【導(dǎo)讀】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，月國家技術(shù)監(jiān)督局頒布了國標(biāo)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。應(yīng)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。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。要遠(yuǎn)小于兩電平PWM整流器。以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；其次，在此基礎(chǔ)上，建立了三電平整流器的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)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

　　

【正文】 S3 開通，交流側(cè)輸入電壓 0?abu ，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路 si 的大小隨主電路電壓 su 的變化而增加或減??； ++ab1bS3b21aS4a3a2bS4 osu12u1u2C LRRL++ab1bS3b21a4a3a2bS4 oss12u1u2C LRRL 0?si 0?si 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 11 狀態(tài) 6（ 0,1） 開關(guān)管 aS2 、 aS3 、 bS3 、 bS4 開通，輸入交流側(cè)電壓 2uuab? ，正向（或反向）電流對電容 2C 充電（或放電），電容 1C 通過負(fù)載電流放電； ++abaS1bS3bS2bS1aS4a3aS2bS4 osusi1C2u1u2C LRRL ++aba1bS3bS2bS1a4a3a2bS4 osusi1C2u1u2C LRRL 0?si 0?si 狀態(tài) 7（ 1,1） 開關(guān)管 aS3 、 aS4 、 bS1 、 bS2 開通， 21 uuuab ??? ，正向（或反向）電流對電容 1C 及 2C 被充電（或放電），由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加； ++aba1bS32b1aS4 aS32bS4 osusi 12u12C LRRL 狀態(tài) 8（ 1,0） 開關(guān)管 aS3 、 aS4 、 bS2 、 bS3 開通，交流側(cè)電壓為 2uuab ?? ，正向（或反向 ）電流對電容 2C 充電（或放電），電容 1C 通過負(fù)載電流放電； ++abaS1bS3b2b1aS4a3aS2bS4 osusi1C2u1u2C LRRL++abaS1bS32b1a4a3aS2bS4 osusi12u12C LRRL 0?si 0?si 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 12 狀態(tài) 9（ 1， 1） 開關(guān)管 aS3 、 aS4 、 bS3 、 bS4 開通，輸入端電壓為 0?abu ，升壓電感電壓等于 su ，兩個電容 1C 及 2C 均通過負(fù)載電流放電，電流 si 根據(jù) su 的變化而增加（或減小）； ++abaS1bS3bS2bS1aS4 aS3aS2bS4 osusi 1C2u1u2C LRRL 由上述分析可知，三電平整流電路總共有 9種工作模態(tài)態(tài)，為了使結(jié)構(gòu)更加清晰，也為后續(xù)主電路建模的需要，對電路進(jìn)行相應(yīng)的簡化，簡化后的結(jié)構(gòu)圖如圖 24所示。 AS BS1abUsi 11001 gi LR1i2i1C2C1u 2u dURLsU di 圖 2 4 三電平整流器開關(guān)等效圖 并且，定義理想開關(guān) AS 和 BS 如下： 1， S1a 和 S2a 導(dǎo)通 1， S1a 和 S2a 導(dǎo)通 AS = 0， S2a 和 S3a 導(dǎo)通 BS = 0， S2a 和 S3a 導(dǎo)通 1， S3a 和 S4a 導(dǎo)通 1， S3a 和 S4a 導(dǎo)通 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 13 主電路拓?fù)涔ぷ鞣治? 對于 圖 23 所示的三電平整流器主電路簡化為圖 24 所示的 電路， 電網(wǎng)電壓和電流的基波分量有下面的向量方程式： ??? ??? sabS iRLjuu )( ? (22) 其中 ?su 、 ?si 分別為電網(wǎng)電壓和交流側(cè)電流相量 (即入端電感中的電流 )， ?abu 玩為橋臂交流側(cè) PWM 波 abu 的基波分量。由此可知，在電網(wǎng)電壓一定的情況下， si 的幅值和相位僅由 輸入端電壓基波 ?su 的幅值及其與電網(wǎng)電壓的相位差所決定，改變 ?su 的幅值和相位就可以使 su 和 si 的相位差為所需要的任意角度。圖 25 中的向量圖清晰地說明了這一點。 SuSabuRuL SuSiabu RLu （ a）整流運行 （ b）逆變運行 SuSi abRuL SuSi abRuL （ c） SVG 運行 （ d）電流超前電壓運行 圖 25 四象限變流器的向量圖 圖 25(a)中 ?abU 滯后 ?sU 的相角為 ? ， ?sI 和 ?sU 完全同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為 1，這是四象限整流器的基本工作狀態(tài)。圖 25(b)中 ?abU 超前 ?sU 的相角為 ? ， ?sI 和 ?sU 相位正好相反，電路工作在逆變狀態(tài)，即實現(xiàn)了能量的反饋，且功率因數(shù)為 l。圖 25(c)中 ?abU 滯后 ?sU 的相角為 ? ， ?sI 超前 ?sU 90 度，電路向交流電網(wǎng)送出無功功率，這時四象限交流器相當(dāng)于一個無功功率發(fā)生器 (SVG)。圖 25(d)中通過對 ?abU 的幅值和相位控制，可以使 ?sI 比 ?sU 超前或滯后任意角度。 下面我們來介紹一下整流器二次濾波電路、入端電感、直流側(cè)電容的作用。 對于理想的單相 PWM 整流器，可以假定它從交流電網(wǎng)吸取與網(wǎng)壓同相位的正弦電流，即輸入端為： tUtu ss ?sin2)( ? tIti ss ?sin2)( ? 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 14 在理想的情況下，可以認(rèn)為所有的元件均無損耗，則瞬時輸入功率 )t(sP 應(yīng)等于瞬時輸出功率 )(tPd ，即 )2c o s1(s i n2)()()( 2 tIUtIUtitutP ssSssss ?? ???? (23) )()()( tutitP ddd ?? 從上式可以看出，電網(wǎng)的輸入功率 )t(sP 是以 2倍于電網(wǎng)的頻率波動的，對于 PWM整流 器來說，其輸出電壓是恒定的，即： dd Utu ?)( ，且滿足 sd UU 2? ，因此其輸出電流為： tU IUU IUU tIUtu tutiti d ssd ssdssd ssd ?? 2c o s)2c o s1()( )()()( ????? (24) tII dd ?2co sm a xm a x ?? 其中，dssd UIUI ?max ?？梢姡敵鲭娏魍β室粯右泊嬖谝粋€ 2 倍網(wǎng)頻的脈動分量。因此，要得到平直的輸出電流，就需要接入一個濾波器，我們選擇了在整流器直流側(cè)與負(fù)載之間接入一個由電感和電容組成的濾波器。 對二次輸出端直流電容，較大的電容能對直流側(cè)輸出電壓紋波能起到較好的抑制作用，但過大的電容也影響電路動態(tài)響應(yīng)速度。 整流器直流側(cè)電容主要作用如下： (1)緩沖三電平整流器交流側(cè)與直流負(fù)載間的能量交換，且穩(wěn)定整流器直流側(cè)電壓； (2)抑制直流側(cè)諧波電壓。 在 PWM 整流器中，輸入濾波電感是一個關(guān)鍵性的元件， 它是 PWM 整流器升壓的基礎(chǔ)，因而，電感值選取的合適與否直接影響電路的工作性能。輸入端電感的大小一方面決定了輸入電路中紋波的大小，較大的電感意味著電路品質(zhì)因數(shù)的增加和電源電流諧波成分的減小，但大的電感也使電路動態(tài)響應(yīng)過程變慢；另一方面也影響著實際電流的跟蹤速度，此參數(shù)的選擇直接影響系統(tǒng)的工作性能。整流器交流側(cè)電感的作用歸結(jié)如下： (1)隔離電網(wǎng)電壓與整流器交流側(cè)電壓； (2)濾除整流器交流側(cè) PWM 諧波電流，從而實現(xiàn)整流器交流側(cè)正弦波電流或一定頻帶范圍內(nèi)的任意電流波形控制； (3)使整流器具有 Boost PWM AC/DC 變換性能； (4)使整流器獲得良好電流波形的同時，還可向電網(wǎng)傳輸無功功率，甚至實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)純電感、純電容運行特性； (5)使整流器控制系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 15 行。 三電平 PWM 整流器的數(shù)學(xué)建模 前面的分析是建立在電容電壓平衡基礎(chǔ)上的，而實際通常情況下 2只電容電壓并不相等。假沒電容 C C2上的電壓分別為 1u 、 2u 。由圖 24等效電路可知：當(dāng) AS =1時， ANu = 1u ；當(dāng) AS =0時， ANu =0；當(dāng) AS = 1? 時， ANu = 2u? 。同理當(dāng) BS =l時， BNu = 1u ；當(dāng) BS =0時， BNu =0；當(dāng) BS = 1? 時， BNu = 2u? 。 則可以推出： 21 2 )1(2 )1( uSSuSSu AAAAAN ???? (25) 21 2 )1(2 )1( uSSuSSu BBBBBN ???? (26) 式 (25)、式 (26)想減，得 21 ]2 )1(2 )1([]2 )1(2 )1([ uSSSSuSSSSu BBAABBAAAB ???????? (27) 假設(shè)開關(guān)管為理想模型，在換相過程中沒有功率損耗和能量儲存，則交流側(cè)和直流側(cè)的瞬時功率應(yīng)相等。即 2211 iuiuiu sAB ????? (