【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 飛 速發(fā)展，至今已被廣泛應(yīng)用于需要電能變換的各個(gè)領(lǐng)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(shè)備廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如：交直流可調(diào)電源、電力供電系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)控制與電化學(xué)生產(chǎn)等，而大多數(shù)的電力電子裝置都是通過(guò)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(jiǎn)單、技術(shù)成熟、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有著廣泛應(yīng)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(wèn)題。 諧波電流在線路上形成的諧波電壓會(huì)使電網(wǎng)電壓畸變，影響電壓質(zhì)量，還會(huì)使電力系統(tǒng)加大功耗，效率降低，由于渦流和集膚效應(yīng)，對(duì)電 機(jī)、變壓器、電容器等電器設(shè)備也有損害；電網(wǎng)中使用了大量的電感電容，按照設(shè)計(jì)一般不可能發(fā)生諧振問(wèn)題，但有可能諧波電流頻率剛好為某個(gè)電感電容支路的諧振頻率，這樣會(huì)使諧波放大引起連鎖反應(yīng)，對(duì)電網(wǎng)造成巨大的危害。 但是在電力電子設(shè)備大量在人們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)之前，諧波危害并沒(méi)有明確的表現(xiàn)出來(lái)，所以我們對(duì)諧波的危害也沒(méi)有進(jìn)行過(guò)深入的探討。直到 20 世紀(jì) 70年代，電力電子裝置在人們的生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，由諧波引發(fā)的各種事故也越來(lái)越多，人們才注意到電力電子裝置不僅帶來(lái)了便利，同時(shí)也帶來(lái)了危害。 為有效地控制電網(wǎng)諧 波干擾，在 1994年 3月國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒布了國(guó)標(biāo) GB/T 145491993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，對(duì)電力用戶做出了明確的規(guī)定。新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(shè)專用的諧波補(bǔ)償裝置，該方法相應(yīng)地帶來(lái)了成本增加的問(wèn)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(kuò)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(jī)及其所拖動(dòng)負(fù)載的節(jié)能具有特別重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì) 效益。電機(jī)及其負(fù)載節(jié)電的途徑主要有兩大類：一是提高電機(jī)或負(fù)載的運(yùn)行效率，如風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速是以提高負(fù)載運(yùn)行效率為目標(biāo)的節(jié)能措施；二是將負(fù)載上的機(jī)械能反變換成電能回送電網(wǎng)，使電機(jī)和負(fù)載在單位時(shí)間內(nèi)消耗的電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)電的目的。 針對(duì)以上這些問(wèn)題，本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dòng) 等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以在單位功率因數(shù)下運(yùn)行，還可以進(jìn)行電網(wǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)，實(shí)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(wèn) 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 2 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(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。 三電平變換技術(shù)的研究概況及意義 一般認(rèn)為，現(xiàn)在通稱的 多電平變換器的概念 是 在 1980 年的 IAS 年會(huì)上提出 來(lái)的 ， 并 以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和研究。 在短短 20 多年的時(shí)間里，已經(jīng)形成了三類基本拓?fù)浼耙幌盗懈倪M(jìn)拓?fù)?。與此相對(duì)應(yīng)，多種多電平變換器的調(diào)制方法也被提出和研究。在拓?fù)浞矫妫倪M(jìn)的主要方向是減少器件數(shù)量，解決電容電壓的不平衡等；在調(diào)制方面，改進(jìn)的主要方向是輸出波形性能的優(yōu)化和 算法的簡(jiǎn)化及算法的通用性等。 但是，在多電平變換器概念提出的最初幾年，它并沒(méi)有受到更多的關(guān)注，其主要原因在于多電平變換器特殊的電路拓?fù)?，無(wú)論對(duì)功率器件還是控制電路的要求都較高。因此直到 20世紀(jì) 80年代末，隨著 GTO、 IGBT、 IGCT等一系列大功率可控開(kāi)關(guān)器件技術(shù)的進(jìn)步，以及以 DSP為代表的高精度高速控制芯片的迅速普及，促進(jìn)了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以脈寬調(diào)制 (PWM)控制為基礎(chǔ)的各類變流裝置，關(guān)于多電平變換器的研究和應(yīng)用才有了迅猛的發(fā)展 。 相對(duì)于國(guó)內(nèi)在這方面起步比較晚， 國(guó)外對(duì)單相 三電平整流器的研究較多，不僅在電路拓?fù)?，還有基于不同 PWM控制算法以及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)上的實(shí)驗(yàn)研究，如對(duì)基于開(kāi)關(guān)邏輯控制算法的四象限 H橋型單相三電平整流器的研究等。本文所采用的整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是將其移值到中點(diǎn)箝位式型三電平整流器中。 三電平電路比傳統(tǒng)的兩電平電路雖然主電路結(jié)構(gòu)和控制均較為復(fù)雜，但也具有后者所沒(méi)有的優(yōu)越性，即： (1)開(kāi)關(guān)管承受的關(guān)斷電壓降為直流側(cè)電壓一半，因此適用于高壓、大容量功率應(yīng)用場(chǎng)合； (2)在同樣的開(kāi)關(guān)頻率及控制方式下，三電平整流器輸出電壓或電流的諧波均小于二電平整流器，它的總的諧波失真 THD也要小于二電平整流器。 (3)由于電平數(shù)的增加，改善了輸出電壓波形，即使在開(kāi)關(guān)頻率很低時(shí)也能保證一定的正弦度。 （ 4）在相同的直流母線電壓條件下，較之兩電平變換器，因?yàn)殡娖綌?shù)的增加，du/dt 應(yīng)力大為減小，在高壓大電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，有效防止電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿，同時(shí)改善了裝置的 EMI 特性； 同時(shí)，由于 PWM整流器能夠抑制諧波和提高功率因數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)，而且能量可以雙向傳輸，輸出直流電壓紋波較小，克服了二極管不控整流電路和晶閘管相控整流電路的很多缺點(diǎn)，從而真正實(shí)現(xiàn)了電力電子 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 3 裝置的“綠色電能變換”，因此受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并開(kāi)展了大量的研究工作。目前， PWM整流技術(shù)已成為解決電網(wǎng)諧波污染、無(wú)功功率損耗，節(jié)約能源領(lǐng)域中重要的發(fā)展方向之一，而三電平 PWM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的 DCAC變換，如大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；拓展到 ACDC變換，如電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和 ACDCAC變換，如超導(dǎo)儲(chǔ)能；再到近期的 DCDC變換，如高壓直流變換、多電平 PFC等。 其中，二極管箝位型三電平整流器，因?yàn)槠鋬?yōu)于二電平整流器的特性及優(yōu)秀的變流性能及可靠性，成為目前最具潛力的研究方向。隨著 GTO、 IGBT、 IGCT等大功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓水平進(jìn)一步提高，這種結(jié)構(gòu)能完全滿足傳動(dòng)控制方面的要求。因此，本文所述的二極管箝位型三電平整流器將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用于高電壓、大容量電力傳動(dòng)系統(tǒng)中。 三電平 PWM 整流器的研究方向 三電平 PWM整流器主要應(yīng)用在于中高壓大功率場(chǎng)合，其控制目標(biāo)包括以下三個(gè)方面：第一，控制三相正弦輸入電流的相位與電網(wǎng)電壓的相位相同，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)；第二，控制直流輸出電壓達(dá)到設(shè)定值；第三，控制直流電容電壓平衡。因此，除了需要對(duì)兩電平 PWM整流器研究中所涉及的輸入電流和輸出電壓控制以 及電網(wǎng)電壓不平衡時(shí) PWM整流器控制等問(wèn)題進(jìn)行研究之外，還需要對(duì)三電平 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，中點(diǎn)電位平衡控制問(wèn)題進(jìn)行研究。 （ 1）三電平 PWM整流器的建模 通過(guò)建立三電平 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，能夠深入揭示系統(tǒng)的非線性本質(zhì)，為輸入電流和輸出電壓控制器的設(shè)計(jì)和中點(diǎn)電位平衡控制方法的研究打下基礎(chǔ)。有關(guān)系統(tǒng)建模的研究工作，目前主要集中在建立各種坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)模型，以及在直流側(cè)電容電壓 21 uu? 假設(shè)條件下的模型簡(jiǎn)化方面 [3135]。其中， 等人在文獻(xiàn) [38]中 詳細(xì)推導(dǎo)了以每相開(kāi)關(guān)函數(shù) iS ),( cbai? 作為控制輸入的 abc 和 ??? 坐標(biāo)系下的三電平 PWM整流器開(kāi)關(guān)模型，該模型清晰的表明了中點(diǎn)電位波動(dòng)對(duì)于整流器輸入電流和輸出電壓動(dòng)態(tài)性能的影響，但由于該模型中包含開(kāi)關(guān)函數(shù)的非線性項(xiàng) (平方項(xiàng) )，因此很難由該開(kāi)關(guān)模型開(kāi)發(fā)出有效的平均模型用于整體控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)三電平 PWM整流器的控制目標(biāo)，針對(duì)各種調(diào)制方式的系 統(tǒng)平均模型的研究還并不深入。 （ 2）中點(diǎn)電位平衡控制方法的研究 三電平 NPC整流器的中點(diǎn)電位波動(dòng)會(huì)引起直流側(cè)輸出電壓和網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波增加，系統(tǒng)性能下降以及可靠性變差等問(wèn)題，當(dāng)直流電容電壓嚴(yán)重不平衡時(shí)還會(huì)損壞功率器件。 解決中點(diǎn)電位波動(dòng)的手段主要有以下三種：（ 1）增加直流側(cè)濾波電容的容量；（ 2）設(shè)置專門的中點(diǎn)電位控制電路 [36]；（ 3）開(kāi)發(fā)有效的中點(diǎn)電位平衡控制方法[3740]。盡管采用方法（ 1）和方法（ 2）可以減小和抑制中點(diǎn)電位的波動(dòng)，但是從成 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 4 本和體積的角度考慮有時(shí)是不允許的。因此，目前這方面的研究工作 主要集中在針對(duì)各種 PWM 調(diào)制方法，開(kāi)發(fā)有效的中點(diǎn)電位平衡控制技術(shù)等方面。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān) PWM 整流器研究資料和基于 MATLAB 仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)二極管箝位型三電平 PWM 整流電路進(jìn)行了較為深入的研究。主要內(nèi)容如下： 以單相三電平電壓型 PWM 整流器為研究對(duì)象，分析了三電平 PWM 整流器的工作和控制原理，進(jìn)行了系統(tǒng)的 MATLAB 仿真。首先，本設(shè)計(jì)緒論介紹了課題的產(chǎn)生背景、國(guó)內(nèi)外研究概況意義以及目前一段時(shí)間內(nèi)的研究方向；其次，論文詳盡地闡述了 PWM 整流器 的工作原理、控制技術(shù)，并對(duì)二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了基本數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)分析，為輸入電流和輸出電壓控制器的設(shè)計(jì)和中點(diǎn)電位平衡控制方法的研究打下基礎(chǔ)；然后，針對(duì)單相三電平整流器主電路設(shè)計(jì)，提出了一種解決中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題的方法，并給出了其相應(yīng)的控制原理示意圖；最后進(jìn)行了基于MATLAB/SIMULINK 的仿真，仿真結(jié)果說(shuō)明了系統(tǒng)的工作情況與理論分析相符合，驗(yàn)證了電壓電流雙閉環(huán) SPWM 控制的正確性和實(shí)用性。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 5 第二章 單相三電平整流器的工作原理及系統(tǒng)分析 PWM 整流器的工作原理 從電力電子技術(shù)發(fā)展來(lái)看，整流器是較早應(yīng)用的一種 AC/DC 變換裝置。整流器的發(fā)展經(jīng)歷了由不控整流器（二極管整流）、相控整流器（晶閘管整流）到 PWM 整流的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的相控整流器，雖應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)也較成熟，且被廣泛應(yīng)用，但仍存在以下問(wèn)題： （ 1） 晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變； （ 2） 網(wǎng)側(cè)諧波電流對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”； （ 3） 深控時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低； （ 4） 閉環(huán)控制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢。 雖然二極管整流器，改善了整流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，但仍會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)諧波電流而“污染”電網(wǎng)；另外二極管整流器的不足之處還在于 其直流電壓的不可控性。針對(duì)上述不足， PWM 整流器已對(duì)傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進(jìn)行了全面改進(jìn)。其關(guān)鍵性的改進(jìn)在于用全控型功率開(kāi)關(guān)管取代了半控型功率開(kāi)關(guān)管或二極管，以 PWM 斬控整流取代了相控整流或不控整流。因此， PWM 整流器可以取得以下優(yōu)良性能： （ 1） 網(wǎng)側(cè)電流為正弦波； （ 2） 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制（如單位功率因數(shù)控制）； （ 3） 電能雙向傳輸； （ 4） 較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)； 顯然， PWM 整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的 AC/DC 變換器。由于電能的雙向流動(dòng)，當(dāng) PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí)，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)；而當(dāng)