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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流单相三电平SPWM整流器的研究与设计.精品文档.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
2、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。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
3、理，并对其开关工作模态以及拓扑结构进行了分析；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ABSTRACT With the rapid development of power electronic devices, high-precision high-speed computing chi
4、p, 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 through the co
5、nverter, 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 14549-1993 harmoni
6、c 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 power factor co
7、nverter . 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. However, in relat
8、ed 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 frequency and cont
9、rol 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 this research su
10、bject, explains the working principle of the PWM rectifier and analyzes its switching 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 summary of PWM control techniques and the
11、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 rectifier AC side current harmonics to achieve th
12、e 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 网侧电流 交流侧调制电压 直流侧输出电压 直流侧输出负载电流 中点箝位电流 直流侧电容C1两端电压 直流侧电容C2两端电压-/ - 三电平整流器左/右半桥臂四个开关管-/- 三电平整流器8个反并联二极管/ 直流侧上下两个支撑电容 入端电阻 入端电感 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 三电平整流电路简化模型的B相开关毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
13、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 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
14、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： 目录摘要IABSTRACTII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
15、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213.2.2 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335.1 MATLAB/simulink仿真系统的设计335.1.1
16、三电平整流器仿真模型的建立335.1.2 PI控制器设计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，传统的相控变流器因其具有电路结构简单、技
17、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70年代，电力电子装置在人们的生
18、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，节约电量的呼声日益高涨。因此，研究电机及其所
19、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问题，因此也使整流器在各种直流电源、变
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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 等人在文献38中详细推导了以每相开关函数作为控制输入的和坐标系下的三电平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
26、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，但是从成本和体积
27、的角度考虑有时是不允许的。因此，目前这方面的研究工作主要集中在针对各种PWM调制方法，开发有效的中点电位平衡控制技术等方面。1.4 本毕业设计主要研究内容 本设计在广泛查阅国内外有关PWM整流器研究资料和基于MATLAB仿真实验的基础上，对二极管箝位型三电平PWM整流电路进行了较为深入的研究。主要内容如下：以单相三电平电压型PWM整流器为研究对象，分析了三电平PWM整流器的工作和控制原理，进行了系统的MATLAB仿真。首先，本设计绪论介绍了课题的产生背景、国内外研究概况意义以及目前一段时间内的研究方向；其次，论文详尽地阐述了PWM整流器的工作原理、控制技术，并对二极管箝位型拓扑结构进行了基本数
28、学建模和系统分析，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；然后，针对单相三电平整流器主电路设计，提出了一种解决中点电位平衡问题的方法，并给出了其相应的控制原理示意图；最后进行了基于MATLAB/SIMULINK的仿真，仿真结果说明了系统的工作情况与理论分析相符合，验证了电压电流双闭环SPWM控制的正确性和实用性。第二章 单相三电平整流器的工作原理及系统分析2.1 PWM整流器的工作原理从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器（二极管整流）、相控整流器（晶闸管整流）到PWM整流的发展历程。传统的相控整流器，虽应
29、用时间较长，技术也较成熟，且被广泛应用，但仍存在以下问题：（1） 晶闸管换相引起网侧电压波形畸变；（2） 网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”；（3） 深控时网侧功率因数降低；（4） 闭环控制时动态响应相对较慢。虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流而“污染”电网；另外二极管整流器的不足之处还在于其直流电压的不可控性。针对上述不足，PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PWM整流器可以取得以下优良性能：（1） 网侧电流为正弦波；（2）
30、网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）；（3） 电能双向传输；（4） 较快的动态控制响应；显然，PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电能的双向流动，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。所谓单位功率因数是指：当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。综上可见，PWM整流器实际上就是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流
31、装置。为便于理解，以下首先从模型电路阐述PWM整流器的基本原理。图2-1 PWM整流器模型电路图2-1为PWM整流器模型电路。从图2-1可以看出：PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势以及网侧电感；直流回路包括负载电阻；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。当不计功率开关管桥路损耗时，由交直流侧功率平衡关系得 （2-1）式中 、 模型电路交流侧电压、电流 、 模型电路直流侧电压、电流 由式（2-1）不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。以下着重从模型电路交流侧入手，分析PWM整流器的运行状态和控制原理。 稳态条
32、件下，PWM整流器交流侧矢量关系如图2-2所示。a) b) c) d)图2-2 PWM整流器交流侧稳态矢量关系a) 纯电感特性运行 b)正阻特性运行 c)纯电容特性运行 d)负阻特性运行 交流电网电动势矢量 交流侧电压矢量 交流侧电感电压矢量 交流侧电流矢量 为简化分析，对于PWM整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略PWM谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图2-2分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量即可实现PWM整流器的四象限运行。若假设不变，因此也固定不变，在这种情况下，PWM整流器交流电压矢量端点运动轨迹构成了一个以为半径的圆。当电压矢量端点位于圆轨迹A点时，电流矢量
33、比电动势矢量滞后90，此时PWM整流器网侧呈现纯电感特性，如图2-2a所示；当电压矢量端点运动至圆轨迹B点时，电流矢量与电动势矢量平行且同向，此时PWM整流器网侧呈现正电阻特性，如图2-2b所示；当电压矢量端点运动至圆轨迹C点时，电流矢量比电动势矢量超前90，此时PWM整流器网侧呈现纯电容特性，如图2-2c所示；当电压矢量端点运动至圆轨迹D点时，电流矢量与电动势矢量平行且反向，此时PWM整流器网侧呈现负阻特性，如图2-2d所示。以上，A、B、C、D四点是PWM整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一步分析，可得PWM整流器四象限运行规律如下： (1) 电压矢量V端点在圆轨迹AB上运动时，PW
34、M整流器运行于整流状态。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当PWM整流器运行在B点时，则实现单位功率因数整流控制：而在A点运行时，PWM整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。(2) 当电压矢量v端点在圆轨迹BC上运行时，PWM整流器运行于整流状态。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。当PWM整流器运行至C点时，PWM整流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。(3) 当电压矢量v端点在圆轨迹CD上运行时，PWM整流器运行于有源逆变
35、状态。此时，PWM整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从PWM整流器直流侧传输至电网。当PWM整流器运行至D点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。(4) 当电压矢量v端点在圆轨迹DA上运行时，PWM整流器运行于有源逆变状态。此时，PWM整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从PWM整流器直流侧传输至电网。显然，要实现PWM整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可以通过控制PWM整流器交流侧电压，间接控制其网侧电流；另一方面，也可以通过网侧电流的闭环控制，直接控制PWM整流器的网侧电流。2.2 二极管箝位整流器系统拓扑分析单相三电平PWM整流器主电路如图2-3所示，、为
36、开关器件，为电压电源，为网侧电流，为变换器调制电压，为直流侧电压，和分别为牵引变压器的牵引绕组侧漏阻抗和感抗，和为直流侧两个支撑电容，并当网侧电流从交流侧流向直流侧(即如图2-3所示为从左至右流动)时，定义。 图2-3 单相三电平PWM整流器主电路2.2.1 开关工作模态分析为了更加形象系统地分析三电平整流主电路的具体工作模态，可将每组桥臂等效为1个开关，两组桥臂有种开关组合，主电路有9种工作模态，每种工作模态都定义1个与之相应的状态量。开关状态及相应的电压值如表2-1所示。工作模态1110210031-1401050000060-107-118-1009-1-10表2-1 整流器工作状态与输
37、出电压的关系表根据交流侧电压的不同取值(、0、)单相三电平整流器可分为5种工作模态，其中对应三种情况，和分别对应两种情况，和各对应一种情况。状态1（1,1） 开关管、开通，变流器交流侧，电容通过直流侧负载放电，线路电流的大小随主电路电压的变化而增加或减小；状态2（1,0） 开关管、开通，变流器交流侧，输入端电感电压等于,电容被正向（或反向）电流充电（或放电），通过直流侧负载放电； 状态3（1,-1） 开关管、开通，变流器交流侧，正向（或反向）电流对电容及 被充电（或放电），由于输入电感电压反向，电流逐渐减小；状态4（0,1） 开关管、开通，交流侧输入电压，输入电感上电压等于,电容被正向（或反向
38、）电流充电（或放电）；状态5（0,0） 开关管、开通，交流侧输入电压，电容通过直流侧负载放电，线路的大小随主电路电压的变化而增加或减小；状态6（0,-1） 开关管、开通，输入交流侧电压，正向（或反向）电流对电容充电（或放电），电容通过负载电流放电；状态7（-1,1） 开关管、开通，正向（或反向）电流对电容及 被充电（或放电），由于升压电感电压正向，线电流将逐渐增加；状态8（-1,0） 开关管、开通，交流侧电压为，正向（或反向）电流对电容充电（或放电），电容通过负载电流放电；状态9（-1，-1） 开关管、开通，输入端电压为，升压电感电压等于，两个电容及均通过负载电流放电，电流根据的变化而增加（或
39、减小）；由上述分析可知，三电平整流电路总共有9种工作模态态，为了使结构更加清晰，也为后续主电路建模的需要，对电路进行相应的简化，简化后的结构图如图2-4所示。 图2- 4 三电平整流器开关等效图并且，定义理想开关和如下： 1，S1a和S2a导通 1，S1a和S2a导通= 0，S2a和S3a导通 = 0，S2a和S3a导通-1，S3a和S4a导通 -1，S3a和S4a导通2.2.2 主电路拓扑工作分析对于图2-3所示的三电平整流器主电路简化为图2-4所示的电路，电网电压和电流的基波分量有下面的向量方程式： (2-2)其中、分别为电网电压和交流侧电流相量(即入端电感中的电流)，玩为桥臂交流侧PWM
40、波的基波分量。由此可知，在电网电压一定的情况下，的幅值和相位仅由输入端电压基波的幅值及其与电网电压的相位差所决定，改变的幅值和相位就可以使和的相位差为所需要的任意角度。图2-5中的向量图清晰地说明了这一点。 （a）整流运行 （b）逆变运行 （c）SVG运行 （d）电流超前电压运行图2-5 四象限变流器的向量图图2-5(a)中滞后的相角为，和完全同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1，这是四象限整流器的基本工作状态。图2-5(b)中超前的相角为，和相位正好相反，电路工作在逆变状态，即实现了能量的反馈，且功率因数为-l。图2-5(c)中滞后的相角为，超前90度，电路向交流电网送出无功功率，这时
41、四象限交流器相当于一个无功功率发生器(SVG)。图2-5(d)中通过对的幅值和相位控制，可以使比超前或滞后任意角度。下面我们来介绍一下整流器二次滤波电路、入端电感、直流侧电容的作用。对于理想的单相PWM整流器，可以假定它从交流电网吸取与网压同相位的正弦电流，即输入端为：在理想的情况下，可以认为所有的元件均无损耗，则瞬时输入功率应等于瞬时输出功率，即 (2-3)从上式可以看出，电网的输入功率是以2倍于电网的频率波动的，对于PWM整流器来说，其输出电压是恒定的，即：，且满足，因此其输出电流为： (2-4)其中，。可见，输出电流同功率一样也存在一个2倍网频的脉动分量。因此，要得到平直的输出电流，就需
42、要接入一个滤波器，我们选择了在整流器直流侧与负载之间接入一个由电感和电容组成的滤波器。对二次输出端直流电容，较大的电容能对直流侧输出电压纹波能起到较好的抑制作用，但过大的电容也影响电路动态响应速度。整流器直流侧电容主要作用如下：(1)缓冲三电平整流器交流侧与直流负载间的能量交换，且稳定整流器直流侧电压；(2)抑制直流侧谐波电压。在PWM整流器中，输入滤波电感是一个关键性的元件，它是PWM整流器升压的基础，因而，电感值选取的合适与否直接影响电路的工作性能。输入端电感的大小一方面决定了输入电路中纹波的大小，较大的电感意味着电路品质因数的增加和电源电流谐波成分的减小，但大的电感也使电路动态响应过程变
43、慢；另一方面也影响着实际电流的跟踪速度，此参数的选择直接影响系统的工作性能。整流器交流侧电感的作用归结如下：(1)隔离电网电压与整流器交流侧电压；(2)滤除整流器交流侧PWM谐波电流，从而实现整流器交流侧正弦波电流或一定频带范围内的任意电流波形控制；(3)使整流器具有Boost PWM AC/DC变换性能；(4)使整流器获得良好电流波形的同时，还可向电网传输无功功率，甚至实现网侧纯电感、纯电容运行特性；(5)使整流器控制系统获得了一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运行。2.3 三电平PWM整流器的数学建模前面的分析是建立在电容电压平衡基础上的，而实际通常情况下2只电容电压并不相等。假没电容C1、C2上的电压分别为、。由图2-4等效电路可知：当=1时，=；当=0时，=0；当=时，=。同理当=l时，=；当=0时，=0；当=时，=。则可以推出： (2-5) (2-6)式(2-5)、式(2-6)想减，得 (2-7)假设开关管为理想模型，在换相过程中没有功率损耗和能量储存，则交流侧和直流侧的瞬时功率应相等。即 (2-8)由式（2-7）和式（2-8）可得 (2-9) (2-10)又由等效的拓扑结构，可知如下 （2-11） （2-12）将式（2-8）、式（2-9）式（2-11）代入式（2-12）中，则三电平PWM整流器的主电路数学模