【文章內(nèi)容簡介】 飛 速發(fā)展，至今已被廣泛應用于需要電能變換的各個領(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備廣泛地應用于各個領(lǐng)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 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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)域獲得了廣泛應用。 三電平變換技術(shù)的研究概況及意義 一般認為，現(xiàn)在通稱的 多電平變換器的概念 是 在 1980 年的 IAS 年會上提出 來的 ， 并 以其獨特的優(yōu)點受到廣泛的關(guān)注和研究。 在短短 20 多年的時間里，已經(jīng)形成了三類基本拓撲及一系列改進拓撲。與此相對應，多種多電平變換器的調(diào)制方法也被提出和研究。在拓撲方面，改進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，改進的主要方向是輸出波形性能的優(yōu)化和 算法的簡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撲，無論對功率器件還是控制電路的要求都較高。因此直到 20世紀 80年代末，隨著 GTO、 IGBT、 IGCT等一系列大功率可控開關(guān)器件技術(shù)的進步，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用才有了迅猛的發(fā)展 。 相對于國內(nèi)在這方面起步比較晚， 國外對單相 三電平整流器的研究較多，不僅在電路拓撲，還有基于不同 PWM控制算法以及軟開關(guān)技術(shù)上的實驗研究，如對基于開關(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撲結(jié)構(gòu)就是將其移值到中點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)和控制均較為復雜，但也具有后者所沒有的優(yōu)越性，即： (1)開關(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、大容量功率應用場合； (2)在同樣的開關(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，即使在開關(guān)頻率很低時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，因為電平數(shù)的增加，du/dt 應力大為減小，在高壓大電動機驅(qū)動中，有效防止電動機轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿，同時改善了裝置的 EMI 特性； 同時，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，從而真正實現(xiàn)了電力電子 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 3 裝置的“綠色電能變換”，因此受到了學術(shù)界的廣泛關(guān)注，并開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)的應用領(lǐng)域也從最初的 DCAC變換，如大功率電動機驅(qū)動；拓展到 ACDC變換，如電力系統(tǒng)無功補償和 ACDCAC變換，如超導儲能；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，因為其優(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等大功率開關(guān)器件的耐壓水平進一步提高，這種結(jié)構(gòu)能完全滿足傳動控制方面的要求。因此，本文所述的二極管箝位型三電平整流器將會更加廣泛地應用于高電壓、大容量電力傳動系統(tǒng)中。 三電平 PWM 整流器的研究方向 三電平 PWM整流器主要應用在于中高壓大功率場合，其控制目標包括以下三個方面：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，以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)；第二，控制直流輸出電壓達到設定值；第三，控制直流電容電壓平衡。因此，除了需要對兩電平 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 PWM整流器控制等問題進行研究之外，還需要對三電平 PWM整流器的數(shù)學模型，中點電位平衡控制問題進行研究。 （ 1）三電平 PWM整流器的建模 通過建立三電平 PWM整流器的數(shù)學模型，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計和中點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系下的開關(guān)模型，以及在直流側(cè)電容電壓 21 uu? 假設條件下的模型簡化方面 [3135]。其中， 等人在文獻 [38]中 詳細推導了以每相開關(guān)函數(shù) iS ),( cbai? 作為控制輸入的 abc 和 ??? 坐標系下的三電平 PWM整流器開關(guān)模型，該模型清晰的表明了中點電位波動對于整流器輸入電流和輸出電壓動態(tài)性能的影響，但由于該模型中包含開關(guān)函數(shù)的非線性項 (平方項 )，因此很難由該開關(guān)模型開發(fā)出有效的平均模型用于整體控制系統(tǒng)的分析和設計。為了實現(xiàn)三電平 PWM整流器的控制目標，針對各種調(diào)制方式的系 統(tǒng)平均模型的研究還并不深入。 （ 2）中點電位平衡控制方法的研究 三電平 NPC整流器的中點電位波動會引起直流側(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題，當直流電容電壓嚴重不平衡時還會損壞功率器件。 解決中點電位波動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）設置專門的中點電位控制電路 [36]；（ 3）開發(fā)有效的中點電位平衡控制方法[3740]。盡管采用方法（ 1）和方法（ 2）可以減小和抑制中點電位的波動，但是從成 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 4 本和體積的角度考慮有時是不允許的。因此，目前這方面的研究工作 主要集中在針對各種 PWM 調(diào)制方法，開發(fā)有效的中點電位平衡控制技術(shù)等方面。 本畢業(yè)設計主要研究內(nèi)容 本設計在廣泛查閱國內(nèi)外有關(guān) PWM 整流器研究資料和基于 MATLAB 仿真實驗的基礎(chǔ)上，對二極管箝位型三電平 PWM 整流電路進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 整流器為研究對象，分析了三電平 PWM 整流器的工作和控制原理，進行了系統(tǒng)的 MATLAB 仿真。首先，本設計緒論介紹了課題的產(chǎn)生背景、國內(nèi)外研究概況意義以及目前一段時間內(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)，并對二極管箝位型拓撲結(jié)構(gòu)進行了基本數(shù)學建模和系統(tǒng)分析，為輸入電流和輸出電壓控制器的設計和中點電位平衡控制方法的研究打下基礎(chǔ)；然后，針對單相三電平整流器主電路設計，提出了一種解決中點電位平衡問題的方法，并給出了其相應的控制原理示意圖；最后進行了基于MATLAB/SIMULINK 的仿真，仿真結(jié)果說明了系統(tǒng)的工作情況與理論分析相符合，驗證了電壓電流雙閉環(huán) SPWM 控制的正確性和實用性。 安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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)展來看，整流器是較早應用的一種 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，雖應用時間較長，技術(shù)也較成熟，且被廣泛應用，但仍存在以下問題： （ 1） 晶閘管換相引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變； （ 2） 網(wǎng)側(cè)諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”； （ 3） 深控時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低； （ 4） 閉環(huán)控制時動態(tài)響應相對較慢。 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。針對上述不足， PWM 整流器已對傳統(tǒng)的相控及二極管整流器進行了全面改進。其關(guān)鍵性的改進在于用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(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） 較快的動態(tài)控制響應； 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，當 PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當