1、安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线I摘要随着电力电子器件、高精度高速运算芯片、实时仿真及控制等技术的飞速发展，各类电力电子装置正广泛地应用于交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等领域，然而大多数的电力电子装置都是通过变流器与电网相连，总存在网侧功率因数低以及输入电流谐波成分高的问题。为了减小谐波干扰对电网质量的危害，以及可能因此而引发的事故，1994 年3 月国家技术监督局颁布了国标 GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波 。抑制电力谐波提高功率因数的方法主要有两种，一种是装设专用的谐波补偿装置，该方法相应地带来了成本增加的问题；另一种是采用新型的
2、高功率因数变流器。PWM整流器作为高功率因数变流器的一个重要方向，在各种工业生产领域扮演着重要角色。它不仅要求中间直流环节的电压保持恒定，交流侧功率因数为1，还要求尽量减少电流谐波。然而相对于两电平PWM整流电路，三电平PWM整流器的功率开关管所承受的关断电压为直流侧电压的一半，减少了功率开关管的电压强度，同时电平数的增加使入端电流更接近正弦波，在同样的的开关频率及控制方式下，其电流谐波总畸变率（THD ）要远小于两电平PWM整流器。因此，本毕业设计以单相三电平 PWM 整流器为研究对象 , 首先介绍了课题的产生背景、研究概况及意义，阐述了 PWM 整流器的工作原理，并对其开关工作模态以及拓扑
3、结构进行了分析；其次，在此基础上，建立了三电平整流器的系统数学模型，并对 PWM 控制技术进行总结，采用电压电流双闭环控制，利用MATLAB/Simulink 进行了仿真实验。仿真结果表明，系统的工作情况与理论分析相符合，该系统不仅能使直流电压在一定范围内可调，而且使整流器交流侧电流谐波降低，实现了单位功率因数运行。关键词：三电平整流 功率因数校正 MATLAB 仿真安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线IIABSTRACTWith the rapid development of power electronic devices, high-precision high-speed
4、 computing chip, real-time simulation and control technology, various types of power electronic devices are widely used in AC-DC adjustable power supply, power supply systems, electrical transmission control and electrochemical production etc, but most power electronic devices connected to the grid
5、through the converter, there is always the low power factor and high harmonics problem of the input current. In order to reduce the harm of grid-quality by the harmonic-interference, and the accident may resulted form it, the State Bureau of Technical Supervision issued a national standard GB/T 1454
6、9-1993 “harmonic power quality utility“ in March 1994. There are two methods to improve power factor and inhibit power harmonic, one is the installation of a dedicated harmonic compensation devices, the method has brought a corresponding increase problem in the cost ; the other is using the new high
7、 power factor converter . PWM rectifier ,as an important direction of high power factor converters, plays an important role in the various areas of industrial production. It not only requires the constant of middle- dc voltage, AC power factor is 1, also required to minimize the current harmonics. H
8、owever, in related to the two-level PWM rectifier, the DC side power switch turn-off voltages of three-level PWM rectifier are the half, so it reduce the power voltage- strength, and the increase of the levels numbers makes the input-side current closer to the sine wave, and at the same switching fr
9、equency and control mode, the total current harmonic distortion (THD) is much smaller than the two-level rectifier.Therefore, this graduating-design choose the single-phase three-level PWM rectifier as research object. First this paper introduces the background, research survey and significance of t
10、his research subject, explains the working principle of the PWM rectifier and analyzes its 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线IIIswitching modes and topology; Secondly, on this basis, a system mathematical model of the three-level rectifier is built, then begin a MATLAB/simulink simulation experiment with the
11、summary of PWM control techniques and the use of voltage and current double closed loop control. Simulation results show that the work of the system consistent with the theoretical analysis, this system not only enables the DC voltage is adjustable within a certain range, but also reduce the rectifi
12、er AC side current harmonics to achieve the unity power factor operation.Key words: three-level power factor correction MATLAB simulation 主要符号说明输入交流电源电压Su网侧电流si交流侧调制电压 abAB/直流侧输出电压d直流侧输出负载电流i中点箝位电流g直流侧电容 C1 两端电压1u直流侧电容 C2 两端电压2- / - 三电平整流器左/右半桥臂四个开关管aS14b1S4- / - 三电平整流器 8 个反并联二极管VDabV/ 直流侧上下两个支撑电容1C
13、2入端电阻R入端电感L直流侧输出负载电阻三电平整流电路简化模型的 A 相开关AS三电平整流电路简化模型的 B 相开关B安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线IV安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线V毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作
14、者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线VI目录摘要 .IABSTRACT .II主要符号说明 .III目录 .IV第一章 绪论 .11.1 三电平整流器的产生背景 .11.2 三电平变换技术的研究概况及意
15、义 .21.3 三电平 PWM 整流器的研究方向 .31.4 本毕业设计主要研究内容 .4第二章 单相三电平整流器的工作原理及系统分析 .52.1 PWM 整流器的工作原理 .52.2 二极管箝位整流器系统拓扑分析 .82.2.1 开关工作模态分析 .82.2.2 主电路拓扑工作分析 .132.3 三电平 PWM 整流器的数学建模 .152.4 性能指标 .172.4.1 直流侧性能指标 .172.4.2 交流侧性能指标 .18第三章 三电平 PWM 整流器的控制技术 .193.1 PWM 整流器的直流电压控制 .203.2 PWM 整流器的交流电流控制 .213.2.1 滞环电流控制 .21
16、3.2.2 定时瞬时值电流控制 .223.2.3 瞬态电流控制 .233.3 SPWM 控制原理及实现 .243.3.1 SPWM 控制基本原理 .243.3.2 SPWM 的单片机实现 .263.4 PID 基本原理及数字化实现 .27第四章 中点电位平衡控制策略 .294.1 中点电位问题的产生原因 .294.2 中点电位平衡控制策略 .31第五章 三电平 PWM 整流器的系统设计及仿真分析 .33安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线VII5.1 MATLAB/simulink 仿真系统的设计 .335.1.1 三电平整流器仿真模型的建立 .335.1.2 PI 控制器设计 .
17、355.2 稳态情况下的系统仿真结果分析 .355.3 动态情况下的系统仿真结果分析 .355.3.1 负载突增情况 .355.3.2 负载突减情况 .35总结 .35致谢 .35参考文献 .35安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线1第一章 绪论1.1 三电平整流器的产生背景电力电子技术自 20 世纪 50 年代诞生以来，经过半个世纪的飞速发展，至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。正是由于它的飞速发展，各类电力电子装置作为重要的电器设备广泛地应用于各个领域，如：交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等，而大多数的电力电子装置都是通过变流器与电网相连，传统的相控
18、变流器因其具有电路结构简单、技术成熟、价格低廉等优点，在工业现场有着广泛应用。但也存在一些，如：网侧功率因数低；输入电流谐波成分高的问题。谐波电流在线路上形成的谐波电压会使电网电压畸变，影响电压质量，还会使电力系统加大功耗，效率降低，由于涡流和集肤效应，对电机、变压器、电容器等电器设备也有损害；电网中使用了大量的电感电容，按照设计一般不可能发生谐振问题，但有可能谐波电流频率刚好为某个电感电容支路的谐振频率，这样会使谐波放大引起连锁反应，对电网造成巨大的危害。但是在电力电子设备大量在人们日常生活中出现之前，谐波危害并没有明确的表现出来，所以我们对谐波的危害也没有进行过深入的探讨。直到20 世纪7
19、0年代，电力电子装置在人们的生活中发挥着越来越重要的作用，由谐波引发的各种事故也越来越多，人们才注意到电力电子装置不仅带来了便利，同时也带来了危害。为有效地控制电网谐波干扰，在1994年3月国家技术监督局颁布了国标GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波 ，对电力用户做出了明确的规定。新的国家标准对传统的相控变流器提出了更高的要求。而抑制电力谐波的方法主要有两种，一种是装设专用的谐波补偿装置，该方法相应地带来了成本增加的问题；另一种是采用新型的高功率因数变流器，这是为广大用户所普遍接受的。而且随着工业现代化生产规模的不断扩大和人们生活水平的不断提高，电能供需矛盾日益突出，节约电量的
20、呼声日益高涨。因此，研究电机及其所拖动负载的节能具有特别重要的社会意义和经济效益。电机及其负载节电的途径主要有两大类：一是提高电机或负载的运行效率，如风机、水泵调速是以提高负载运行效率为目标的节能措施；二是将负载上的机械能反变换成电能回送电网，使电机和负载在单位时间内消耗的电网电能下降，从而达到节电的目的。针对以上这些问题，本毕业设计研究的电压型PWM整流器具有网侧交流电流低谐波、单位功率因数、直流侧电压恒定控制以及能量双向流动等优点，不仅可以在单位功率因数下运行，还可以进行电网无功调节，实现了电能的“绿色变换” ，很好的解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低和能量不能回馈等安
21、徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线2问题，因此也使整流器在各种直流电源、变频调速系统、可再生能源并网发电等领域获得了广泛应用。1.2 三电平变换技术的研究概况及意义一般认为，现在通称的多电平变换器的概念是 A.Nabael 在 1980 年的 IAS 年会上提出来的，并以其独特的优点受到广泛的关注和研究。在短短 20 多年的时间里，已经形成了三类基本拓扑及一系列改进拓扑。与此相对应，多种多电平变换器的调制方法也被提出和研究。在拓扑方面，改进的主要方向是减少器件数量，解决电容电压的不平衡等；在调制方面，改进的主要方向是输出波形性能的优化和算法的简化及算法的通用性等。但是，在多电平变换
22、器概念提出的最初几年，它并没有受到更多的关注，其主要原因在于多电平变换器特殊的电路拓扑，无论对功率器件还是控制电路的要求都较高。因此直到20世纪80年代末，随着GTO、IGBT 、IGCT等一系列大功率可控开关器件技术的进步，以及以DSP为代表的高精度高速控制芯片的迅速普及，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(PWM)控制为基础的各类变流装置，关于多电平变换器的研究和应用才有了迅猛的发展。 相对于国内在这方面起步比较晚，国外对单相三电平整流器的研究较多，不仅在电路拓扑，还有基于不同PWM控制算法以及软开关技术上的实验研究，如对基于开关逻辑控制算法的四象限H桥型单相三电平整流
23、器的研究等。本文所采用的整流器拓扑结构就是将其移值到中点箝位式型三电平整流器中。三电平电路比传统的两电平电路虽然主电路结构和控制均较为复杂，但也具有后者所没有的优越性，即：(1)开关管承受的关断电压降为直流侧电压一半，因此适用于高压、大容量功率应用场合；(2)在同样的开关频率及控制方式下，三电平整流器输出电压或电流的谐波均小于二电平整流器，它的总的谐波失真THD也要小于二电平整流器。(3)由于电平数的增加，改善了输出电压波形，即使在开关频率很低时也能保证一定的正弦度。（4）在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换器，因为电平数的增加，du/dt 应力大为减小，在高压大电动机驱动中，有效防止电
24、动机转子绕组绝缘击穿，同时改善了装置的 EMI 特性；同时，由于PWM整流器能够抑制谐波和提高功率因数，能够实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，而且能量可以双向传输，输出直流电压纹波较小，克服了二极管不控整流电路和晶闸管相控整流电路的很多缺点，从而真正实现了电安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第 页装订线3力电子装置的“绿色电能变换” ，因此受到了学术界的广泛关注，并开展了大量的研究工作。目前，PWM整流技术已成为解决电网谐波污染、无功功率损耗，节约能源领域中重要的发展方向之一，而三电平PWM技术的应用领域也从最初的 DC-AC变换，如大功率电动机驱动；拓展到AC-DC变换，如电力系统
25、无功补偿和AC-DC-AC变换，如超导储能；再到近期的DC-DC变换，如高压直流变换、多电平PFC等。其中，二极管箝位型三电平整流器，因为其优于二电平整流器的特性及优秀的变流性能及可靠性，成为目前最具潜力的研究方向。随着GTO、IGBT、IGCT等大功率开关器件的耐压水平进一步提高，这种结构能完全满足传动控制方面的要求。因此，本文所述的二极管箝位型三电平整流器将会更加广泛地应用于高电压、大容量电力传动系统中。1.3 三电平 PWM 整流器的研究方向三电平PWM整流器主要应用在于中高压大功率场合，其控制目标包括以下三个方面：第一，控制三相正弦输入电流的相位与电网电压的相位相同，以实现网侧单位功率
26、因数；第二，控制直流输出电压达到设定值；第三，控制直流电容电压平衡。因此，除了需要对两电平PWM整流器研究中所涉及的输入电流和输出电压控制以及电网电压不平衡时PWM整流器控制等问题进行研究之外，还需要对三电平PWM整流器的数学模型，中点电位平衡控制问题进行研究。（1）三电平PWM整流器的建模通过建立三电平PWM整流器的数学模型，能够深入揭示系统的非线性本质，为输入电流和输出电压控制器的设计和中点电位平衡控制方法的研究打下基础。有关系统建模的研究工作，目前主要集中在建立各种坐标系下的开关模型，以及在直流侧电容电压 假设条件下的模型简化方面31-35。其中，G.Escobar 等人在21u文献38
27、中详细推导了以每相开关函数 作为控制输入的 和 坐标iS),(cbaabc系下的三电平PWM整流器开关模型，该模型清晰的表明了中点电位波动对于整流器输入电流和输出电压动态性能的影响，但由于该模型中包含开关函数的非线性项(平方项) ，因此很难由该开关模型开发出有效的平均模型用于整体控制系统的分析和设计。为了实现三电平PWM整流器的控制目标，针对各种调制方式的系统平均模型的研究还并不深入。（2）中点电位平衡控制方法的研究三电平NPC整流器的中点电位波动会引起直流侧输出电压和网侧输入电流谐波增加，系统性能下降以及可靠性变差等问题，当直流电容电压严重不平衡时还会损坏功率器件。解决中点电位波动的手段主要有以下三种：（1）增加直流侧滤波电容的容量；（2）设置专门的中点电位控制电路36；（3）开发有效的中点电位平衡控制方法37-40。尽管采用方法（ 1）和方法（2）可以减小和抑制中点电位的波动，但是从
