1、 硕士学位论文基于混合开关器件的电流型多电平PWM整流器研究Research on Multi-level Current Source PWM RectifierBased on Hybrid Switching Devices黄潇潇2014年 3月国内图书分类号：TM461国际图书分类号：621.1学校代码：10079密级：公开工学硕士学位论文基于混合开关器件的电流型多电平PWM整流器研究硕士研究生：黄潇潇导 师：彭咏龙副教授申请学位：工学硕士学专科：电气工程业：农业电气化与自动化所在学院：电气与电子工程学院答辩日期：2014年 3月授予学位单位：华北电力大学Classified Inde
2、x: TM461U.D.C: 621.1Thesis for the Master DegreeResearch on Multi-level Current Source PWM RectifierBased on Hybrid Switching DevicesCandidate：Supervisor：School：Huang XiaoxiaoA.Prof. Peng YonglongSchool of Electrical and ElectironicEngineeringDate of Defence： March, 2014Degree-Conferring-Institution
3、： North China Electric Power University华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于混合开关器件的电流型多电平 PWM整流器研究，是本人在导师指导下，在 华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日华北电力大学硕士学位论文使用授权书基于混合开关器件的电流型多电平 PWM整流器研究 系本人在华北电力大学攻读硕士学位期
4、间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打）：保密 ，在不保密年解密后适用本授权书作者签名：导师签名：日期： 年年月月日日日期：华北电力大学硕士学位论文摘 要整流器是电力电子装置与市电网相连接的重要环节，电流型多电平 PWM整流器具有电流控制灵活、输出容量大、直流电压值低
5、于交流侧电压峰值而无需增加降压环节、输入电流谐波畸变率低以及暂态响应快等优点，在电动汽车充电机、风电场换流站和金属热处理等大功率场合具有明显优势。结合上述特点，对一种采用混合开关器件的电流型多电平 PWM整流器进行了深入的研究和分析。1.分析电流型 3电平 PWM整流器的主电路拓扑和数学模型，提出一种采用混合开关器件的整流器平均动态模型。整流器开关器件的动态模型通常是时变的，传统方法通过经典控制理论把整流器转化成时不变模型进行系统分析和设计。本文借助于 dq变换理论和广义状态空间平均方法，描述了由三相可控硅整流器和 IGBT控制斩波环节构成的新型整流器动态模型，该模型在瞬时响应和稳态过程方面性
6、能良好。同时研究了基于混合开关的 PWM整流器的工作原理， 详细描述了整流器的换流过程。2.研究基于混合开关器件整流器的空间矢量脉宽调制方法（ SVPWM），提出一种改进的 SVPWM 控制策略。 针对电网侧加入 LC滤波环节而造成的网侧电压和电流相位不同步，利用 q轴电流给定不为零的方法来校正整流器的功率因数。仿真和实验表明该整流器能够有效提高输入功率因数，实现网侧电流正弦化。3.通过模块直接交错并联实现多电平来获得大电流和高功率。本文对由多个三相基于混合开关器件的整流器组成的交错并联多电平系统进行研究，借助于错时采样 SVPWM控制，减少低开关频率时交流侧的谐波含量，同时为解决并联系统内部
7、环流产生较大功率损耗问题，提出基于扇区信号判断的均流控制策略。4.为了抑制由于输入侧 LC滤波器谐振引起的网侧电 流畸变和系统振荡，提出了有源阻尼控制与改进 SVPWM技术结合的控制策略。采用增加虚拟等效阻尼电阻的方法，在不改变基波功率流动的前提下抑制 LC 谐振引起的畸变和振荡。该方法能够有效降低线电流畸变，改善系统稳定性。5.设计了一个基于 FPGA数字化控制的多电平整流器系统。SVPWM控制脉冲的产生、基于扇区信号判断的均流控制以及有源阻尼控制程序均由 EP2C5Q208C8完成。实验验证了基于混合开关器件的电流型多电平 PWM整流器的优良性能。关键词：电流型 PWM整流器；混合开关；平
8、均动态 模型；查找表 SVPWM ；扇区信号判断；有源阻尼I华北电力大学硕士学位论文AbstractRectifier is an important part which connects the power electronic devices to thegrid. Multi-level current source PWM rectifier has the advantages of flexible currentcontrol, large power capacity, low input current total harmonic distortion, fast tra
9、nsientresponse and so on. It has been widely used in the field of the electric vehicle charging,wind farms converter stations, industrial heat treatment and other high-powerapplications. Take these characteristics into account, a multi-level current source PWMrectifier using hybrid switching devices
10、 is mainly discussed and analyzed in this paper.1. Main circuit topology and mathematical model are studied, and an average modelfor hybrid switching three-level current source PWM rectifier topology is presented.Dynamic models of power converters are normally time-varying. Traditional approachesare
11、 applied to analyze the power converters to achieve the time-invariant models suitablefor system analysis and design via the classical control theory. The presented powersystem consists of a three-phase controlled rectifier and an IGBT-controlled buckconverter by using the dq and the generalized sta
12、te-space averaging methods. The newtype of PWM buck rectifier dynamic model is described in detail, the proposed modelcan provide good performance in both transient and steady-state responses. Theoperational principle is analyzed at the same time, and the commutation mechanism ofhybrid switching rec
13、tifier is described in detail.2. Space vector pulse width modulation (SVPWM) method for three-phase hybridswitching rectifier is discussed, an improved SVPWM control strategy is put forward. Agiven approach which the q-axis current is assigned to nonzero is to regulate the powerfactor. The excellent
14、 performance of the presented rectifier is verified by simulation andexperimental waveforms, a low current total harmonic distortion (THD) and inputsinusoidal current are effectively achieved.3. Large current and high power can be obtained by parallelling current sourcerectifiers directly. An interl
15、eaving parallel system consists of some three-phase buck-typerectifiers is described in this paper, and sample time staggered SVPWM control isadopted to ensure small AC side harmonic at low switching frequency, sector signalselection current balancing strategy is put forward to effectively solve the
16、 problem ofcirculating current between the parallel units at the same time, which may result in alarge power loss.II华北电力大学硕士学位论文4. An effective method using a hybid combination of a virtual harmonic damper andan improved SVPWM technology is proposed in this paper to reduce line currentharmonics and
17、oscillation of current source PWM rectifier LC filter link. The virtualharmonic active damper control strategy, can supress the current distortion andoscillation caused by LC resonance without affecting the fundermental power flow. Thedistortion of the line current is effectively reduced and the sta
18、bility of the system isimproved.5. A digital control for mulit-level rectifier system based on FPGA is designed.SVPWM control pulse generation, sector signal selection as well as active dampingcontrol procedures are realized by EP2C5Q208C8 chip. Excellent working performanceof the hybrid switching c
19、urrent source PWM rectifier is verified.Keywords：CSR ；Hybrid Switching；Averaging Dynamic Model；Look-up TableSVPWM；Sector Signal Selection；Active DampingIII华北电力大学硕士学位论文目录摘 要 .IAbstract .II第 1章绪论 11.1课题的研究背景及意义. 11.2 PWM整流技术的发展现状 21.3电流型多电平整流器的研究概况. 51.4本文主要研究内容及工作. 10第 2章电流型 PWM整流器主电路研究. 122.1电流型 PWM
20、整流器主电路拓扑结构研究. 122.1.1 IGBT串联二极管型整流器拓扑. 122.1.2混合开关型整流器拓扑 132.2混合开关整流器的数学模型分析. 142.2.1三相可控整流环节动态模型推导dq变换理论 . 152.2.2斩波环节动态模型推导广义状态空间平均法 182.3混合开关整流器换流过程分析. 222.4本章小结. 24第 3章混合开关型多电平整流器 SVPWM方法研究 . 253.1混合开关型 3电平整流器改进 SVPWM方法研究 253.1.1传统 3电平整流器 SVPWM调制原理 . 263.1.2改进 3电平整流器 SVPWM调制原理 . 303.1.3改进 3电平 PW
21、M整流器高功率因数控制. 323.1.4改进 3电平整流器 SVPWM控制仿真分析 . 333.2混合开关型多电平整流器改进 SVPWM方法研究 363.2.1混合开关型多电平 SVPWM整流器拓扑 . 373.2.2混合开关型多电平改进 SVPWM整流器工作原理 . 383.2.3混合开关型多电平改进 SVPWM整流器仿真分析 . 403.3本章小结. 41第 4章混合开关型多电平 PWM整流器控制策略研究 . 424.1 LC振荡阻尼混合控制. 424.1.1 LC振荡产生的原因和阻尼控制. 42IV华北电力大学硕士学位论文4.1.2 LC振荡混合控制策略研究. 434.1.3 LC振荡阻
22、尼混合控制仿真分析. 454.2均流控制. 474.2.1环流分析 474.2.2基于扇区信号判断的均流方法研究 484.2.3基于扇区信号判断的均流方法仿真分析 514.3本章小结. 52第 5章混合开关型多电平 PWM整流器实验设计. 545.1 FPGA芯片简介 . 545.2软硬件设计. 565.2.1主电路设计 575.2.2控制电路设计 595.2.3外围电路设计 625.3混合开关型多电平 PWM整流器实验分析. 645.4本章小结. 66第 6章全文总结与展望 676.1全文总结. 676.2工作展望. 68参考文献 69攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果 73致谢 74
23、V华北电力大学硕士学位论文第 1 章绪论伴随功率半导体技术的快速发展，尤其是电力变换器的高功率因数以及大功率化，电力电子装置广泛应用于各种场合，但是这引起了无功功率和谐波污染等问题。为了进一步提高电力电子装置的性能，降低设备成本，减少污染，世界各国进行了广泛的研究，尤其是在脉冲整流技术方面取得了很大的进步和发展。1.1课题的研究背景及意义近年来，电力电子技术在电力工业、化工领域以及煤炭行业等方面得到了迅速发展，其中整流器是电力电子装置与电力网相连接的重要环节。一般的整流装置如传统的二极管不可控整流器以及可控硅相控整流电路，虽然电路简单，控制方式灵活，但是主要存在以下缺点：1）输入电流谐波含量高
24、，易对公用电网产生谐波污染；2）当触发导通角大于 90时，整流装置的输入功率因数极低；3）由于电网产生“ 污染” ， 进而引起电网侧电流和 电压波形畸变；4）装置运行过程中产生的大量无功功率在系统中流动，降低了设备利用率和用电效率；5）调节控制周期长，造成网侧电压振荡，严重影响了系统的供电可靠性和电能质量。这些整流电路已经不能够符合 IEEE、IEC以及我国国家技 术监督局等机构制定的 IEEE519-1992、IEC555-2以及电能质量公用电 网谐波（GB/T14549-93）等关于谐波的标准和规定1,2流动。因此，需要采取相应措施抑制整流器谐波和减小无功功率通常的解决方法包括：一是网侧加
25、入补偿装置来补偿整流器产生的各次谐波和无功功率流动；二是对现有的整流装置进行改进，使输入电压和电流接近同相位，降低谐波含量并减少无功功率的产生。二者相比，采用改进的整流器提高功率因数和抑制谐波效率更高，因此，一类高功率因数低谐波的三相 PWM整流器应运而生。三相 PWM整流器是通过控制功率开关器件的“通”和“ 断”来实现对脉冲宽度的控制，达到谐波抑制的目的。PWM整流主要由 MOSFET、IGBT等全控型器件组成，一方面能够由交流侧电网向直流负载馈送能量，同时还能实现由直流侧向交流侧回送能量，提供能量双向流动的通道，提高了能源的利用效率3。采用 PWM整流技术，不仅可以实现能量双向流动，还能够
26、有效改善输入电压和电流的谐波畸变率（THD ），同时稳定直流侧电压和电流、减小输出电压和电流纹波，实现电网1华北电力大学硕士学位论文侧输入连续电流且达到单位功率因数，已经成为工程应用的热点研究方向。PWM整流器的交流侧受控源特性拓展了其控制技 术的应用范围。功率因数校正、有源电力滤波器（APF）、超导线圈储能（SMES）、静止无功发生器（SVG）、高压直流输电（HVDC）以及四象限交流电机驱动等4 均是以 PWM整流器拓扑及其控制技术为基础发展起来的。PWM整流器包括电流源型 PWM整流器（Current Source Rectifier ，CSR ）和电压源型 PWM整流器（Voltage
27、Source Rectifier，VSR）。随着超导储能技术（SuperConducting Magnetic Energy Storage，简称 SMES）的逐步发展，电流型 PWM整流器较电压型 PWM整流器相比的优势愈发显著：1）直流侧提供恒定直流电流，直流电压可以从零到额定值连续调节，且其值低于交流侧电压峰值而无需增加降压环节，能够有效节约资源；2）电流限制能力强且控制灵活；3）短路保护性能良好；4）控制精确且可靠性高。在电动汽车充电机、风电场换流站和感应加热等大功率领域，不仅要求整流器能够在高电压、大电流下稳定工作，还希望整流器具有较低开关频率来降低系统谐波。对普通电流型 3电平 P
28、WM整流器而言，系统 功率和器件开关频率二者不能同时达到预期，系统功率越大，功率器件的开关频率越高，谐波越显著，而当开关频率一定时，系统的功率则受到限制。采用多电平整流装置，能够有效解决上述问题。多电平一般是通过多个整流器并联的方法获得的，和单个整流器比较而言：1）多电平整流器可以保证在较低的开关频率条件下输出大功率，且电平数越多，直流侧输出功率越高，交流侧输入波形越趋近于正弦波形，系统谐波含量越少；2）多电平整流器能够有效降低开关损耗；3）多电平整流器能够实现直流侧输出电流的瞬时调节；4）多电平整流器具有较快的暂态响应；5）多电平整流器具有良好的电磁兼容性。正是基于上述电流型多电平 PWM整
29、流器的优点和 电力电子技术的迅猛发展，本文对其进行了深入的研究和探讨。1.2 PWM整流技 术的发展现状20世纪 70年代末期，PWM控制技术开始应用于整流装置，到了 80年代，随着自关断功率器件的进步，关于 PWM策略的研究得到了 进一步发展和推动。HoltzJoachim等人率先提出了以可关断器件为功率换流器件的全桥式 PWM整流器结构，2华北电力大学硕士学位论文通过控制网侧电流的幅值和相位来实现整流器网侧高功率因数。然后， AkagiHirofumi提出以 PWM整流器拓扑为基础的无功功率 补偿装置，为后来电压型 PWM整流器的设计奠定了基础5。80年代末，采用坐标变换理论的离散 PWM
30、 整流器动态数学模型和控制技术，促进了 PWM整流器的进 一步发展。到了 90年代初，三相功率因数校正技术的研究成为功率变换领域的研究热点。经过多年的研究，PWM整流器在有源电力滤波、高 压直流输电、超导线圈储能、交流电气传动等领域得到进一步发展，这同时促进了 PWM整流器和控制策略方面的改进。目前主要的研究内容有下列几个方面：（1）PWM整流器拓扑结构的研究PWM主电路结构主要分为电压型和电流型。在中小功率 场合，电压型 PWM整流器凭借其简单的结构、方便的控制和低损耗等优点，长时间成为研究关注的焦点。而对于电流型 PWM整流器结构，因其具有一个 较大的直流电感，造成的损耗往往大于电压型的损
31、耗，同时由于交流滤波环节的存在，易产生电网侧电流波形畸变严重和系统振荡问题，使其结构相对复杂，调制不灵活，这些限制了电流型 PWM整流器的发展。但随着超导储能技术的产生和应用，电流型 PWM整流器与超导线圈直接相连，无需增加额外的直流负载电感，损耗极低，与电压型 PWM整流器相比越来越具有优势。另外，在感应加热电源和风电场换流站等大功率工业领域，电流型 PWM整流器因其具有的低电压调节特性而受到广泛应用。在大功率工业领域，研究主要集中在将单个单元的 PWM整流器进行组合，形成多电平和多重化的结构，同时降低功率开关器件的开关损耗这些方面。其中多电平 PWM整流器也包括电压型和电流型。电压型多 电
32、平 PWM 整流电路为升压电路，其直流输出电压总是高于电源电压；而电流型多电平整流器为降压电路，直流输出电压在低于电源电压范围内可调6。与普通并联结构不同，多电平 PWM整流器是将每个并 联的 PWM 整流器的脉冲控制信号逐个进行相位的移动，每个模块开关器件的工作频率较低，总的等效工作频率高，同时开关损耗得到了有效降低，PWM整流器的电流电压输出性能得到明显提高。（2）PWM整流器数学模型的研究自从以坐标变换理论为分析原理的 PWM整流器动态 模型提出之后，作为 PWM整流器及其控制技术研究基础的数学模型研究才进入了一个更深入的阶段。S.B.Dewan等人提出了 PWM整流器的高、低频下不同解
33、对应的不同的时域模型。Chun T.Rim和 Dong Y.Hu将变压器等效模型结合部分环节的 dq坐标变换理论7，对 PWM整流器的稳态和暂态等特性进行了研究。3华北电力大学硕士学位论文（3）PWM整流器调制方式的研究PWM整流器调制方式主要有正弦脉冲宽度调制（ SPWM）、空间矢量调制（SVM ）、滞 环控制（Hysteresis Conttrol）和单周控制（One-Cycle Control）4 等。SPWM技术是将载波（通常为三角波或锯齿波）信号与正弦波调制信号比较，得到连续的幅值相等、宽度不等的高频脉冲信号，再经过功率放大，进而驱动功率开关器件的开通和关断。80年代中期，SVM技术
34、8逐渐发展起来，起初是在电机调速过程中使电机获得圆形旋转磁场。现在，SVM与 PWM技术相结合共同控制整流器。根据整流器开关的不同组合，将开关量分为八个空间矢量，包含六个非零矢量和两个零矢量。然后通过 Park 变换将指令信号从 abc 坐标系下转换到空间旋转坐标系下，在一个调制周期内，由两个相邻的非零矢量和零矢量共同构成任一时刻的矢量，进而得到 PWM输出脉冲信号。经过多年的研究，发现 SVM与 SPWM的本质是一样的，都是基于规则采样的PWM调制技术，同时 SVM又具有电压利用率高、开关损耗低和易于数字化的特点，因此，将二者结合起来产生了空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术，而 SVPW
35、M技术进一步提高了 PWM整流器控制的稳态性能和 动态响应速度。滞环电流控制是将电流控制和 PWM控制结合起来，通 过采样电流值与参考电流值的限值进行比较，把交叉点作为开关的动作点 9，其实质是一种简化的bang-bang控制。具有以下的特点：1）滞环电流控制是一种电流动态控制，可靠性高、稳定性好；2）滞环电流控制实际上是一种频率可变的 SPWM调制技术。在三相 PFC 技术中，对应的滞环电流控制载波频率为工频的二倍；3）滞环电流控制过程中，开关频率变化较大，伴随产生开关噪声和各次谐波，给滤波器的设计造成困难。为了解决上述问题，提出了变环宽的滞环控制改进方法，但又会影响动态响应的速度和跟踪精度
36、。而后又相继提出了限制开关频率最大值和基于变环宽的恒频控制策略等。单周控制是通过采样保持器、积分器、比较电路和触发电路实现采样电流跟踪指令电流值，控制原理如图 1-1所示。在每个调制周期内，通过控制开关的通断时间，使采样电流的平均值与参考值相等或成比例，减少一个周期内的稳态和动态误差10 。单周控制具有良好的系统跟随特性和较强的抗干扰能力，同时，控制电路简单可靠，动态响应快且易于实现。该技术现已成功应用于 PWM整流器的控制环节中。4华北电力大学硕士学位论文窄脉冲发生PWM输出采样电流 Q Q-+-R S+-Vref 时钟图 1-1单周原理逻辑图1.3电流型多电平整流器的研究概况针对电流型多电
37、平整流器的研究虽不及电压型多电平整流器开展得早，进行的深入，但是近几年电流型多电平整流器的研究也取得了一定的成果，主要包括：（1）电流型多电平整流器拓扑结构的研究概况大功率电流型整流器应在实现大容量、高效率的基础上，具有较小的输出谐波和良好的控制性能，为此，研究人员在电路拓扑结构方面进行了很多方面的改进。一开始，和电压源型组合式整流器的分析方法类似，研究人员设计出了组合式单相电流型多电平整流器和组合式三相电流型多电平整流器，如图 1-2所示。LdcS11 S12 LdcLLLL Sa11 Sb11 Sc11esRLes RLCS13 S14 Sa12 Sb12 Sc12CLS21 S22 Sa
38、21 Sb21 Sc21eses CS23 S24 Sa22 Sb22 Sc22CLSn1 Sn2 San1 Sbn1 Scn1eses CSn3 Sn4 San2 Sbn2 Scn2Ca)单相组 合式 b)三相组合式图 1-2组合式单相和三相多电 平整流器拓扑从图可 1-2 可以看出，这种整流器的控制方法简单，各个单元之间的控制环节相互独立，PWM调制策略灵活。但是，在控制过 程中，直流侧各个单元之间存在电感电流不平衡的问题，因此在实际应用中受到限制较多。还有一种直接式多电平整流器11，它是通过控制开关器件的开通和关断，产生5华北电力大学硕士学位论文不同电平值的输出信号，可分为单相和三相直接
39、式电流型多电平整流器。图 1-3所示 为单相直接式电流型 5电平整流器结构，以它作为基本单元可以扩展到更高电平的整流器。在图 1-3中，全控器件串联二极管组成功率开关，L1、L 2为分流电感。这种单相直接式电流型多电平整流器电路结构对称，可以直接采用二值逻辑进行调制，控制简单，同时每个功率开关器件所承受的电流应力均衡。主要问题在于流过分流电感的电流不均衡，控制困难。Ldc L1S5 S6S7 C S8RLes LS1 S2S3 S4L2图 1-3单相直接式电流型 5电 平整流器拓扑结构图 1-4所示 为三相直接式电流型 6电平整流器结构。从图上看，这与图 1-2所示的组合式整流器结构没有明显不
40、同。但是在工作原理上却是不同的，这种组合式整流器利用多电平合成的方法，通过控制每个桥臂开关器件的开通和关断状态，再借助于分流电感对输出电流进行均分，最终形成多电平的输出电流。LdL21 Ln1L11Sa11 Sb11 Sc11 Sa21 Sb21 Sc21 San1 Sbn1 Scn1LesRLCSa12 Sb12 Sc12 Sa22 Sb22 Sc22 San2 Sbn2 Scn2L22 Ln2L12图 1-4三相直接式电流型 6电 平拓扑结构（2）电流型多电平整流器的调制方法研究概况根据多电平整流器拓扑结构的不同决定了采用哪种 PWM调制策略，对于电压型多电平整流器，可以借助传统的二值逻辑
41、 PWM调制策略通过一定的扩展，形成多电平 PWM调制方法。具体包括：多电平空间矢量脉冲 宽度调制、阶梯波 PWM6华北电力大学硕士学位论文方法、以载波垂直分布为基础的 PWM技术、载波移相脉 宽调制方法等。但是，对于三相电流型多电平整流器，为保证直流输出侧电流的连续性同时考虑到三相电流间的耦合特性，并不是每种电压型调制方法都适用于电流型多电平整流器。目前在电流型多电平整流器中得以发展的技术有：A.阶梯波 PWM方法阶梯波 PWM方法是通过波形的叠加，形成阶梯状，叠加的 级数越多，输出波形越接近正弦波形。在调制过程中，还可以通过改变每个阶梯波的持续时间，消除和抑制特定频次的谐波。文献12率先提
42、出单相电流型多电平整流器结构，并通过阶梯波 PWM方法得到 5电平电流，同时能够消除特定 频次的谐波，但调制过程中的传输带宽较窄。在文献13中提出的三相直接式 6电平整流器结构中，也通过阶梯波 PWM方法实现了多电平输出，但是对应的阶 梯波脉冲宽度恒定，需要通过调节直流侧输出电流来改变网侧电流幅值，降低了系统的动态响应速度。B.以载 波垂直分布为基础的 PWM技术其基本思想是：当整流器输入电压或电流电平数为 N时，将（N-1）个幅值和频率完全相等的三角载波依次排列。在各个采样时刻，将各个三角载波与同一正弦调制波进行比较，获得各自相应的两电平控制信号。然后重新分配这些控制信号，驱动相应的开关器件
43、的开通和关断。图 1-5所示为以载波垂直分布为基础的 PWM技术原理图。Um11/20-1/2-10 Tout/2 Tout图 1-5以载波垂直分布为基础 的 PWM技术原理图文献14提出在三相独立 电源式电流型 5电平整流器中利用 POD-PWM技术，直接通过二值逻辑原理产生开关器件所需的脉冲控制信号，省去了二值逻辑到三值逻辑的转换步骤，取得了良好的谐波滤除性能。但在深度控制过程中，位于装置外围的开关基本不开通，装置内的开关则频繁开断，造成开关器件负荷分配不均匀，功率损耗增加。7华北电力大学硕士学位论文C.载波移相 PWM技术其基本原理为：每个整流器均由频率和幅值相同，调制比恒定的信号进行调
44、制，相邻整流器单元的三相载波相位相差 2/(N*k )，其中 N为整流器单元个数，k 代表调制比。每个整流器单元通过PWM技术输出各自的波形，然后通 过叠加获得（2N+1 ）个电平的输出波形。载波移相 PWM技术一开始主要 应用于组合型多电平整流器，然后进一步扩展到级联式多电平整流器。文献15以三相组合式电流型整流器为基础，在数学模型、调制策略、控制电路等方面细致的分析和研究了基于三值逻辑的载波移相 PWM技术，该方法具有每个整流器单元中的开关器件 频率较低和输入输出线性度高，控制方式灵活等优点。D.多电平空间矢量脉冲宽度调制技术多电平 SVPWM 技术是在 3电平的基础上，利用开关的不同组合
45、来增加输出的电平数。在任意时刻，根据矢量合成原理，对应空间矢量可以通过三个非零矢量合成，同时对非零矢量和零矢量进行组合分配，进一步输出多电平波形。图 1-6为 5电平空间电流矢量脉冲宽度调制原理图。I14I9 I8I15 I2 I13I3 I1I0I10 I4 I6I16 I18I5I11 I12I17图 1-6 5电平空间电流矢量脉冲 宽度调制原理图文献16,17借助 电压型 SVPWM方法进行类比，找出电流型与电压型的对应关系，将二值逻辑信号转换为三值逻辑信号，实现了电流型 PWM整流器的电流空间矢量调制。文献18 则提出单独对每个整流器单元采取 3电平 SVPWM方法，同时错开每个模块的
46、采样时刻，进而得到多电平波形。采用 SVPWM 技术对电流型多 电平整流器进行调制，不仅可以改善直流输出侧的电流稳定性、降低网侧电流谐波、减小开关损耗，而且控制电路的数字化程度也得到进一步提高。但是当输出电平数较多时，直接通过电流空间矢量实现电流型多电平整流器的 SVPWM 难 度较大。（3）电流型多电平整流器均流控制方法研究概况8华北电力大学硕士学位论文对于电流型多电平整流器，由于每个单元中功率开关器件参数不一致，系统结构分布不对称等原因，造成流过每个整流器单元的输出电流不平衡，在整流器内部形成环流，引起网侧电流波形畸变，谐波含量增加。因此，必须平衡每个整流模块和抑制循环电流来避免其中某个整
47、流模块由于电流过大而产生过载。在多模块并联电源系统中，通常采用的均流方法包括：1）平均电流法；2）热应力自动均流19；3）增设均流控制单元；4）主从均流法；5）输出阻抗平衡法。上述均流方案主要适用于 DC-DC变流器多模块并联和不间断电源系统中，与之相比，整流器电源的多模块并联需要克服更多的困难。不仅要确保各模块输出幅值相等，还要求网侧电流的频率和相位严格一致，避免大量的无功功率在系统流动。文献20提出通 过保证所有功率开关器件具有相同的导通内阻，同时直流侧分流电感的等效串联电感（ESR）尽量小。但实际情况下参数完全对称很难实现，必须增加均流控制环节，避免产生电流不均衡的问题。而文献 21中，
48、尽管利用变压器联接整流器各模块，将系统中产生的环流与电网侧隔离，但没有从根本上消除环流，特别是在低频大功率应用中，变压器的增加会增大整个系统的体积和设备造价。文献22借助于 调节每个单元的调制波幅值和相位，实现均流控制，而对于一个五单元直接并联整流器系统，交流侧电流应不含有 5、7、11次谐波，但由于相邻整流器单元调制信号的不一致，实际 5、7、11次谐波在交流侧电流中明显存在，因此这种控制方法在实现直流侧输出电流均衡的同时削弱了各个单元对网侧电流谐波相互消减的能力。对于电流型多电平整流器，主要是通过分流电感实现不同单元间的电流均衡控制，因而任何外加的控制电路或者辅助环节都不能从根本上消除各整
49、流器单元间的环流，必须依靠整流器自身的均流调节能力使对应电平值的输出电流趋于稳定。（4）电流型多电平整流器 LC振荡阻尼方法研究概况电流型 PWM整流器 LC滤波环节易产生振荡问题23 。稳态情况下，当电源的阻抗变化时，造成 LC振荡频率发生改变，会产生网 侧电压谐波和开关器件通断谐波；在暂态条件下，任何瞬时扰动可能导致 LC串 联或并联谐振，影响线电流波形和直流电流控制性能。一般地，解决 LC振荡方法可以分为有源阻尼和无源阻尼控制。无源阻尼 24 是通过在滤波电容器两端增加一个阻尼电阻来控制谐振频率，从而实现对 LC 滤波器振荡的抑制。但是，当系统参数动态变化时，采用无源阻尼方法吸收阻尼能量时，9华北电力大学硕士学位论文由于电阻分流作用，系统会产生很高的损耗，不能满足系统的要求。而有源阻尼则是通过在控制过程中增加虚拟的等效阻尼电阻来实现对振荡的消除。采用有源阻尼方法不仅具有
