，不僅可以在單位功率因數(shù)下運行，還可以進行電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了電能的“綠色變換”，很好的解決了傳統(tǒng)意義上的整流電路中存在諧波含量大、功率因數(shù)低和能量不能回饋等問題，因此也使整流器在各種直流電源、變頻調(diào)速系統(tǒng)、可再生能源并網(wǎng)發(fā)電等領域獲得了廣泛應用。 三電平變換技術(shù)的研究概況及意義一般認為，并以其獨特的優(yōu)點受到廣泛的關注和研究。在短短2