（电力电子与电力传动专业论文）pwm整流器控制策略研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t a st h ec o n v e r t o ro ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ei na cs i d e ，r e c t i f i e ri so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t sf o rt h ew h o l et r a c t i o na n dd r i v es y s t e m i tb r i n g s h a r m o n i c sp o l l u t i o nt ot h ep o w e rs y s t e mw h e na d o p t i n gt h et r a d i t i o n a lr e c t i f i e r s w h i c hu s e dd i o d e so rt h y r i s t o r s b u ti tc o u l dg a i nh i g h e rp o w e rf a c t o r , l o w e r h a r m o n i cd i s t o r t i o no ft h el i n ec u r r e n ta n db i - d i r e c t i o nt r a n s m i s s i o no fe n e r g y w h e nw eu s ep w m r e c t i f i e r , s oi th a sab r i g h tf u t u r ei nt h ea r e ao fe l e c t r i c l o c o m o t i v e t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dw o r kp a t t e r n so ft w ol e v e lr e c t i f i e ri sa n a l y z e di n t h i sp a p e r t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dm a t h e m a t i cm o d e la r es e tu pb yd e f i n i n gt h e i d e a ls w i t c hf u n c t i o n a si th a sb e t t e rc o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h et r a n s i e n tc u r r e n t c o n t r o ls t r a t e g ya n dp r e d i c t e dc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g y , t h et w os t r a t e g i e si ss t a t e d i nd e t a i li nt h i sp a p e r t h ed u p l i c a t er e c t i f i e rc a nr e d u c et h eh a r m o n i cd i s t o r t i o n a n de x p a n dc a p a c i t y ，s oi t sc o n t r o ls t r a t e g yi sr e s e a r c h e d c o m p a r e dt ot h et w o - l e v e lp w mr e c t i f i e r , t h r e e - l e v e lp w mr e c t i f i e rc a n r e d u c et h ev o l t a g es t r e s so ft h em a i ns w i t c h e sa n dd e c r e a s eh a r m o n i cd i s t o r t i o no f t h el i n ec u r r e n t i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n di t se q u i v a l e n tc i r c u i ta r e i l l u s t r a t e do ft h es i n g l e p h a s ep w mr e c t i f i e rw i t hd i o d e - c l a m p e dt o p o l o g y s e v e r a ln o v e lr e c t i f i e r sa r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h eg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e li s b u i l tb yd e f i n i n ge a c hs w i t c hf u n c t i o n t r a n s i e n tc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns p w m a n ds v p w ma r es t u d i e d i no r d e rt os o l v et h ei n h e r i t e dp r o b l e mo fu n b a l a n c ef o r n e u t r a l p o i n tv o l t a g e ，an e wm e t h o di sp r o p o s e d b a s e do nt h ea n a l y s eo ft h e o r y , s i m u l a t i o nm o d e l sa r eb u i l ta n dr e s u l t sa r e g i v e n d u et o t h ec l o s er e l a t i o nb e t w e e nt h e r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n d p a r a m e t e r so fs y s t e m ，t h ew a yo fd e v i s i n gs i n g l e p h a s ev o l t a g es o u r c ep w m r e c t i f i e r sm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n dt h er e f e r r e n c ee x p r e s s i o n so fp a r a m e t e r s t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fr e c t i f i e ri sb u i l t ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h e c o r r e n t n e s so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：p w mr e c t i f i e r , s w i t c hf u n c t i o n ，d u p l i c a t er e c t i f i e r , b a l a n c ec o n t r o lo ft h ev o l t a g e ，s v p w m 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密曰，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：毒3 走数 指导老师签名：握嘭乞以嘭乞 日期；2 洲昱s f日期：z 讲r 占 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 论文对单相三电平p w m 整流器的各种拓扑进行了数学建 模，并将各种拓扑归一于两个等效开关电路及一个统一的数学模 型。 ( 2 ) 在分析三电平n p c 整流器中点电位不平衡产生原因的基 础上，引入了一种较为简单的脉冲转换实现方法，可以有效的平 衡两直流侧电容上的电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 国内高速铁路的快速发展 随着我国经济的不断发展，铁路交通运输水平已经成为滞后经济发展的 一个重要因素。在此背景下，铁道部提出按照“全面引进技术，联合设计生 产，打造中国品牌 的原则，引进国外先进、成熟、经济、适用、可靠的时 速2 0 0 公里动车组的设计和制造技术，满足我国铁路客运专线和既有线提速 旅客运输的要求，实现我国铁路动车组制造业的现代化。铁道部组织有关铁 路局通过招标采购，先后与长春轨道客车股份有限公司、四方庞巴迪鲍 尔铁路运输设备有限公司( b s p ) 和南车四方机车车辆股份有限公司签订了 6 0 列、2 0 列和6 0 列，共计1 4 0 列时速2 0 0 公里动车组的采购合同。时速2 5 0 公里以及3 0 0 公里的高速动车组也成为我国引进的对象。因此，消化吸收动 车组电气传动系统的关键技术对于加速高速动车组国产化进程十分重要。 2 0 0 6 年8 月，根据铁道部的总体部署，我国动车组技术引进消化吸收再创新 重点项目正式启动。 脉冲整流器作为动车组的电源侧变流器，是整个交流异步电机牵引传动 系统的重要组成部分。它的结构形式及控制方式，对于提高电网功率因数、 降低电网电流谐波含量、稳定中间直流回路电压以及保证电机侧电压型逆变 器的正常工作有着决定性的影响，故成为引进消化吸收再创新项目的研究重 点。 1 1 2 谐波污染的抑制 电力电子技术的发展，功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电 子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制( p w m ) 控制为基础的各类 变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这 些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装 置很大一部分需要整流环节以获得直流电压。常规整流环节广泛采用二极管 整流电路或晶闸管相控整流电路。晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 压，其滞后角随着触发延迟角的增大而增大。同时，输入电流中谐波分量较 大，因此总的功率因数很低。二极管整流电路输入电流的基波分量相位与电 源电压相位基本相同，因而基波功率因数接近1 。但其输入电流的谐波分量 却很大，也使总的功率因数很低n 圳。对于电气化铁路来说，传统的整流电 路会造成很多危害： 1 交流侧输入端电流波形畸变严重，深度相控下交流侧功率因数较低， 谐波污染大，对电网的污染严重。在使用相控整流器的机车中，功率因数甚 至可能降低到0 7 左右。因此，在相同的有效输出功率的前提下，电源侧及 接触网中的损耗将显著提高。 2 移相之类的控制方法产生一系列高次谐波，不仅影响直接接在电源上 的其他用户，对铁路运输来说，也将使毗邻的信号和无线电通信系统受到干 扰，影响相邻机车的安全运行。 3 直流侧输出电压纹波较大，输出侧需要较大的平波电抗器和滤波电容 以滤除纹波。这导致装置的体积和重量增大，增加了设备成本，损耗也相应 上升。 4 相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统动态 响应慢。 5 由于器件结构的单向性，能量只能单向流动，使系统不能运行在再生 状态下，其动态性能受到限制。再生制动有节约能源、减少闸瓦磨损的优点， 但由于谐波污染大而得不到使用。一方面国家严重电力不足，另一方面是可 利用的能量不能回收，造成浪费。 现在，谐波污染随着非线性负载的数量和容量的增加而不断恶化；电力 电子装置产生大量的谐波和无功功率也严重影响了它本身的发展与应用；另 外电力系统、用户对电能质量的要求越来越高。因此，消除谐波污染并提高 功率因数，改善电网质量，提高电能传输和使用效率，已成为现代电力电子 技术中一个具有重要现实意义的课题。 为了保证电网和用电设备的安全经济运行，不少国家和国际学术组织都 制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定，其中较有影响的是 i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 制定的i e e e 5 1 9 - 1 9 9 2 和i e c ( 国际电工委 员会) 制定的i e c 5 5 5 2 口1 。我国也先后与1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 谐波的规定和电能质量公用电网谐波标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 埔刮。随着 这些规范逐渐被采用，功率因数和谐波含量成为电力电子设计人员必须考虑 的问题。 对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，解决谐波污染和功率因数问 题的基本思路有两个嘲：一是装设无源或者有源滤波装置，以补偿其谐波和 无功功率，各种类型的电力电子谐波源都可以采用此办法补偿。二是对电力 电子装置本身进行改进，使其不产生谐波或很少产生谐波，功率因数甚至可 控制为1 。也就是开发输入电流为正弦、谐波含量低且功率因数接近1 的新 型整流器，称为单位功率因数整流器，高功率因数整流器可近似看成为单位 功率因数整流器，在某种意义上说，这是一种更为积极的方法。可以实现单 位功率因数整流器的电路结构主要有以下几类： 1 多重化整流电路：多重化技术n 2 1 是减少谐波的一种传统方法，它是 将几个桥式整流电路多重联结，采用移相控制策略。即将多个方波进行移相 叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多， 波形越接近正弦波，当然电路结构也越复杂。因此这种方法一般只用于大容 量场合。多重化技术如果和p w m 技术相配合，可获得更为理想的结果n 3 1 。 2 有源功率因数校正电路( a p f c ) ：a p f c n 刀是在负载的整流电路与输 出电容之间增加一级功率变换电路，将输入电流校正成与输入电压同相位的 正弦波，使功率因数提高到近似为1 ，而且具有稳定的直流输出电压。 3 p w m 整流电路n 8 啦3 ：它是从直流斩波电路和逆变电路中发展起来的，把 逆变电路中的s p w m 技术用于整流电路，就形成了p w i v l 整流电路。通过对p w m 整 流电路的适当控制，可以使输入电流非常接近正弦波，且与电压同相位，功 率因数近似为1 ，还可以实现能量的双向流动。这种整流电路可以称为单位功 率因数整流器。根据直流侧储能元件的不同，p w m 整流器可分为电压型和电流 型两种。 4 矩阵式变频器】：它属于直接变换器，即不通过中间直流环节，直接 把一种频率的交流电变成另一种频率的交流电。采用全控型器件和斩控方式， 控制输入电流为正弦波且与电压同相，输出电压也为正弦波，输出频率不受 电网频率限制，功率因数为1 ，也可控制为需要的功率因数，能量可双向流动， 适用于交流电机的四象限运行。但要求较高频率的双向丌关，电路复杂，控 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 制也相对复杂。 由上所述，p w m 整流器在几乎不增加任何硬件的情况下就可获得高功率 因数，低谐波污染以及能量的双向流动，因而成为现代电力电子领域的一大 研究热点。而在需要再生制动的交流电动机调速装置中，可以采用电压型双 p w m 变频电路。电压型p w m 逆变电路在变频调速中已经获得了非常广泛的应 用，这种电路的直流电源通常是由带电容滤波的二极管整流电路获得的。把 二极管整流电路用p w m 整流电路取代，就构成双p w l d 变频电路。与采用二极 管整流电路的变频电路相比，双p w m 变频电路有以下突出的优点西1 ： 1 可以方便地实现再生制动，实现牵引工况、再生制动工况之间的快速平 滑转换，满足机车牵引和制动要求。这样既节省了用来吸收回馈能量的笨重 电阻负载，又能把能量回馈到电网，提高了能量利用率。 2 当p w m 整流电路运行在整流状态( 牵引) 或逆变状态( 再生制动) 时，交 流输入端电流均非常接近正弦波，有效的降低了高次谐波含量，改善了对牵 引电网的影响。 3 在牵引或制动工况下，交流输入电流和电压可保持同相位或反相位， 电网功率因数接近于1 ； 4 具有良好的稳压能力，当负载或网压变化时，能维持中间直流电压恒 定，保证电机侧电压型逆变器的正常工作。 与采用二极管整流电路的变频电路相比，这种电路的缺点是成本较高， 控制也较复杂。但是在需要频繁可逆、快速制动的场合，上述优点就显得十 分宝贵。因此p w m 整流电路很适合机车牵引传动应用场合。 1 2p w m 整流器的发展现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器一直是学术界关注和研究的热点。 经过几十年的研究与发展，p w m 整流器技术已经日趋成熟。主电路已从早期 半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；主电路拓扑从单相、三相电 路发展到多相组合及多电平结构；p w m 开关控制已由单纯的硬开关调制发展 到软开关调制；功率等级也已从千瓦级发展到兆瓦级。 在中大功率场合特别是需要能量双向流动的场合中，p w m 整流电路具有 非常广泛的应用前景。i g b t 等新型电力半导体开关器件的出现和p w m 控制技 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 术的发展，极大的促进了p w m 整流电路的发展，电压型、电流型这两种主电 路拓扑在工业领域都取得了成功的应用。 目前，p 删整流器的研究主要集中在以下几个方面n 引： 1 主电路拓扑结构研究 就p w m 整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类，其中电压型 p 1 】| m 整流器应用较广。对于不同的功率等级以及不同的用途，整流器拓扑结构 研究的侧重点不同。在小功率场合，p w m 整流器拓扑结构的研究集中在减少功 率开关和改进直流输出性能上。对于大功率p i 明v i 整流器，其拓扑结构的研究主 要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上，也有针对特定问题对基本 拓扑结构作改进的研究。 按照对输出波形的改善方式，可分为两电平p 1 】| m 整流器、多重叠加p w m 整流器、多电平p i l 1 v i 整流器。两电平电路拓扑结构比较简单，但为了获得大 功率只能依靠器件的串并联来实现，这将会带来开关器件的静态均压、动态 均压、均流等一系列问题，电路可靠性不高，且由于输出只有两个电平，电 压波动大，谐波含量高，电磁干扰问题严重。为避免上述问题，对电路拓扑 进行改造，使得在当前开关器件的耐压水平下获得更高的电压输出，提出了 多电平电路拓扑防捌。1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 最早提出了一种形式的三电 平电路，后来由日本学者a n a b a e 加以发展，于2 0 世纪8 0 年代提出了二极 管箝位三电平逆变方案，并逐渐应用到整流领域。随后出现了各种不同的主 电路结构，如电容箝位p 1 】| m 整流器、开关管箝位p w m 整流器以及级联型p 1 】i m 整流器等。p w m 整流器的多重化技术就是将正弦脉宽调制技术与整流器的多 重化相结合，通过变压器耦合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并 联的方式组合，然后利用p w m 技术中的波形生成方式和多重化技术中的移相 叠加得到阶梯波，改善输出波形，而且重数越多，对波形的改善效果越好。 2 电压型p w m 整流器的电流控制 为了使电压型p 1 j l m 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策 略的研究显得十分重要。主要分为两类：一类是由j w d i x o n h 和b t o o i 提出的间接电流控制策略口7 l ，实际上就是所谓的“幅相电流控制 ，即通过 控制整流器的输入端电压，使其和网侧电压保持一定的幅值和相位，进而间 接控制其网侧电流。该控制比较简单，一般无需电流反馈控制，但是网侧电 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 流的动态响应慢，对系统参数变化灵敏，动态过程中电流存在直流偏置，因 而常用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单的场合，己逐步被直接电 流控制策略取代。直接电流控制啪1 以快速电流反馈控制为特征，可以获得较 高品质的电流响应，成为现在研究的热点，先后出现了不同的控制方案，主 要包括以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制陬矧，以及以固定开关频率为 特征，采用三角波调制方式的瞬态电流控制口妇和预测电流控制口羽等。为了提 高电压利用率并减少谐波，基于空间矢量的p v b ! 控制n 3 1 在电压型p 嘲整流器 中取得了广泛的应用。目前，电压型p 1 i m 整流器网侧电流控制有将固定开关 频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需要 快速电流响应场合获得优越的性能。 除此之外，根据现代控制理论还提出很多其它优化控制，如滑模变结构 控制1 、模糊控制嘲1 等，对算法进行优化，均能在不增加电路复杂度的条件 下提高输出动态响应速度，并确保输入电流畸变在规定范围内，得到接近1 的功率因数，而且不需要复杂的系统辨识，可根据某一优化性能指标设计控 制系统，提高系统性能。另外对于电网不平衡条件下的p 1 】| m 整流器控制汹1 也 是研究的热点之一。 1 3 本文所做工作 本文以铁道部重点攻关项目“列车牵引与网络控制 子项目课题为背景， 在广泛查阅和分析国内外专家学者对p w m 整流器研究的基础上，以机车所采 用的两电平、三电平电压型p i 聊v l 整流器拓扑为载体，围绕p 1 j l m 整流器系统建 模、主电路拓扑结构、系统控制策略等方面展开了研究。具体所做工作如下 所述： 1 在查阅了文献和资料的基础上，对课题的研究背景、p w m 整流器的发 展现状、p 1 l f l v i 整流器的主要研究方向等方面进行了阐述。 2 论文第二章分析了两电平、三电平电压型p w m 整流器的工作原理，介 绍了几种不同电路结构的三电平整流器，通过定义各自的开关函数，建立了 其统一数学模型。建立了电路的数学模型，为后面的分析提供了理论基础。 3 论文第三章详细分析了p w m 整流器瞬态电流控制、预测电流控制等电 流控制策略，并研究了p w m 整流器的不同调制方式。对p 1 】i r m 整流器的二重化 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 进行了研究i 以达到扩容和减小谐波的目的。引入了一个电压平衡环节以解 决三电平整流器固有的的中点电位平衡问题。针对传统三电平s p l | l v l 控制算法 复杂、不利于数字化实现的缺点，研究了一种新型的基于空间电压矢量 ( s v p w m ) 的控制算法。 4 建立了p w m 整流器的仿真模型，对不同的电流控制策略和调试策略进 行了仿真，模拟整流器从牵引工况到再生制动工况转换过程，以研究系统的 动态响应性能。对整流器直流侧二次滤波环节的功能进行仿真分析，以验证 理论分析的正确性。 5 对主电路主要性能参数进行了设计，并以d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ) 为平 台，搭建两电平、三电平p w m 整流器物理实验平台，制作出小容量p 1 】l m 整流 器样机进行实验研究。 6 对本文工作进行了总结，同时，指出了对于本课题需要进一步研究的 方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章单相电压型p w m 整流器的原理与数学建模 我国引进的时速2 0 0 公里动力分散型交流传动动车组中，c r h l 、c r h 5 动车组主电路均采用了两电平全桥整流电路。为了降低开关管的电压应力和 改善p w m 整流器网侧输出波形，c r h 2 动车组采用了二极管箝位三电平p w m 整流器电路结构。下面主要对这两种电路拓扑的工作原理及数学模型进行分 析和研究。 2 1 两电平整流器原理与数学模型 单相电压型两电平p w m 整流器主电路如图2 一l 所示，网侧漏感三起 传递和储存能量，抑制高次谐波的作用；支撑电容c d 起抑制高次谐波，减少 直流电压纹波的作用；电感，和电容c ，形成串联谐振电路，用于滤除电网 的2 次谐波分量。把开关器件( 这里采用i g b t ) 视为理想开关元件，定义理 想开关函数s 。和s b ，从而得到如图2 - 2 所示简化等效电路。 跏器茹，臻 d 小品鬣嚣 ( 2 - 1 b ) 图2 - 1 两电平p 删整流器主电路图2 - 2 两电平p 嘲整流器等效电路 由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通，则s 。与s ：。、s 玷与s 拍不能同时 导通和关断，驱动信号应该互补。p w m 整流器网侧输入端电压“。取值有u 出、 0 、一u 出三种电平，有效的开关组合有2 2 = 4 种，即s 。s b = 0 0 、0 1 、1 0 、1 1 四种逻辑，则p w m 整流器输入端电压“。有如下关系： 4 曲= ( s 一一s 曰) 甜出 ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 则由式( 2 2 ) ，系统的瞬时等值电路如图2 3 所示： l nr n 图2 3 瞬时等值电路 由图2 3 可见，通过不同的控制方法适当调节u 。的大小和相位，就能控 制输入电流的相位以控制系统功率因数；同时控制输入电流的大小以控制传 入功率变换的能量，也就控制了直流侧输出电压。因此，通常采用电压外环 和电流内环相结合的双闭环控制方式。 此等值电路的电压矢量平衡方程为： h = k 警+ 氐k + “曲 ( 2 - 3 ) 对应予四个开关的不同工作状态，电路共有以下三种工作模式： 工作模式1 ：s 。s 矗= 0 0 或n ，即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通，则 此时u 曲= 0 ，电容q 向负载供电，直流电压通过负载形成回路释放能量，直 流电压下降，因此，为了保证直流侧电压的稳定，工作模式1 的导通时间比 较短，这也是在空间电压矢量调制中，两个零矢量的作用时间要比其他六个 矢量的作用时间短的原因。另一方面，网侧电压m 两端电压直接加在电感l 上，对电感充、放电。此时对应的电压矢量平衡方程如下( 忽略等效电阻 的影响) ： ； “一“半 ( 2 - 4 ) a t 工作模式2 ：l s b = 0 1 ，等效电路如图2 - 4 ( a ) 所示，n u 口6t u 如。u r 0 ， 储存在电感中的能量向负载r ，和电容c 。释放，电感电流i 下降，一方面给 电容充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波电流通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 电容形成低阻抗回路；另一方面给负载提供恒定的电流。 量平衡方程如下： l n d 口i - - 笪f n l h 一“如 此时对应的电压矢 ( 2 - 6 ) ( a ) s j t s 口2 0 1 时的等效电路 ( b ) s 彳s 口= 1 0 时的等效电路 图2 4 不同开关模式下的等效电路 在任意时刻，p w m 整流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下，在 不同的时区，通过对上述3 种开关模式的切换，保持直流侧负载电压的稳定 和负载电流乇的双向流动，也即实现能量的双向流通。由图2 - 1 所示主电路 结构可知，网侧串入一电感元件形成b o o s t 电路的拓扑结构，使得直流侧输 出电压大于网侧电压峰值。 假设开关管为理想模型，在换相过程中没有功率损失和能量储存，则交 流侧与直流侧瞬时功率应当相等。即： u b i ；u d c i o( 2 7 ) 又由式( 2 - - 5 ) ：u 曲1 ( s 4 - s 丑沁出 可得： i o 一( s 月一s 口) f ( 2 - 8 ) 又由等效电路的拓扑结构可得： k 鲁凡吨 q 爹屯一p 功 l ：鲁列出州。： c ：警吐 将式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) ，得式( 2 1 0 ) 所示两电平p w m 整流器的主电路数学模型，其中h 。：为二次滤波电容c ：上的电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 三电平整流器原理 百d i , v f f iu m - i j v r l v - ( s _ 一s 矗) z l 出 q 爹邓_ 也肛 三：等刚出叫。2 c ：誓l f 2 三电平二极管箝位p w m 整流器拓扑如图2 5 所示，它采用8 个功率开关 器件( 这里采用i g b t ) 构成两组对称的桥臂。每一桥臂有4 个开关管，其 中直接连到正负直流母线上的2 个开关管称之为主开关管，中间的2 个开关 管称之为辅助开关管。两组桥臂各带2 个箝位二极管，以防止电容c ，或c 。因 开关操作而发生直通。直流侧支撑电容由2 个同样的电容串联组成，这样就 可以提供一个中性点，连接到中性点上的2 个箝位二极管可以把p w m 整流器 的电压箝位到中性点电位，因此该整流器也称为中点箝位p w m 整流器( n p c ) 。 其中，为网侧漏感，尺为网侧等效电阻，其大小可以忽略，r ：为负载电 阻。 图2 - 5 三电平二极管箝位p w m 整流器拓扑 为了便于分析电路，首先根据开关管不同的工作状态，定义电路的三种 工作状态：1 态、0 态、一1 态( 假设两电容上的电压相等) ，以左半桥为例： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( a ) 1 态( b ) 0 态 ( c ) 一1 态 图2 - 6 三电平二极管箝位p e g 整流器左半桥工作状态 由前面假设两只电容上的电压相等，0 p u p d = “伽= 如2 。则1 态时，s k 、 s ：。导通，s ，。、s 。截止。当电流如为正值时，电流从a 点流经d ：。、d 1 口 到输出端；当如为负值时，电流从输出端流经s k 、s ：。到a 点。因此，无 论为何值，均有h 。= “肋= 出2 。 同理，在o 态时，s 2 。、s 3 。导通，s k 、s 。截止，有u 。= o ； 在- 1 态时，s 3 4 、s 4 。导通，s k 、s 2 。截止，有u 。= “肋= 一“出2 。 右半桥臂工作原理类似。 定义理想开关函数s ，、s 日如下： f 1 s 1 。和s 2 。导通 邑一 0s 2 。和s 3 。导通 ( 2 一l l a ) 卜1s 3 。和s 钿导通 f 1 & 和s 2 6 导通 & - 0s 拍和导通 ( 2 1 1 b ) l _ 1s 弘和s 4 6 导通 根据式( 2 1 1 ) 口- i 将主电路等效为图2 7 所示开关等效电路。 图2 7 三电平二极管箝位p w m 整流器开关等效电路图 如 p g卜q n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 由开关等效电路可知，每组桥臂可以等效为一个开关，该开关具有1 、0 、 1 三种等效状态，两组桥臂有3 2 = 9 种开关组合，主电路有9 种工作模式。开 关状态及相应的电压值如表2 1 所示。 工作模式0 ：( e ，s 口) = ( 1 ，1 ) ，开关管s - 。，s 轴，s - “，s 孙导通，整流器交流 侧被短路，网侧输入电压“曲等于0 ，电容c 1 、c 2 通过直流侧负载放电，网 侧电流f 的大小随网侧电压“的变化而增大或减小。 工作模式1 - ( s ，s 口) = ( 1 ，o ) ，开关管s 。，s 缸，s 孙，s 孙导通，网侧输入电 压“曲等于 。，网侧漏感电压等于“一u 。电容c l 上的电压被正向( 或反向) 电流充电( 或放电) ，电容c 2 通过直流侧负载放电。如u 大于( 或小于) “， f 将增加( 或减小) 。 工作模式2 ：( 邑，s s ) = ( 1 ，- 1 ) ，开关管s t 。，s 五，s 曲，s 曲导通，网侧输入 电压“曲等于“出，电容c l 及c 2 充电( 或放电) ，由于网侧漏感电压反向，电流 f 逐渐减小。 工作模式3 ：( 邑，s 曰) = ( 0 ，1 ) ，开关管s 缸，s 轴，s t - ，s 抽导通，网侧输入电 压“曲等于一u 。，网侧漏感电压等于+ “。电容c 1 被正向( 或反向) 电流充电 ( 或放电) 。电容c ，通过负载电流放电。如u 大于( 或小于) 一比。，f 将增加 ( 或减小) 。 工作模式4 ：( 邑，s 口) = ( o ，o ) ，开关管s 孙，s 轴，s 抽，s 孙导通，输入端电压 u 曲为0 ，电容c 1 、巴通过直流侧负载放电，网侧电流0 的大小随网侧电压 的变化而增加或减小。 工作模式5 ：( e ，s 口) = ( 0 ，- 1 ) ，开关管s z a ，s 强，s s “，s t “导通，网侧输入 电压为“，正向( 或反向) 电流对电容c 2 充电( 或放电) ，电容c 1 通过负载放电。 如u 大于( 或小于) u ：，f 将增加( 或减小) 。 工作模式6 ：( 邑，& ) = ( - 1 ，1 ) ，开关管s 黯，s 钿，s 帅s z s 导通，u 。等于- - u 出， 正向( 或反向) 电流对两个电容c 1 、c ：充电( 或放电) ，由于网侧漏感电压正向， 网侧电流将逐渐增加。 工作模式7 ：( ，s b ) = ( - - 1 ，0 ) ，开关管s 轴，s 铀，s z “，s 。“导通，网侧输入 电压h 。为一u ，正向( 或反向) 电流对电容c 充电( 或放电) ，电容c 】通过负 载放电。如u 大于( 或小于) 一“：，f 将增加( 或减小) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 工作模式8 ： ( 黾，s 口) = ( - - 1 ，- 1 ) ，开关管s 钿，瓯，s 曲，s 4 b 导通，输入 端电压为0 ，网侧漏感电压等于“，两个电容c 1 、c z 均通过负载电流放电。 电流根据电压的变化而增加( 或减小) 。 表2 - 1p 删整流器的工作状态 s l 口s 2 口s 3 口 s 4 口s u ,s 2 bs 3 b$ 4 bs4 s r u u b o u a bm o d e llo ollo ol1 u iu 10o llo 0 o11o1 o u 1o h i 1 1lo o o o11ll u 1u 2 u i - - i - u 2 2 o1lo11 o oo10 h iu 13 oll0 011ooo o 00 4 o1l0oo l10- 1o u 2u 2 5 o o111l0 o1l u 2 u 1一u 1 - u 2 6 o ol lol10- lo u 2 o - u 27 o 01lo ol1一l 1 一u 2一u 2 o 8 根据开关函数的定义，口点对中点0 的电压u a o 可以用左桥臂开关函数 s _ 结合输出侧直流电压表示，即z ；粤“如 ( 2 1 2 ) 当s 一2 1 ，0 ，一1 时，u 。= + “如2 、0 、一u 出2 。 。 同理，b 点对中点d 的电压一导“如 ( 2 1 3 ) 则网侧输入电压可表示为： 一比一“幻一半如 (14)uab u 2 - 1 4 ) 墨比一“幻昌二l 产 如 ( 吼 驴等( 1 1 倒 弦 根据只、s b 的不同组合， “曲可以得到五个不同的电平：“如、+ h 出2 、 0 、 一“如2 、一u 出。u 曲波形如图2 - 8 所示： t _ 一 m “ 一 _ 1 l j l 三电流器“。6 波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 根据以上的原理分析可知，三电平p 1 j i m 整流器与两电平p 1 i m 整流器相比， 具有很多优点： 1 每个功率开关器件所承受的电压峰值只有两电平p w m 整流器的一半， 降低了功率开关管的电压应力，较好的解决了开关器件耐压不够高的问题。 2 在相同的开关频率及控制方式下，由于电平数的增加，三电平p w m 整 流器的网侧电流波形比两电平中的正弦性要好，且电平数越多，电流越接近 正弦，可以获得更好的频谱特性和动态性能。 3 输出电压为5 个电平的阶梯波，相对于两电平的3 个电平，输出波形 阶梯增多，各级间的幅值变化降低，可更加接近正弦波；电压脉动小，降低 了输出电压的跳变，减小对负载和本身的损害；输出电压谐波含量减少，对 外围电路的干扰减小。 但是这种三电平结构也有它固有的不足之处： 1 因为不同管子的开关时间不同，器件所需额定电流不同。 2 电容均压问题：这是制约其应用的最大障碍之一。直流侧电容由于一 个周期内电流的流入和流出可能不同，使某些电容总在放电，而另一部分总 在充电，使得电容电压不均衡，对整个系统工作不利。 3 需要较多的箝位二极管 2 3 三电平整流器拓扑变换 图2 5 所示电路是多电平整流器中最基本的电路，该电路是从a k i r a n a b a e 教授中点箝位逆变器电路啡3 直接导出的，可以视为三电平整流器的母 电路。但是使用的开关器件数量较多，且控制比较复杂。为了减少三电平整 流器的开关数量，目前已有多种电路结构，主要可归结为以下几种基本类型： 二极管箝位型、电容箝位型、级联型。其他一些新型拓扑都可由这三类最基 本的拓扑演化而来。 为以后分析方便，提出以下假设： 1 ) 假定所有开关是理想开关，因此不考虑参数非线性带来的影响； 2 ) 假定所有开关均只有开通或关断两种状态，不考虑过渡时间影响； 3 ) 整流器中点为0 电平，比其高的直流电平为l 电平，低者为一1 电平； 4 ) 假定主电路电阻、电容、电感均为理想元件，电容电压平衡； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 5 ) 两只桥臂电平数相同为双多电平桥，反之为混合多电平桥： 2 3 1 双多电平桥拓扑变换 图2 - 9 所示的是电容箝位三电平整流器口7 1 ，它采用8 个主开关管和2 个 快速电容，每个开关管所承受的电压为直流侧电压的一半，快速电容承受的 电压为直流侧电压的一半。 图2 - 9 电容箝位p w m 整流器 定义其开关函数邑、s 口如下： f 1 s , 和s 2 s a 一 0s 矿s 2 导通或s l 、s 2 4 导通 i - 1s 1 口和s 2 。导通 f 1s 3 和s 。导通 s 丑。 os 3 6 、s 。导通或s 3 、s 。6 导通 卜1s 3 6 和s 。6 导通 ( 2 1 6 a ) ( 2 1 6 b ) 它的优点是省去了大量的箝位二极管；开关方式灵活；对功率器件保护 能力较强，既能控制有功功率又能控制无功功率。缺点是需要大量箝位电容， 系统控制复杂，存在直流分压电容电压不平衡问题。 图2 1 0 所示电路是基于传统两电平全桥整流器的三电平开关管箝位整流 器b 引，电路采用4 个开关管，s 。和r 为交流功率开关，它由2 个串联连接的单 向功率器件组成。图2 1 1 所示电路啪3 与图2 - 1 0 电路结构基本相同，只是功率 开关s 。和s 占的组成结构有所变化，它减少了功率开关的使用数量。这两种 电路结构的开关函数s 。和s 。定义相同，如式2 - 1 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 胆 图2 - 1 0 开关管箝位p 删整流器结构1 开关函数s 和& 定义如下： p n 图2 1 1 开关管箝位p w m 整流器结构2 1s k 导通f 1s 玷导通 s _ 一 0 s 。导通 s 口= 0s b 导通 ( 2 1 7 ) 卜1s 2 。导通卜1s 拍导通 上述几种电路结构属于双多电平桥结构，由于电路拓扑不同，s 。和s 牙的 定义不同，但开关等效电路都与图2 7 相同，因而电路分析方法也与单相二 极管箝位电路类似。 2 3 2 混合三电平桥拓扑变换 下面所示几种电路结构属于混合多电平桥电路，由一个三电平桥臂和一 个二电平桥臂组合而成。 图2 1 2 所示电路m 3 采用6 个开关管，左半桥开关管承受的电压为直流侧 电压的一半，而右半桥开关管承受电压为直流侧电压。 一 图2 1 2 二极管箝位混合多电平桥结构 图2 - 1 3 开关管箝位混合多电平桥结构 其开关函数咒和s 口定义如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 1s k 和s ：。导通1s 坊导通 邑一 os ：。* u s 抽导通& = ( 2 一1 8 ) i 一1s 3 口* u s 知导通l l s 2 6 导通 在传统二电平全桥p w m 整流电路的基础上，增加一个交流功率开关构成 图2 1 3 所示三电平整流器h 。通过适当的p w m 控制，交流侧可以得到5 个电 平的电压波形。 其开关函数s 和s 日定义如下： 跏仁蠢 f l s 玷导通 s b 一 ( 2 1 9 ) i - 1s 拍导通 图2 1 4 所示电路m 1 采用6 个主开关管，不需箝位二极管，开关管s k 、s ：。、 s 乞所承受电压为直流侧电压的一半，开关管s 二、s 1 6 、s 二所承受电压为直 流侧电压。交流侧也可以得到5 电平的电压波形。 f 1 i c 1 = 幺 b 击薛跣扩 如 c 2 = ，屯( i 。 i ， 图2