【正文】 進(jìn)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(diǎn)電流導(dǎo)致了電容CC2兩端電壓的不平衡，需要在控制中加以補(bǔ)償。 中點(diǎn)電位平衡控制策略 假設(shè)直流側(cè)兩電容大小相等，對(duì)圖三電平主電路中的N點(diǎn)采用基爾霍夫電流定律，可得到t時(shí)刻的流入中位點(diǎn)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(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，可以假設(shè)經(jīng)過(guò)1個(gè)開關(guān)周期后，兩電容上的電壓差能夠達(dá)到給定值，則有式（418）成立： （418）其中，、分別為、的作用時(shí)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(dāng)出現(xiàn)電壓不平衡時(shí)，通過(guò)調(diào)整中的兩個(gè)冗余狀態(tài)量的作用時(shí)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(hào)出現(xiàn)丟失或者錯(cuò)誤導(dǎo)致或大于，作如下修正： 當(dāng)時(shí)，取， 當(dāng)時(shí)，取，第五章 三電平PWM整流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)難以應(yīng)用。這時(shí)往往需要做實(shí)驗(yàn)。但實(shí)驗(yàn)研究有時(shí)是十分困難、昂貴、費(fèi)時(shí)的。而如果在對(duì)裝置的特性不甚了解時(shí)就進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，那么就極容易損壞設(shè)備，造成經(jīng)濟(jì)損失。尤其是在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，損壞設(shè)備的代價(jià)是很昂貴的。計(jì)算機(jī)仿真則是對(duì)實(shí)驗(yàn)的非常有效的補(bǔ)充。計(jì)算機(jī)仿真還具有一些實(shí)驗(yàn)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：除計(jì)算機(jī)外，不需要?jiǎng)e的硬件設(shè)備。一旦仿真程序編制完成就可以無(wú)限的重復(fù)使用。所有的工作是在計(jì)算機(jī)上用軟件完成，對(duì)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(shí)際系統(tǒng)要方便得多。 MATLAB/simulink仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xué)模型和仿真計(jì)算方面常用的標(biāo)準(zhǔn)模塊，能夠簡(jiǎn)化編程工作，以直觀易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行建模描述，因此使得整流器的仿真研究變得簡(jiǎn)單方便。 三電平整流器仿真模型的建立為了驗(yàn)證方法的可行行及正確性，本設(shè)計(jì)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(jì)算調(diào)制信號(hào)Uab的雙閉環(huán)控制圖，電壓外環(huán)采用直流輸出電壓的實(shí)際值與給定值的誤差信號(hào)進(jìn)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(dòng)，電流內(nèi)環(huán)主要使實(shí)際的網(wǎng)側(cè)電流跟蹤給定的，其輸出為調(diào)制信號(hào)，以提高系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；圖53為雙閉環(huán)控制方法計(jì)算出的調(diào)制信號(hào)與三角載波相比較產(chǎn)生的SPWM波的simulink仿真實(shí)現(xiàn)圖，載波取的是相對(duì)于X軸對(duì)稱的雙三角波。 圖52 計(jì)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(jì)系統(tǒng)的PI參數(shù)的獲取是設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一，合適的參數(shù)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)具有較好的動(dòng)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(lái)的，試湊法是通過(guò)模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運(yùn)行情況、觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)的大致影響，反復(fù)試湊參數(shù)。一般在實(shí)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(yīng)，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)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(shí)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(guò)大而且系統(tǒng)振蕩，可以適當(dāng)減小比例，同時(shí)增加積分時(shí)間，通過(guò)類似這樣的調(diào)節(jié)，來(lái)達(dá)到系統(tǒng)良好的控制品質(zhì)。最終通過(guò)反復(fù)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(gè)控制環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本一樣，所以兩個(gè)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(dòng)勢(shì)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(fù)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(fù)載電流不變的情況下，閉環(huán)仿真系統(tǒng)的運(yùn)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(fù)載100和小負(fù)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(dòng)范圍很小，在整流器處于供電狀態(tài)時(shí)，交流側(cè)電流和電壓完全同相。 圖54 大負(fù)載（100）時(shí)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(fù)載（10）時(shí)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(dòng)態(tài)情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖56和57。在負(fù)載突加、突減情況下，系統(tǒng)動(dòng)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(fù)載由50歐姆增加到100歐姆的過(guò)渡過(guò)程，可以看出入端電流和入端電壓是同相位的，；圖58為負(fù)載由200歐姆減小到100歐姆的過(guò)渡過(guò)程。 負(fù)載突增情況 圖56 負(fù)載突增時(shí)（50100）的仿真結(jié)果 （a）直流輸出變化（b）輸入端電流變化 負(fù)載突減情況 圖57 負(fù)載突減時(shí)（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(lái)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(duì)電網(wǎng)的污染。同時(shí)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(yīng)速度快，具有一定的抗負(fù)載波動(dòng)能力。 總結(jié)本論文對(duì)單相三電平PWM整流器進(jìn)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?fù)浣Y(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(guò)對(duì)其數(shù)學(xué)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(diǎn)電位平衡控制問(wèn)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(shí)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(diǎn)電壓平衡的目的。本畢業(yè)設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下：（1） 通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)、文章和書籍對(duì)單相三電平整流器的工作原理、開關(guān)模態(tài)及系統(tǒng)拓?fù)溥M(jìn)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(xué)的數(shù)學(xué)模型，然后運(yùn)用雙閉環(huán)SPWM控制算法在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果包括穩(wěn)態(tài)結(jié)果和動(dòng)態(tài)結(jié)果，即負(fù)載不變和負(fù)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(duì)于三電平整流器電路固有的直流側(cè)電容電壓不平衡問(wèn)題，即中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，研究了一些國(guó)內(nèi)外相關(guān)文章，最終采用了一種中點(diǎn)電位的滯環(huán)控制方法，該方法通過(guò)滯環(huán)比較得出中點(diǎn)電壓偏差，再根據(jù)中點(diǎn)電流方向來(lái)判斷當(dāng)前的PWM組合對(duì)中點(diǎn)電位的作用，將當(dāng)前的PWM組合中可以實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡的組合重新分配使之有利于中點(diǎn)電位的平衡，并通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)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(fù)雜，但在理論分析和試驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，本研究驗(yàn)證了前者所具有后者沒(méi)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(dá)到節(jié)能的目的。因此，三電平PWM整流器真正實(shí)現(xiàn)了電力電子裝置的“綠色電能變換”，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并在UPS、EPS、交流傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一。參考文獻(xiàn)[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(jī)械工業(yè)出版社 2009[3] 李正軍 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M] 機(jī)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(yīng)用技術(shù)[M] 機(jī)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(diǎn)平衡控制策略研究[J] 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) [6] 鄒仁 四象限變流器瞬態(tài)電流控制的仿真研究[J] 機(jī)車電傳動(dòng) [7] 王瑩 對(duì)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(jī)車單相電壓型PWM整流器研究[D][碩士學(xué)位論文] 武漢：華中科技大學(xué) [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(diǎn)電位控制及其實(shí)現(xiàn)方法[J] 電力電子與電力傳動(dòng) 2007[11] 王秀利，潘燕，馮江華，蔣靜坪 網(wǎng)側(cè)變流器系統(tǒng)建模及半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)[J] 機(jī)車電傳動(dòng) [12] 徐明 有源電力濾波器瞬時(shí)值比較控制策略的研究[D][碩士學(xué)位論文] 重慶大學(xué) [13] 謝望玉，陳春陽(yáng)，宋文勝，孫鵬飛，趙元哲 單相三電平PWM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)[J] 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 [14] 張紅 電力機(jī)車輔助變流器PWM整流器的控制研究[D][碩士學(xué)位論文] 北京交通大學(xué) [15] 張興，張崇巍 PWM可逆變流器空間電壓矢量控制技術(shù)的研究[J] 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) [16] 宋文勝，馮曉云，蔣威 一種單相三電平中點(diǎn)鉗位整流器的SVPWM控制方法[J] 電工技術(shù)學(xué)報(bào) [17] 竇真蘭，張同莊，凌禹 三電平NPC整流器空問(wèn)矢量脈寬調(diào)制及中點(diǎn)電位平衡控制[J] 電力自動(dòng)化設(shè)備 [18] 劉志敏，宋文勝，馮曉云，趙小皓 一種單相三電平高功率因數(shù)PWM整流器的研究與仿真[J] 通信電源技術(shù) [19] 劉志敏，馮曉云，宋文勝，王利軍 單相三電平PWM整流器主電路統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型的研究[J] 機(jī)車電傳動(dòng) [20] 宋文勝，馮曉云，劉志敏 單相PWM整流器的特定諧波改善控制方法[J] 變流技術(shù) 2008[21] 黃群，李方正 單相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J] 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào) [22] 王瑩 單相三電平四象限PWM整流器的建模與仿真[D][碩士學(xué)位論文] 華東交通大學(xué) [23] 馮曉云，宋文勝 單相三電平整流器的SVPWM與中點(diǎn)電位控制方法[J] 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào) [24] 景巍，譚國(guó)俊，趙張飛，葉宗彬 三電平PWM整流器的研究[J] 電力電子技術(shù) [25] 侯慶亮 三電平PWM整流器控制方法研究[D][碩士學(xué)位論文] 北方工業(yè)大學(xué) [26] 溫春雪，張利宏，李建林，許洪華 三電平PWM整流器用于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[J] 高電壓技術(shù) [27] 張東升,張東來(lái),王陶 三電平整流器的PFC及中點(diǎn)平衡控制方法[J] 電工技術(shù)學(xué)報(bào) [28] 朱俊杰, 周凱 雙閉環(huán)PWM整流器的SIMULINK建模與仿真[J] 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 2005[29] 蔡政英，鄒云屏 一款單相三電平整流電源研究[J] 兵工學(xué)報(bào) [30] 吳瑤敏 單相三電平功率因數(shù)校正電路的研究[D][