【正文】 進一步，得 （414）其中，k為積分常數(shù)，根據(jù)電壓差確定，通常不為0。因此，中點電流導致了電容CC2兩端電壓的不平衡，需要在控制中加以補償。 中點電位平衡控制策略 假設(shè)直流側(cè)兩電容大小相等，對圖三電平主電路中的N點采用基爾霍夫電流定律，可得到t時刻的流入中位點的電流如下： （415） 其中，由主電路可知，有下式成立： （416） 聯(lián)立式（415）和（416）可得 （417）為了消除中點電位不平衡問題，可以假設(shè)經(jīng)過1個開關(guān)周期后，兩電容上的電壓差能夠達到給定值，則有式（418）成立： （418）其中，、分別為、的作用時間，滿足式（419）： （419）聯(lián)立式（418）和（419）可得 （420） （421）在開關(guān)周期內(nèi)，兩電容誤差的變化量可定義為 （422） 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，兩電容誤差的變化量必須滿足以下控制率： （423） 由于與交流側(cè)電流的方向和大小存在一定的關(guān)系，在本文中，兩電容上的誤差的指令值定義為 （424） 將式（424）分別代入式（420）和（421）中，可得 （425） （426） 其中 1， （427） 1， 當出現(xiàn)電壓不平衡時，通過調(diào)整中的兩個冗余狀態(tài)量的作用時間就可以平衡兩電容上的電壓，為了防止傳感器和A/D采樣輸出的和信號出現(xiàn)丟失或者錯誤導致或大于，作如下修正： 當時，取， 當時，取，第五章 三電平PWM整流器的系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析由于電力電子設(shè)備的高度非線性，理論分析方法有時難以應用。這時往往需要做實驗。但實驗研究有時是十分困難、昂貴、費時的。而如果在對裝置的特性不甚了解時就進行實驗，那么就極容易損壞設(shè)備，造成經(jīng)濟損失。尤其是在大功率應用場合，損壞設(shè)備的代價是很昂貴的。計算機仿真則是對實驗的非常有效的補充。計算機仿真還具有一些實驗所無法比擬的優(yōu)點：除計算機外，不需要別的硬件設(shè)備。一旦仿真程序編制完成就可以無限的重復使用。所有的工作是在計算機上用軟件完成，對各種情況和各種控制方式的仿真只需修改程序或程序中的有關(guān)參數(shù)，這比改變實際系統(tǒng)要方便得多。 MATLAB/simulink仿真系統(tǒng)的設(shè)計本畢業(yè)設(shè)計仿真基于MATLAB/simulink環(huán)境，simulink仿真環(huán)境不僅提供了方便高效的圖形化建模方式，而且還提供了很多數(shù)學模型和仿真計算方面常用的標準模塊，能夠簡化編程工作，以直觀易用的圖形方式對電氣系統(tǒng)進行建模描述，因此使得整流器的仿真研究變得簡單方便。 三電平整流器仿真模型的建立為了驗證方法的可行行及正確性，本設(shè)計搭建了單相三電平PWM整流器系統(tǒng)仿真模型。如圖51至5 4所示，它主要包括電源模塊、單相三電平整流橋模塊、雙閉環(huán)控制模塊，其中控制回路主要由SPWM生成模塊模塊以及PI控制器組成。 圖51 MATLAB仿真主電路模型 圖52為計算調(diào)制信號Uab的雙閉環(huán)控制圖，電壓外環(huán)采用直流輸出電壓的實際值與給定值的誤差信號進行PI調(diào)節(jié)，用于保證直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定，并減少直流電壓的波動，電流內(nèi)環(huán)主要使實際的網(wǎng)側(cè)電流跟蹤給定的，其輸出為調(diào)制信號，以提高系統(tǒng)對負載變化的動態(tài)響應；圖53為雙閉環(huán)控制方法計算出的調(diào)制信號與三角載波相比較產(chǎn)生的SPWM波的simulink仿真實現(xiàn)圖，載波取的是相對于X軸對稱的雙三角波。 圖52 計算調(diào)制波的simulink仿真模塊 圖53 生成SPWM的simulink仿真模塊 PI控制器設(shè)計系統(tǒng)的PI參數(shù)的獲取是設(shè)計的主要任務之一，合適的參數(shù)會使整個系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性，并滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。本系統(tǒng)仿真的PI參數(shù)主要是采用試湊法得來的，試湊法是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運行情況、觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)的響應的大致影響，反復試湊參數(shù)。一般在實踐中總結(jié)的規(guī)律是，增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差；積分時間的增大有利于減小超調(diào)，減小振蕩，但穩(wěn)態(tài)誤差的消除將隨之減慢。掌握了上述規(guī)律就方便了系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)。比如，在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)過大而且系統(tǒng)振蕩，可以適當減小比例，同時增加積分時間，通過類似這樣的調(diào)節(jié)，來達到系統(tǒng)良好的控制品質(zhì)。最終通過反復試湊得出電壓外環(huán)PI控制的參數(shù)為：=10，=25；由于電流內(nèi)環(huán)的兩個控制環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本一樣，所以兩個PI參數(shù)也取值一樣，具體值為：=，=1。系統(tǒng)其它的仿真參數(shù)如下：交流側(cè)電動勢為頻率為50HZ、幅值220V的電壓源，電感值為2mH，直流側(cè)電容為4700uF，直流母線電壓給定為400v，功率模塊選用的是MOSFET，MOSFET的開關(guān)頻率為10kHz，負載R可變。 穩(wěn)態(tài)情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果分析穩(wěn)態(tài)情況意思是在負載電流不變的情況下，閉環(huán)仿真系統(tǒng)的運行狀態(tài)。圖55和56分別為為整流器系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果（大負載100和小負載10兩種情況）。直流電壓均穩(wěn)定在500V附近，中間電壓穩(wěn)態(tài)波動范圍很小，在整流器處于供電狀態(tài)時，交流側(cè)電流和電壓完全同相。 圖54 大負載（100）時的仿真結(jié)果（a）直流側(cè)電壓波形 (b)輸入端電壓電流波形 (c) 交流側(cè)橋臂輸入電壓波形圖55 小負載（10）時的仿真結(jié)果（a）直流側(cè)電壓波形 (b)輸入端電壓電流波形 (c)交流側(cè)橋臂輸入電壓波形 動態(tài)情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 動態(tài)仿真實驗結(jié)果如圖56和57。在負載突加、突減情況下，系統(tǒng)動態(tài)性能較好，網(wǎng)側(cè)電流仍然接近正弦。其中圖56為三電平整流器直流側(cè)負載由50歐姆增加到100歐姆的過渡過程，可以看出入端電流和入端電壓是同相位的，；圖58為負載由200歐姆減小到100歐姆的過渡過程。 負載突增情況 圖56 負載突增時（50100）的仿真結(jié)果 （a）直流輸出變化（b）輸入端電流變化 負載突減情況 圖57 負載突減時（200100）的仿真結(jié)果 （a）直流輸出變化（b）輸入端電流變化最終從仿真的結(jié)果來看，本文采用的PWM整流器控制策略能夠很好地控制網(wǎng)側(cè)電流，使其諧波含量少，功率因數(shù)近似為1，大大減小了對電網(wǎng)的污染。同時這種方法有效的控制了直流母線的電壓，使直流母線電壓波紋很小，響應速度快，具有一定的抗負載波動能力。 總結(jié)本論文對單相三電平PWM整流器進行了較為系統(tǒng)的研究，根據(jù)單相三電平PWM整流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，闡述了單相PWM整流器的基本工作原理，介紹了二極管箝位型三電平整流器的開關(guān)工作模態(tài)。通過對其數(shù)學模型的分析建立，采用雙閉環(huán)SPWM的控制策略，分析本論文所采用的SPWM方法和中點電位平衡控制問題，并利用MATLAB/Simulink建立了仿真模型，仿真結(jié)果表明理論分析正確，實現(xiàn)了三電平整流器的直流側(cè)輸出電壓恒定、輸入電流低諧波、單位功率因數(shù)、直流側(cè)中點電壓平衡的目的。本畢業(yè)設(shè)計研究內(nèi)容總結(jié)如下：（1） 通過查閱大量的文獻、文章和書籍對單相三電平整流器的工作原理、開關(guān)模態(tài)及系統(tǒng)拓撲進行了分析，在此基礎(chǔ)上建立了二極管箝位型主電路數(shù)學的數(shù)學模型，然后運用雙閉環(huán)SPWM控制算法在MATLAB/Simulink中進行仿真實驗。仿真結(jié)果包括穩(wěn)態(tài)結(jié)果和動態(tài)結(jié)果，即負載不變和負載突變的入端電流和直流側(cè)電壓的變化情況，仿真結(jié)果比較滿意。（2） 對于三電平整流器電路固有的直流側(cè)電容電壓不平衡問題，即中點電位不平衡問題，研究了一些國內(nèi)外相關(guān)文章，最終采用了一種中點電位的滯環(huán)控制方法，該方法通過滯環(huán)比較得出中點電壓偏差，再根據(jù)中點電流方向來判斷當前的PWM組合對中點電位的作用，將當前的PWM組合中可以實現(xiàn)中點電位平衡的組合重新分配使之有利于中點電位的平衡，并通過MATLAB仿真驗證了此控制方法的有效性。（3）盡管三電平PWM整流器電路比傳統(tǒng)的兩電平電路雖然主電路結(jié)構(gòu)和控制均較為復雜，但在理論分析和試驗結(jié)論的基礎(chǔ)上，本研究驗證了前者所具有后者沒有的優(yōu)越性能，三電平整流器可以有效的減少電網(wǎng)的諧波污染，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，并能夠達到節(jié)能的目的。因此，三電平PWM整流器真正實現(xiàn)了電力電子裝置的“綠色電能變換”，受到了學術(shù)界的廣泛關(guān)注，并在UPS、EPS、交流傳動、風力發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛的應用，成為當前電力電子領(lǐng)域研究的熱點課題之一。參考文獻[1] 張崇魏，張興 PWM整流器及其控制[M] 北京：高等教育出版社 2003[2] 王兆安，黃俊 電力電子技術(shù)[M] 機械工業(yè)出版社 2009[3] 李正軍 計算機控制系統(tǒng)[M] 機械工業(yè)出版社 2008[4] 何湘寧，陳阿蓮 多電平變換器的理論和應用技術(shù)[M] 機械工業(yè)出版社 [5] 王小峰，鄧焰，何湘寧 三相三電平二極管箝位型整流器的單載波調(diào)制和中點平衡控制策略研究[J] 中國電機工程學報 [6] 鄒仁 四象限變流器瞬態(tài)電流控制的仿真研究[J] 機車電傳動 [7] 王瑩 對三電平整流器主電路建模的研究[J] 船電技術(shù) 2006[8] 徐騰 電力機車單相電壓型PWM整流器研究[D][碩士學位論文] 武漢：華中科技大學 [9] 尹發(fā)根 電流滯環(huán)比較PWM控制方法探析[J] 高新技術(shù) 2009[10] 宋文勝，馮曉云 一種單相三電平NPC整流器中點電位控制及其實現(xiàn)方法[J] 電力電子與電力傳動 2007[11] 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